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【花雕学编程】Arduino FOC 之FTC机械臂关节控制

时间：2024-08-22 12:27:29浏览次数：6  
标签：target 电机 void Arduino motor1 FTC FOC

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Arduino是一个开放源码的电子原型平台，它可以让你用简单的硬件和软件来创建各种互动的项目。Arduino的核心是一个微控制器板，它可以通过一系列的引脚来连接各种传感器、执行器、显示器等外部设备。Arduino的编程是基于C/C++语言的，你可以使用Arduino IDE（集成开发环境）来编写、编译和上传代码到Arduino板上。Arduino还有一个丰富的库和社区，你可以利用它们来扩展Arduino的功能和学习Arduino的知识。

Arduino的特点是：
1、开放源码：Arduino的硬件和软件都是开放源码的，你可以自由地修改、复制和分享它们。
2、易用：Arduino的硬件和软件都是为初学者和非专业人士设计的，你可以轻松地上手和使用它们。
3、便宜：Arduino的硬件和软件都是非常经济的，你可以用很低的成本来实现你的想法。
4、多样：Arduino有多种型号和版本，你可以根据你的需要和喜好来选择合适的Arduino板。
5、创新：Arduino可以让你用电子的方式来表达你的创意和想象，你可以用Arduino来制作各种有趣和有用的项目，如机器人、智能家居、艺术装置等。

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Arduino FOC（Field Oriented Control，场向量控制）是一种先进的电机控制技术，它允许精确控制电机的转矩和速度。这种控制技术特别适用于无刷直流电机（BLDC）和步进电机。在Arduino平台上实现FOC可以提供平滑的运行和高度的扭矩、速度和位置控制，它通过精确控制电机的电流和电压来实现高效率、高精度和低噪声的操作。

主要特点:
1、高性能电机控制：FOC是一种高级的电机控制算法，可以精准控制PMSM(永磁同步电机)和BLDC(无刷直流)电机，实现平滑的转速和扭矩输出。
2、闭环控制架构：FOC采用闭环反馈控制，通过检测电机的位置和速度数据，实时调整输出电压和电流，确保电机动作符合预期。
3、模块化设计：Arduino FOC库采用模块化设计，包含电机建模、速度/位置/电流控制环、PWM生成等子模块，用户可根据需求灵活组合使用。
4、可移植性强：Arduino FOC可移植到多种硬件平台，如Arduino、ESP32、STM32与树莓派等，适用于功率从几十瓦到几千瓦的电机系统。
5、参数自动识别：FOC库具有自动识别电机参数的功能，可以大幅简化电机控制系统的调试过程。

应用场景:
1、工业自动化：在工厂的机器人、传送带、CNC加工设备等领域，Arduino FOC可提供高性能的电机控制解决方案。
2、电动车辆：电动自行车、电动汽车、电动叉车等车载电机驱动系统，可以采用Arduino FOC进行精准控制。
3、家用电器：在电风扇、洗衣机、空调等家用电器中，Arduino FOC可实现细腻的电机速度和扭矩控制。
4、航模和无人机：航模飞机、无人机等对电机控制性能要求很高的领域，Arduino FOC能够提供高精度的电机驱动。
5、机器人：工业机器人、服务机器人、仿生机器人等对电机控制性能有严格要求的领域，Arduino FOC是一个不错的选择。

需要注意的事项:
1、硬件要求：Arduino FOC对控制器的性能(如CPU频率、RAM/ROM容量等)有一定要求，需要选择合适的硬件平台。
2、调试复杂性：FOC算法涉及电机建模、坐标变换、PI调节器等诸多环节，调试和调优过程相对复杂，需要一定的专业知识。
3、噪声抑制：电机驱动电路容易产生噪声干扰，需要采取合理的屏蔽和滤波措施，确保信号质量。
4、安全防护：电机驱动系统可能会产生过电流、过压等故障,需要配备可靠的保护电路，确保人身和设备安全。
5、系统集成：将Arduino FOC集成到完整的电机驱动系统中时，需要考虑机械、电力、控制等各个方面的协调配合。

总的来说，Arduino FOC是一种功能强大、性能优秀的电机控制解决方案,适用于工业自动化、电动车辆、家用电器等众多领域。但在硬件选型、算法调试、噪声抑制和安全防护等方面都需要谨慎考虑，以确保系统稳定可靠地运行。

