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[嵌入式]SimpleFOCStudio安装使用说明及PID调试

说明

??1、PID调试时需要反复的更改参数，如果每次都要下载代码非常繁琐，使用SimpleFOCStudio，参数通过串口下载非常方便高效，电机运动效果通过图形化的方式展现出来，非常直观，很容易找到PID参数的设置规律，所以建议大家通过这个软件调试PID。
??2、SimpleFOCStudio是一个“纯软件”的上位机软件，能读到这篇文章的大部分都是玩电机的偏硬件的同学，这对大家来说有一定难度，软件硬件的技术其实是非常类似的，它们的差别主要是思维方式的差别，所以先明白我们要安装的是什么这点很重要。
??3、SimpleFOCStudio的运行需要电机驱动器的配合，提供通信协议对接，还要有一定的电机控制技术为前提，所以一个专业的软件工程师虽然能安装这个软件，但并不能很好的操控这个软件。
??4、SimpleFOC做为开源项目，是一个专业的团队在运营。如果你自己实在装不好这个软件（这很正常），找同学或者朋友帮忙，学习工作中要有团队精神，学会合作！
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一、SimpleFOCStudio安装

1.1、安装的是什么

按照官方说法大概分以下几步：

1、安装python，（官方让安装 anaconda，这是个坑，不要踩）
2、下载simplefocstudio源码，
3、pip install -r “requirements.txt” ,
4、python simpleFOCStudio.py 。

为什么要这么安装，我来一一解释：

1、SimpleFOCStudio是用python代码写的，所以需要先安装它的运行环境，这就好比是你要写STM32的代码要先安装keil一样。
2、下载软件源码，这个不解释。
3、在下载的源码中找到 requirements.txt 这个文件，打开可以看到

requirements.txt 文件中只有这四行，代表了四个插件，所以 pip install -r “requirements.txt” 这句话本质上是要安装这四个插件，这些插件做为开源项目，版本不停迭代更新，就目前（20220123）这些都有更新的版本，如果直接 pip install -r “requirements.txt” ，很可能会因为找不到这些老旧的版本而卡住，所以直接安装最新版本就可以。稍微解释下这个四个插件的用途，
- PyQt5是图形界面，SimpleFOCStudio的界面运行在这个插件上，没有它界面打不开；
- pyqtgraph是画图的，电机运动的波形绘制需要这个插件；
- pyserial是负责串口的插件，软硬件的通信是通过串口实现的；
- numpy是负责计算的插件，类似keil中的math.h头文件。
上面的三步做完以后，也就安装好了编译环境和插件，python simpleFOCStudio.py 运行软件。
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1.2、安装python

1.2.1、python官网下载：www.python.org 在这里插入图片描述
1.2.2、下载后安装

1.2.3、等待安装完毕

1.2.4、验证是否安装成功
按 WIN+R 组合键（WIN键就是左下角的第二个键），电脑左下角弹出小窗口，输入“cmd”

1.2.5、在弹出的黑窗口中输入“python”，回车；有如下输出表示安装成功（版本不同输出略有不同），
在这里插入图片描述
输入 exit() 并回车，退出交互模式；或者直接关闭黑窗口。
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1.3、下载simplefocstudio

1.3.1、github下载网址：https://github.com/JorgeMaker/SimpleFOCStudio/tree/main，国外网站时好时坏，多点几次。
在这里插入图片描述
1.3.2、下载的代码放到不含中文的路径中，方便稍后的操作

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1.4、安装插件

按照官方的说法 pip install -r “requirements.txt” ，你可以试下，如果一切顺利那再好不过。但是这条指令的输入需要先选择 requirements.txt 这个文件所在的路径，方法看下面的1.5；
本人操作时候卡住了，所以一个个安装比较可靠，方法如下：
1.4.1、WIN+R组合键调出小窗口，输入“cmd”
在这里插入图片描述
1.4.2、在弹出的黑窗口分别输入以下指令，每次输入一个，等待安装完毕后再输入下一个，其中安装pyqtgraph时顺便安装了numpy，所以四个插件只需输入三次指令。有些插件的安装可能会卡顿迟缓，请耐心等待。
在这里插入图片描述
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1.5、运行SimpleFOCStudio

1.5.1、WIN+R组合键调出小窗口，输入“cmd”，在黑窗口中输入 SimpleFOCStudio 文件下载的路径，输入运行指令：python simpleFOCStudio.py，
在这里插入图片描述
1.5.2、运行指令后软件打开

