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『SimpleFOC』低成本无刷驱电一体伺服电机

lgn查看全部>> 2021-05-12

人气5837

说明：本项目开源，资料下载连接放在文章相应位置，大家如果需要可以自取。另，本人淘宝小店有成品出售，欢迎大家购买（点击下面图片或用淘宝APP扫码可直达）。

驱电一体无刷伺服电机系列

产品说明

在21年5月中旬推出这款低成本驱电一体无刷伺服电机以来，在没有任何主动推广的情况下，受到了不少人的关注，针对反馈回来的信息，我们决定将这个产品拓展成一个系列，以满足不同场景的需求。目前，这个系列包含三款不同的主控，分别是Atmel328p-au、国产克隆芯片lgt8f328p和STM32f103c8t6，分别对应型号SFOC-Atmel328、SFOC-lgt328和SFOC-STM32F103，其中SFOC-Atmel328和SFOC-lgt328有pwm版本和485版本，SFOC-STM32F103只有pwm版本。

需要说明的是，在开发了Atmel328版本的驱动板之后，我们还花精力做了lgt328的版本，除了价格便宜之外，更重要的原因是lgt328是国产芯片。

一体驱动安装尺寸

PCB板上一共有6个安装孔，PCB直径31mm，最窄距离29mm，能够适配我自己手上的两款2804的无刷云台电机，不能适配的电机则需要通过修改3D打印支撑来转接。

整个系列的PCB外形和安装孔位相同，具体尺寸如上图所示。搭载的电机为2804无刷云台电机，这种电机常常用于摄像机云台，不过负载较小大概100g左右，主要是用于Gopro这种小型运动相机。由于力矩较小应用场景比较受限，我们正在开发扭矩更大更实用的驱动器（包含减速器），感兴趣的可以加微信：lgn_life（请注明来意，否则不予通过）。

目前，驱电一体化系列产品如下表所示（不定期更新）：

丝印代号（暂定）	MCU	PWM	485	编码器	备注
SFOC-atmel328	atmel328p au	有	有	as5600	485/pwm为二选一功能，不同时存在
SFOC-lgt328	lgt8f328	有	有	as5600	485/pwm为二选一功能，不同时存在
SFOC-stm32	Stm32F03c8t6	有	无	as5600	/

更新日志

最近更新时间：2021年08月10日

开发计划

[ ]
[ ] 驱电一体无刷伺服电机，带行星减速器，扁平式，机械狗用
[ ] 无刷伺服电机，带行星减速器，扁平式，机械狗用
[ ] 驱电一体无刷伺服电机，带行星减速器，桌面机械手臂用
[ ] 驱电一体无刷伺服电机，Stm32+drv8313+as5600
[x] 驱电一体无刷伺服电机，atmle328+drv8313+as5600
[x] 驱电一体无刷伺服电机，lgt328+drv8313+as5600

SFOC-Atmel328

SFOC-Atmel328方案说明

注意：图片仅为示意，各版本接线请以PCB上丝印为准，无保护电路，接错必烧。

sfoc-atmel328-485

主控芯片：Atmel328p-au

电机驱动芯片：drv8313

编码器：AS5600

电机型号：2804（如无特殊说明）

电机极对数：7（如无特殊说明）

PWM及ENABLE针脚：

信号	对应针脚
PWM A	9
PWM B	5
PWM C	6
Enable	7

SFOC-Atmel328 是以Atmel的328p-au芯片作为主控芯片，这款芯片也是Arduino UNO、Nano 和mini的主控芯片，使用非常广泛。

为了将执行器做得尽可能的紧凑，最理想的解决方案就是做一块一体化驱动板，刚好B站UP【光树秫秫】开源了一款迷你SimpleFOC驱动板，主要的元器件包含一颗Atmel328p芯片，一颗Drv8313无刷电机驱动芯片，以及一颗AS5600磁编码器。借鉴这位UP的开源方案，我设计了自己的一体化驱动板，相比于原版稍微放大了一点尺寸，主要适配2804系列的无刷云台电机，为了降低成本将4层板的方案改成了2层板。