附录：系列目录
1、Arduino FOC的特点、场景和使用事项
http://t.csdnimg.cn/WZhYL
2、Arduino FOC 之简单FOC库 - 跨平台的无刷直流和步进电机FOC实现
http://t.csdnimg.cn/p9ADE
3、Arduino FOC 之无刷直流电机速度控制
http://t.csdnimg.cn/gZ7CY
4、Arduino FOC 之步进电机位置控制
http://t.csdnimg.cn/VYbIb
5、Arduino FOC 之无刷直流电机电流控制
http://t.csdnimg.cn/wWGVu
6、Arduino FOC 之 SimpleFOC 库的主要函数
http://t.csdnimg.cn/S26MC
7、Arduino FOC 之 ArduinoFOC库的核心函数
http://t.csdnimg.cn/3VLzF
8、Arduino FOC 之传感器校准
http://t.csdnimg.cn/NS3TR
9、Arduino FOC 之SimpleFOCShield v2.0.4无刷电机驱动板
http://t.csdnimg.cn/g9mP7
10、Arduino FOC 之 AS5600角度读取
http://t.csdnimg.cn/dmI6F
11、Arduino FOC 之 FOC算法
http://t.csdnimg.cn/ENxc0
12、Arduino FOC 之 SimpleFOC库的适配电机方案
http://t.csdnimg.cn/QdH6k

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Arduino FOC 之 FTC 机械臂关节控制

一、主要特点

FTC 平台: FTC (FIRST Tech Challenge) 是一个面向中学生的机器人竞赛平台，提供了一套标准化的机器人硬件和软件系统，方便学生进行机器人设计、搭建和编程。
机械臂结构: FTC 机械臂通常采用多关节结构，例如 3 自由度、4 自由度等，可以实现灵活的运动控制，完成各种任务。
Arduino FOC 控制: 利用 Arduino 平台和 FOC (Field-Oriented Control，磁场定向控制) 技术，可以精确控制每个关节的电机，实现对机械臂运动的精确控制，提高机械臂的性能。
传感器应用: 可以使用传感器，例如位置传感器、力传感器等，获取机械臂关节运动状态信息，并用于控制算法中，提高控制精度和稳定性。
编程支持: FTC 平台提供图形化编程软件和文本编程软件，方便学生学习机器人编程，并进行机械臂控制。

二、应用场景

机器人竞赛: FTC 机械臂主要用于 FTC 竞赛，学生可以根据竞赛规则，设计、搭建和编程机械臂，完成各种任务，例如抓取、放置、移动物体等。
教育教学: FTC 机械臂可以作为教学工具，帮助学生学习机械臂设计、搭建、编程和控制，培养学生的科学素养和工程能力。
科研教育: FTC 机械臂可以作为科研平台，用于研究机器人控制技术、运动学、动力学等。
兴趣爱好: FTC 机械臂可以作为兴趣爱好，帮助学生学习机器人知识，并进行机械臂设计、搭建和编程，培养学生的动手能力和创造力。

三、需要注意的事项

竞赛规则: 需要仔细阅读 FTC 竞赛规则，并根据规则进行机械臂设计、搭建和编程，确保机械臂符合竞赛要求。
关节选择: 需要根据竞赛规则和需求，选择合适的关节，例如旋转关节、滑动关节等，搭建机械臂。
控制算法: 需要选择合适的控制算法，例如 PID 控制、反向动力学控制等，并进行参数调试，以确保机械臂控制的稳定性和精确性。
传感器应用: 需要根据实际应用需求，选择合适的传感器，例如位置传感器、力传感器等，并进行数据处理，提高控制精度和稳定性。
安全问题: 在使用 FTC 机械臂时，需要注意安全问题，例如避免机械臂碰撞、避免人员受伤等。

总结

Arduino FOC 之 FTC 机械臂关节控制，是一个面向中学生的机器人竞赛平台，可以帮助学生学习机械臂设计、搭建、编程和控制，培养学生的科学素养、工程能力和团队合作精神。在使用时，需要仔细阅读竞赛规则，选择合适的关节，学习编程，进行团队合作，并确保安全操作。