1.5.3、选择 Tree View

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二、硬件代码

2.1、添加通信函数

要和SimpleFOCStudio上位机通信，主要是把通信的函数加入到simpleFOC的代码中，通信的函数是

void onMotor(char* cmd){ command.motor(&motor, cmd); }    //定义函数
command.add('M',onMotor,"my motor");    //setup中加入这个函数
motor.monitor();    //loop中加入这个函数，使用simpleFOC Studio上位机设置的时候，这句一定要打开。会影响程序执行速度

只需要增加这三句代码就可以实现和SimpleFOCStudio的通信，函数名字可能略有不同，但函数形式一样。
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2.2、通信函数源码和路径

在simpleFOC库中的路径如下，有兴趣可以研究下（下图所用编辑器为sublime），
在这里插入图片描述
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2.3、Arduino UNO示例

网上能找到的SimpleFOCStudio安装教程，一般用的是Arduino UNO，

#include <SimpleFOC.h>

// magnetic sensor instance - SPI
//MagneticSensorSPI sensor = MagneticSensorSPI(AS5147_SPI, 10);   //SPI编码器，AS5047，AS5048A是一样的
MagneticSensorI2C sensor = MagneticSensorI2C(AS5600_I2C);
// BLDC motor & driver instance
BLDCMotor motor = BLDCMotor(7);     // 电机极对数
BLDCDriver3PWM driver = BLDCDriver3PWM(9, 5, 6, 8);     // 电机ABC相PWM引脚，使能引脚


float target_velocity = 0;      // 初始目标角度为0
Commander command = Commander(Serial);    
void doTarget(char* cmd) { command.scalar(&target_velocity, cmd); }    // 串口控制指令：目标值
void onMotor(char* cmd){ command.motor(&motor,cmd); }      // 串口控制指令：电机


void setup() {
  // 编码器设置
  sensor.init();
  motor.linkSensor(&sensor);

  // 驱动设置
  driver.voltage_power_supply = 12;
  driver.init();
  motor.linkDriver(&driver);

  // 选择调制方式为SVPWM
  motor.foc_modulation = FOCModulationType::SpaceVectorPWM;
  // 控制模式为角度模式
  motor.controller = MotionControlType::velocity;
  
  // PID参数
  motor.PID_velocity.P = 0.3;
  motor.PID_velocity.I = 10;
  motor.PID_velocity.D = 0;
  
  //其他参数
  motor.voltage_limit = 6;    //最大电压
  motor.velocity_limit = 20;   //最大速度，rad/s
  motor.LPF_velocity.Tf = 0.01;  //速度的滤波时间常数

  // 串口设置
  Serial.begin(115200);
  motor.useMonitoring(Serial);  //使用串口监视器
  //初始化
  motor.init();
  motor.initFOC();

  // 添加串口命令
  command.add('T', doTarget, "target angle");
  command.add('M',onMotor,"my motor"); 
  
  Serial.println(F("Motor ready."));
  _delay(1000);
}

void loop() {  
  // main FOC algorithm function
  // the faster you run this function the better
  // Arduino UNO loop  ~1kHz
  // Bluepill loop ~10kHz 
  motor.loopFOC();

  // Motion control function
  // velocity, position or voltage (defined in motor.controller)
  // this function can be run at much lower frequency than loopFOC() function
  // You can also use motor.move() and set the motor.target in the code
  motor.move(target_velocity);

  // function intended to be used with serial plotter to monitor motor variables
  // significantly slowing the execution down!!!!
  motor.monitor();    //使用simpleFOC Studio上位机设置的时候，这句一定要打开。但是会影响程序执行速度
  
  // user communication
  command.run();
}

2.4、ESP32示例

UNO的速度比较慢，所以本人用ESP32的示例，具体可以到对应教程中查看。
在这里插入图片描述
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三、软硬件联调

3.1、硬件连接

在这里插入图片描述
电机购买链接：某宝购买
ESP32drive 购买链接：某宝购买
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3.2、打开SimpleFOCStudio并配置

在这里插入图片描述
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3.3、点击Connect

在这里插入图片描述
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3.4、点击Start

上传周期可修改为稍大一点，数据上传太频繁影响电机运行效果，
在这里插入图片描述
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四、PID调参

不同电机，不同驱动板的PID参数是不一样的，PID参数完全是一个经验值，需要反复的实验验证，找到最优值，本节只讲下大概的方法，仅供参考。
新手调参推荐用云台电机，电机内阻大，不容易烧坏；
先调试电流环的PI参数，再调试速度环的PI参数，最后再调试位置环的PI参数；
如果用电压模式，可以直接调试速度环的PI参数；
设置I=0，调试P，待P参数差不多时再添加I参数，参数从小向大逐渐增加；
P太大会过冲，P太小会不足，达不到设定值；
I参数实在调不了就设置为0，只有P参数电机也能转；

通过软件多次修改参数后，电机运行似乎不准，可以重启下单片机。
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（完）
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