一体驱动安装接线方式

单片机的ISP接口、串口都分别用6Pin和4Pin的SH1.0端子单独接来，方便调试，电源输入口兼容2.54的排针，或者同样使用4Pin的SH1.0端子，根据版本不同4Pin的端子包含一个5V输出和PWM信号输入或485A、B端口，图上为pwm版本的驱动器。无刷电机的UVW和驱动板的UVW可以随便连接。

SFOC开发环境配置

如果以前没有使用过SimpleFOC，需要配置一下开发环境（这里默认你的电脑已经安装了Arduino IDE，如果你需要使用lgt328，建议安装1.8.10版本，最新的版本对lgt328支持不好），如下图所示，依次点击”项目=>加载库=>管理库“打开库管理器，在库管理器中搜索Simple FOC，点击安装即可。

SFC配置说明

SFOC-Atmel328 Bootloader 烧写

我们出售的Simple FOC NANO驱动器一般烧写的是Arduino UNO的Bootloader。如果你是自己开发，或者需要刷写Arduino nano 的Bootloader也非常简单，首先是将Arduino UNO（这里以UNO为例）制作成一个刷写器，步骤为：

1）将作为烧写器的Arduino UNO板通过USB线连接到电脑，打开Arduino IDE 。

2）选择并设置好开发板型号、处理器及COM口。（注意要选择的型号为作为烧写器的Arduino 型号）。

3）在工具栏选择->文件->示例->11.Arduino ISP->ArduinoISP，打开ArduinoISP程序，编译（验证）、上传到开发板中。

刷写Bootloader 时的线路连接如下图所示：

一体驱动isp下载

Bootloader 刷写的步骤为：

1）在在工具栏选择->工具->开发板型号，选择待烧写的Arduino型号。

2）在工具->编译器中，选择Arduino as ISP。

3）点击工具->烧录引导程序，等待下方提示烧录成功。

下载程序到SFOC-Atmel328

由于PCB的空间有限，没有办法在上面加装串口芯片，程序下载就需要用到usb转串口的模块，一般主控芯片是Ch340系列模块也就几块钱。下载时驱动板的TX连接下载器的RX，驱动板的RX连接下载器TX。

一体驱动txrx下载

在Arduino IDE中选择芯片对应的开发板和端口，需要注意的是开发板可以是UNO也可以是NANO，这取决于你刷的Bootloader版本，无论是UNO还是NANO，SimpleFOC都是可以正常使用的。接下来就是需要考验手速的环节，点击下载后，在编译完成转为上传的时候，马上按下驱动板上的复位按键，如果一切正常，稍等片刻程序就下载成功了。这里新手可能需要多试几次。

Tips：使用串口下载时编程器一般是AVRISP mkII。

一体化驱动PWM程序下载说明

示例程序

完整的程序可在附件中下载。

Atmel328PB-主控芯片

注意：图片仅为示意，各版本接线请以PCB上丝印为准，无保护电路，接错必烧。

产品代号：SFOC Nano AB28

主控芯片：Atmel328PB-au

电机驱动芯片：drv8313/ms8313

编码器：AS5600

电机型号：2804/4108

电机极对数：7/11

PWM及ENABLE针脚：

信号	针脚
PWM A	9
PWM B	5
PWM C	6
Enable	7

Atmel328PB 开发板库安装

Atmel328PB相比Atmel328P来讲接口资源更丰富一点，但本项目并没有用上，在目前芯片短缺的情况下供货也充足一些，所以，328PB的方案主要是作为Atmel328P在断货或者价格起飞时可以替换。但是由于Arduino UNO的Bootloader并不适用于328PB，所以需要为328PB安装一个支持库。