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1、单关节控制

#include <SimpleFOC.h>

// 定义电机和编码器
BLDCMotor motor1 = BLDCMotor(7);
BLDCDriver3PWM driver1 = BLDCDriver3PWM(9, 10, 11);
Encoder encoder1 = Encoder(2, 3, 500);
void doA1(){encoder1.handleA();}
void doB1(){encoder1.handleB();}

void setup() {
  // 初始化电机
  driver1.voltage_power_supply = 12;
  motor1.linkDriver(&driver1);
  motor1.linkSensor(&encoder1);
  motor1.controller = MotionControlType::angle;

  // 初始化编码器
  encoder1.init();
  encoder1.enableInterrupts(doA1, doB1);

  // 初始化串口
  Serial.begin(115200);
  motor1.init();
}

void loop() {
  // 设置电机目标位置
  float target_angle = 45.0;
  motor1.move(target_angle);

  // 打印当前角度
  Serial.print("Current Angle: ");
  Serial.println(motor1.shaft_angle);
}

要点解读
电机和编码器初始化：定义并初始化一个BLDC电机和编码器，设置电源电压和控制类型。
目标角度设置：在loop函数中，设置电机的目标角度。
电机控制：使用motor.move(target_angle)函数将目标角度传递给电机，实现精确控制。
实时反馈：通过串口打印当前角度，实时监控电机状态。

2、双关节同步控制

#include <SimpleFOC.h>

// 定义电机和编码器
BLDCMotor motor1 = BLDCMotor(7);
BLDCMotor motor2 = BLDCMotor(7);
BLDCDriver3PWM driver1 = BLDCDriver3PWM(9, 10, 11);
BLDCDriver3PWM driver2 = BLDCDriver3PWM(5, 6, 7);
Encoder encoder1 = Encoder(2, 3, 500);
Encoder encoder2 = Encoder(4, 5, 500);
void doA1(){encoder1.handleA();}
void doB1(){encoder1.handleB();}
void doA2(){encoder2.handleA();}
void doB2(){encoder2.handleB();}

void setup() {
  // 初始化电机
  driver1.voltage_power_supply = 12;
  driver2.voltage_power_supply = 12;
  motor1.linkDriver(&driver1);
  motor2.linkDriver(&driver2);
  motor1.linkSensor(&encoder1);
  motor2.linkSensor(&encoder2);
  motor1.controller = MotionControlType::angle;
  motor2.controller = MotionControlType::angle;

  // 初始化编码器
  encoder1.init();
  encoder2.init();
  encoder1.enableInterrupts(doA1, doB1);
  encoder2.enableInterrupts(doA2, doB2);

  // 初始化串口
  Serial.begin(115200);
  motor1.init();
  motor2.init();
}

void loop() {
  // 设置电机目标位置
  float target_angle1 = 30.0;
  float target_angle2 = 60.0;
  motor1.move(target_angle1);
  motor2.move(target_angle2);

  // 打印当前角度
  Serial.print("Motor1 Angle: ");
  Serial.print(motor1.shaft_angle);
  Serial.print(" Motor2 Angle: ");
  Serial.println(motor2.shaft_angle);
}

要点解读
多电机初始化：定义并初始化两个BLDC电机和编码器，设置电源电压和控制类型。
目标角度设置：在loop函数中，分别设置两个电机的目标角度。
同步控制：使用motor.move(target_angle)函数将目标角度传递给电机，实现同步控制。
实时反馈：通过串口打印两个电机的当前角度，实时监控电机状态。

3、三关节路径规划与控制

#include <SimpleFOC.h>

// 定义电机和编码器
BLDCMotor motor1 = BLDCMotor(7);
BLDCMotor motor2 = BLDCMotor(7);
BLDCMotor motor3 = BLDCMotor(7);
BLDCDriver3PWM driver1 = BLDCDriver3PWM(9, 10, 11);
BLDCDriver3PWM driver2 = BLDCDriver3PWM(5, 6, 7);
BLDCDriver3PWM driver3 = BLDCDriver3PWM(3, 4, 8);
Encoder encoder1 = Encoder(2, 3, 500);
Encoder encoder2 = Encoder(4, 5, 500);
Encoder encoder3 = Encoder(6, 7, 500);
void doA1(){encoder1.handleA();}
void doB1(){encoder1.handleB();}
void doA2(){encoder2.handleA();}
void doB2(){encoder2.handleB();}
void doA3(){encoder3.handleA();}
void doB3(){encoder3.handleB();}

void setup() {
  // 初始化电机
  driver1.voltage_power_supply = 12;
  driver2.voltage_power_supply = 12;
  driver3.voltage_power_supply = 12;
  motor1.linkDriver(&driver1);
  motor2.linkDriver(&driver2);
  motor3.linkDriver(&driver3);
  motor1.linkSensor(&encoder1);
  motor2.linkSensor(&encoder2);
  motor3.linkSensor(&encoder3);
  motor1.controller = MotionControlType::angle;
  motor2.controller = MotionControlType::angle;
  motor3.controller = MotionControlType::angle;

  // 初始化编码器
  encoder1.init();
  encoder2.init();
  encoder3.init();
  encoder1.enableInterrupts(doA1, doB1);
  encoder2.enableInterrupts(doA2, doB2);
  encoder3.enableInterrupts(doA3, doB3);

  // 初始化串口
  Serial.begin(115200);
  motor1.init();
  motor2.init();
  motor3.init();
}

void loop() {
  // 定义路径点
  float path[3][3] = {
    {100.0, 50.0, 30.0},
    {150.0, 75.0, 45.0},
    {200.0, 100.0, 60.0}
  };

  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    float x = path[i][0];
    float y = path[i][1];
    float z = path[i][2];

    // 逆运动学计算电机角度
    float theta1 = atan2(y, x);
    float theta2 = atan2(z, sqrt(x*x + y*y));
    float theta3 = atan2(z, x);

    // 设置电机目标位置
    motor1.move(theta1);
    motor2.move(theta2);
    motor3.move(theta3);

    // 打印当前坐标
    Serial.print("X: ");
    Serial.print(x);
    Serial.print(" Y: ");
    Serial.print(y);
    Serial.print(" Z: ");
    Serial.println(z);
  }
}

要点解读
路径规划：定义路径点数组，包含多个目标位置。
逆运动学计算：根据目标位置计算每个电机的角度。
电机控制：使用motor.move(theta)函数将计算出的角度传递给电机，实现对目标位置的精确控制。
实时反馈：通过串口打印当前坐标，实时监控机器人的工作状态。

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4、单关节角度控制

#include <Arduino.h>
#include <FOC.h>

// 定义电机参数
#define POLES_PAIRS 4 // 电机极对数
#define MOTOR_CURRENT_LIMIT 1.0 // 电机电流限制 (A)

// 创建 FOC 对象
FOC motor;

// 定义目标角度
#define TARGET_ANGLE 45 // 目标角度 (度)

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  // 初始化电机
  motor.init(POLES_PAIRS, MOTOR_CURRENT_LIMIT);
}

void loop() {
  // 设置电机目标角度
  motor.setTargetPosition(TARGET_ANGLE);

  // 运行 FOC 算法
  motor.run();

  delay(10);
}

要点解读：
代码使用 FOC 库来控制 FTC 机械臂的一个关节电机。
setup() 函数初始化电机。
loop() 函数设置电机目标角度，实现单关节角度控制。

5、多关节同步控制

#include <Arduino.h>
#include <FOC.h>

// 定义电机参数
#define POLES_PAIRS 4 // 电机极对数
#define MOTOR_CURRENT_LIMIT 1.0 // 电机电流限制 (A)

// 创建 FOC 对象
FOC motor[3];

// 定义目标角度
#define TARGET_ANGLE_1 45 // 关节 1 目标角度 (度)
#define TARGET_ANGLE_2 90 // 关节 2 目标角度 (度)
#define TARGET_ANGLE_3 135 // 关节 3 目标角度 (度)

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  // 初始化电机
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    motor[i].init(POLES_PAIRS, MOTOR_CURRENT_LIMIT);
  }
}

void loop() {
  // 设置电机目标角度
  motor[0].setTargetPosition(TARGET_ANGLE_1);
  motor[1].setTargetPosition(TARGET_ANGLE_2);
  motor[2].setTargetPosition(TARGET_ANGLE_3);