1、如下图所示，通过工具-开发板-打开开发板管理器；

2、在开发板管理器中搜索minicore，选择最新的版本安装即可，可以看到MiniCore时支持328整个系列的芯片。

3、在下载程序或者刷写Bootloader的时候就可以选择MiniCore下的ATmega328，并在Variant下选择328PB，同时还需要选择正确的时钟频率，其他操作就和前面Arduino UNO一样了。

Atmel328PB Bootloader 烧写

1）将作为烧写器的Arduino UNO板通过USB线连接到电脑，打开Arduino IDE 。

2）选择并设置好开发板型号、处理器及COM口。（注意要选择的型号为作为烧写器的Arduino 型号）。

3）在工具栏选择->文件->示例->11.Arduino ISP->ArduinoISP，打开ArduinoISP程序，编译（验证）、上传到开发板中。

刷写Bootloader 时的线路连接如下图所示：

一体驱动isp下载

Bootloader 刷写的步骤为：

1）在在工具栏选择->工具->开发板型号，选择待烧写的Arduino型号。

2）在工具->编译器中，选择Arduino as ISP。

3）点击工具->烧录引导程序，等待下方提示烧录成功。

下载程序到SFOC-Atmel328PB

一体驱动txrx下载

Tips：使用串口下载时编程器一般是AVRISP mkII。

开环速度示例

开环测试的目的式检查MCU和驱动芯片是否正常工作，下面的代码是在SFOC库的示例基础上修改的，已经预设了初始速度，硬件参数也是按配套的电机设置好。如果不是驱动配套的电机，请自行确定电机极对数，并作出相应修改。

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// Open loop motor control example
// 电机开环控制示例

#include <SimpleFOC.h>

// BLDC motor & driver instance
// 无刷电机驱动实例
// BLDCMotor motor = BLDCMotor(pole pair number);
// 设置无刷电机的极对数
//BLDCMotor motor = BLDCMotor(11);//
BLDCMotor motor = BLDCMotor(7);
// 配置驱动板
// BLDCDriver3PWM driver = BLDCDriver3PWM(pwmA, pwmB, pwmC, Enable(optional));
BLDCDriver3PWM driver = BLDCDriver3PWM(9, 5, 6, 7);

//target variable
// 设置初始速度为10，通电后电机开始转动
float target_velocity = 15;

// instantiate the commander
Commander command = Commander(Serial);
void doTarget(char* cmd) { command.scalar(&target_velocity, cmd); }

void setup() {

  // driver config
  // 驱动器设置
  // power supply voltage [V]
  // 供电电压
  driver.voltage_power_supply = 12;
  // 驱动器初始化
  driver.init();
  // link the motor and the driver
  //链接电机和驱动器
  motor.linkDriver(&driver);

  // limiting motor movements
  // 限制电机
  motor.voltage_limit = 3;   // [V]
  motor.velocity_limit = 5; // [rad/s] cca 50rpm

  // open loop control config
  // 开环控制设置
  motor.controller = MotionControlType::velocity_openloop;

  // init motor hardware
  // 电机初始化
  motor.init();

  // add target command T
  // 增加目标命令 T
  command.add('T', doTarget, "target velocity");

  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Motor ready!");
  Serial.println("Set target velocity [rad/s]");
  _delay(1000);
}

void loop() {

  // open loop velocity movement
  // 开环速度
  // using motor.voltage_limit and motor.velocity_limit
  motor.move(target_velocity);

  // user communication
  // 用户通信
  command.run();
}

开环位置示例

等待更新ing。。。

编码器示例

等待更新ing。。。

闭环速度示例

等待更新ing。。。

闭环位置示例

等待更新ing。。。

PWM 控制示例

等待更新ing。。。

485 控制示例

等待更新ing。。。

PID调试示例

等待更新ing。。。

资料下载：

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SFOC-lgt328

SFOC-lgt328方案说明

注意：图片仅为示意，各版本接线请以PCB上丝印为准，无保护电路，接错必烧。

SFOC-lgt328

主控芯片：lgt8f328

电机驱动芯片：drv8313

编码器：AS5600

电机型号：2804（如无特殊说明）

电机极对数：7（如无特殊说明）

PWM及ENABLE针脚：

信号	针脚
PWM A	9
PWM B	5
PWM C	6
Enable	7

SFOC开发环境配置

lgt328是Atmel328的克隆芯片，需要配置一下才能使用Arduino IDE进行下载程序。配置比较简单，只需要两步，第一步：在首选项中找到项目文件夹位置，这里因为我是使用的便携版IDE，所有是自定义的位置，如果你是直接安装的建议使用默认位置，以防修改后其他库报错。

TIPs：这里我勾选了上传时显示详细输出，可以看到在上传过程中的进程和报错。

第二步，将Larduino_HSP解压后，将里面的hardware、libraries、和sketches复制到上面的项目文件，重启Arduino IDE，这就完成了LGT开发环境的配置。相关文件本节末尾可以下载。

配置成功后，重启打开Ardino IDE会增加LGT单片机的选项，如下图所示：

lgt328/lgt8f328 Bootloader 烧录

制作一个LGTISP（Xloader和LGTISP.hex本节末尾可以下载）：

Arduino 开发板一块，UNO 或者 Nano 都可以，这里我以UNO 为例
打开Xloader将LGTISP.hex 文件下载到UNO中

Bootloader烧录具体步骤为：

将lgt328的swd、swc、VCC、GND分别连接到UNO的D12、D13、5V、GND

开发板选择LGT8F328P-LQFP32 MiniEVB，端口更加实际情况选择，编程器选择AVR ISP
点击烧录引导程序，稍等片刻，如果一切正常，则会提示引导程序烧录成功

下载程序到SFOC-lgt328

使用串口下载

注意：有时候下载会报错，会导致下载失败，建议使用SWD的方式下载。

具体下载方式同Atmel328类似，确保下图红框里面的选项正确配置，点击编译上传即可。

使用SWC/SWD下载

使用SWC/SWD下载不仅可以烧录bootloader也可以下载程序，只需两步即可完成：第一步：选择正确的开发板和端口，编程器选择为AVR ISP。

第二步，在项目菜单下选择使用编程器上传，稍等片刻，程序就烧录进去了（与串口不同的是不需要在编译完成后按复位键）。

SFOC-lgt328示例程序

SFOC-lgt328与SFOC-Atmel328完全兼容，示例程序请参见前面SFOC-Atmel328示例程序部分。

SFOC-lgt328资料下载

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SFOC-STM32-F103

SFOC-STM32-F103方案说明

主控芯片：STM32F103c8t6

电机驱动芯片：drv8313

编码器：AS5600

电机型号：2804（如无特殊说明）

电机极对数：7（如无特殊说明）

PWM及ENABLE针脚：

信号	可针脚
PWM A	PA6
PWM B	PA7
PWM C	PB0
Enable	PA11

STM32Duino开发环境配置

只需两步就可完成配置：

第一步，文件菜单下的首选项中，添加附加开发板管理器网址，如果有多个，可以点开箭头所指的图标进入编辑器，可以回车换行，一行放一个网址，将下面的网址复制粘贴到编辑器里。

https://github.com/stm32duino/BoardManagerFiles/raw/master/STM32/package_stm_index.json

第二步，在开发板管理器中搜索stm32，安装支持库。

第三步，安装STM32CubeProgrammer，你可以去官网下载，或者你可以使用本小节末尾的网盘链接下载，目前的版本是2.8.0。安装过程非常简单，这里就不作演示，最好默认安装，以免出现不可预知的错误。只有这个软件正常安装后，才能在Arduino IDE中使用STM32CubeProgrammer的方法下载程序。