  // 运行 FOC 算法
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    motor[i].run();
  }

  delay(10);
}

要点解读：
代码使用 FOC 库来控制 FTC 机械臂的三个关节电机。
setup() 函数初始化电机。
loop() 函数设置每个关节电机目标角度，实现多关节同步控制。

6、轨迹控制

#include <Arduino.h>
#include <FOC.h>

// 定义电机参数
#define POLES_PAIRS 4 // 电机极对数
#define MOTOR_CURRENT_LIMIT 1.0 // 电机电流限制 (A)

// 创建 FOC 对象
FOC motor[3];

// 定义轨迹点
const int numPoints = 5;
float points[][3] = {
  {0, 0, 0},
  {45, 0, 0},
  {45, 90, 0},
  {0, 90, 0},
  {0, 0, 0}
};

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  // 初始化电机
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    motor[i].init(POLES_PAIRS, MOTOR_CURRENT_LIMIT);
  }
}

void loop() {
  // 执行轨迹控制
  for (int i = 0; i < numPoints; i++) {
    // 设置电机目标角度
    motor[0].setTargetPosition(points[i][0]);
    motor[1].setTargetPosition(points[i][1]);
    motor[2].setTargetPosition(points[i][2]);

    // 运行 FOC 算法
    for (int j = 0; j < 3; j++) {
      motor[j].run();
    }

    delay(1000);
  }
}

要点解读：
代码使用 FOC 库来控制 FTC 机械臂的三个关节电机。
setup() 函数初始化电机。
loop() 函数根据预定义的轨迹点设置每个关节电机目标角度，实现轨迹控制。

在这里插入图片描述
7、关节角度控制

#include <Arduino.h>
#include <FOC.h>

// 定义电机引脚
#define MOTOR1_PWM 9
#define MOTOR1_DIR 10
#define MOTOR2_PWM 6
#define MOTOR2_DIR 7
#define MOTOR3_PWM 5
#define MOTOR3_DIR 4

// 定义电机对象
FOCMotor motor1(MOTOR1_PWM, MOTOR1_DIR);
FOCMotor motor2(MOTOR2_PWM, MOTOR2_DIR);
FOCMotor motor3(MOTOR3_PWM, MOTOR3_DIR);

// 定义目标角度
float target_angle1, target_angle2, target_angle3;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  // 初始化电机
  motor1.init();
  motor2.init();
  motor3.init();
  // 设置电机运行模式
  motor1.setMode(FOC_POSITION);
  motor2.setMode(FOC_POSITION);
  motor3.setMode(FOC_POSITION);
}

void loop() {
  // 获取目标角度
  // ... (例如从串口或其他传感器获取)

  // 设置电机目标角度
  motor1.setTargetPosition(target_angle1);
  motor2.setTargetPosition(target_angle2);
  motor3.setTargetPosition(target_angle3);

  // 控制电机运行
  motor1.run();
  motor2.run();
  motor3.run();

  // 延迟
  delay(10);
}

要点解读：
代码首先定义了电机引脚、电机对象、目标角度等变量。
setup() 函数初始化电机，设置电机运行模式。
loop() 函数获取目标角度，设置电机目标角度，控制电机运行，并进行循环。
该案例使用位置控制模式，通过设置电机目标角度控制关节运动。
需要根据实际情况获取目标角度，例如从串口、遥控器、传感器等获取。

8、关节轨迹控制

#include <Arduino.h>
#include <FOC.h>

// 定义电机引脚
#define MOTOR1_PWM 9
#define MOTOR1_DIR 10
#define MOTOR2_PWM 6
#define MOTOR2_DIR 7
#define MOTOR3_PWM 5
#define MOTOR3_DIR 4

// 定义电机对象
FOCMotor motor1(MOTOR1_PWM, MOTOR1_DIR);
FOCMotor motor2(MOTOR2_PWM, MOTOR2_DIR);
FOCMotor motor3(MOTOR3_PWM, MOTOR3_DIR);

// 定义轨迹点
const float trajectory[][3] = {
  {0.0, 0.0, 0.0},
  {30.0, 45.0, 60.0},
  {60.0, 30.0, 15.0},
  {0.0, 0.0, 0.0}
};

// 定义轨迹点数量
const int trajectory_size = sizeof(trajectory) / sizeof(trajectory[0]);

// 定义当前轨迹点索引
int current_point = 0;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  // 初始化电机
  motor1.init();
  motor2.init();
  motor3.init();
  // 设置电机运行模式
  motor1.setMode(FOC_POSITION);
  motor2.setMode(FOC_POSITION);
  motor3.setMode(FOC_POSITION);
}

void loop() {
  // 获取当前轨迹点目标角度
  target_angle1 = trajectory[current_point][0];
  target_angle2 = trajectory[current_point][1];
  target_angle3 = trajectory[current_point][2];

  // 设置电机目标角度
  motor1.setTargetPosition(target_angle1);
  motor2.setTargetPosition(target_angle2);
  motor3.setTargetPosition(target_angle3);

  // 控制电机运行
  motor1.run();
  motor2.run();
  motor3.run();

  // 判断是否到达目标位置
  if (abs(motor1.getActualPosition() - target_angle1) < 0.1 &&
      abs(motor2.getActualPosition() - target_angle2) < 0.1 &&
      abs(motor3.getActualPosition() - target_angle3) < 0.1) {
    current_point++;
    if (current_point >= trajectory_size) {
      current_point = 0;
    }
  }

  // 延迟
  delay(10);
}

要点解读：
代码首先定义了电机引脚、电机对象、轨迹点、轨迹点数量、当前轨迹点索引等变量。
setup() 函数初始化电机，设置电机运行模式。
loop() 函数获取当前轨迹点目标角度，设置电机目标角度，控制电机运行，判断是否到达目标位置，并进行循环。
该案例使用位置控制模式，通过设置电机目标角度控制关节运动，并按照预设轨迹执行。
需要根据实际情况定义轨迹点，例如通过编程设定或从外部文件读取。

9、关节力矩控制

#include <Arduino.h>
#include <FOC.h>

// 定义电机引脚
#define MOTOR1_PWM 9
#define MOTOR1_DIR 10
#define MOTOR2_PWM 6
#define MOTOR2_DIR 7
#define MOTOR3_PWM 5
#define MOTOR3_DIR 4

// 定义电机对象
FOCMotor motor1(MOTOR1_PWM, MOTOR1_DIR);
FOCMotor motor2(MOTOR2_PWM, MOTOR2_DIR);
FOCMotor motor3(MOTOR3_PWM, MOTOR3_DIR);

// 定义目标力矩
float target_torque1, target_torque2, target_torque3;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  // 初始化电机
  motor1.init();
  motor2.init();
  motor3.init();
  // 设置电机运行模式
  motor1.setMode(FOC_TORQUE);
  motor2.setMode(FOC_TORQUE);
  motor3.setMode(FOC_TORQUE);
}

void loop() {
  // 获取目标力矩
  // ... (例如从串口或其他传感器获取)

  // 设置电机目标力矩
  motor1.setTargetTorque(target_torque1);
  motor2.setTargetTorque(target_torque2);
  motor3.setTargetTorque(target_torque3);

  // 控制电机运行
  motor1.run();
  motor2.run();
  motor3.run();

  // 延迟
  delay(10);
}

要点解读：
代码首先定义了电机引脚、电机对象、目标力矩等变量。
setup() 函数初始化电机，设置电机运行模式为力矩控制模式。
loop() 函数获取目标力矩，设置电机目标力矩，控制电机运行，并进行循环。
该案例使用力矩控制模式，通过设置电机目标力矩控制关节运动。
需要根据实际情况获取目标力矩，例如从串口、传感器等获取。

注意，以上案例只是为了拓展思路，仅供参考。它们可能有错误、不适用或者无法编译。您的硬件平台、使用场景和Arduino版本可能影响使用方法的选择。实际编程时，您要根据自己的硬件配置、使用场景和具体需求进行调整，并多次实际测试。您还要正确连接硬件，了解所用传感器和设备的规范和特性。涉及硬件操作的代码，您要在使用前确认引脚和电平等参数的正确性和安全性。

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标签：target,电机,void,Arduino,motor1,FTC,FOC
From： https://blog.csdn.net/weixin_41659040/article/details/141376330

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