HomeMadeGarbage Advent Calendar 2022 ｜14日目

前回は “50日後にセンサレスベクトル制御してみたい俺” の時に実施したESP32を用いたブラシレスモータのセンサありベクトル制御について報告しました。

ESP32でベクトル制御　ーブラシレスモータ駆動への道9ー

ここではクローズドループ正弦波駆動に再挑戦しましたので報告します。

ドライバ修理

“50日後にセンサレスベクトル制御してみたい俺” の際にドライバを破壊してしまいましたのでまずは修理しました。

50日後にセンサレスベクトル制御してみたい俺
50日目 #ブラシレスモータ駆動への道 #50daysBLDC pic.twitter.com/hiyPNSRY4r

— HomeMadeGarbage (@H0meMadeGarbage) December 5, 2022

やはりプリドライバが壊れており、部品交換で無事に治りました。

治った
ビール飲んでも1608ならまだ余裕
でも最近目に入ってくる光の量が少なくなった気がする。。 pic.twitter.com/hv35nZBSse

— HomeMadeGarbage (@H0meMadeGarbage) December 7, 2022

クローズドループ正弦波駆動

磁気エンコーダによってモータの回転位置を検知するクローズドループ正弦波駆動には以前挑戦しておりました。
しかしエンコーダによる回転位置を直接フィードバックしての回転がどうしてもうまくいかず若干変則的な方法で回転を実現させました。

クローズドループ正弦波駆動その2　ーブラシレスモータ駆動への道6ー

エンコーダ検知遅延

“50日後にセンサレスベクトル制御してみたい俺” の際に磁気エンコーダの値検知動作に50msecのディレイがあることに気づきました。

以前うまくいかなかったのはこのディレイのせいである可能性が高いので、今回はこの遅延をなくして実験を進めます。

構成

構成は以前と同様です。
ここでは可変抵抗は使用せず、BlynkレガシーアプリでBLEを介してスマホで変数調整しました。

ESP32 評価基板

ＥＳＰ−ＷＲＯＯＭ−３２Ｄ開発ボード: 無線、高周波関連商品秋月電子通商-電子部品・ネット通販
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プリドライバIC IR2302

ハーフブリッジドライバ　ＩＲ２３０２ＳＴＲＰＢＦ: 半導体(モジュール) 秋月電子通商-電子部品・ネット通販
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NMOS 2SK4017

ＮｃｈパワーＭＯＳＦＥＴ　６０Ｖ５Ａ　２ＳＫ４０１７（Ｑ）: 半導体(モジュール) 秋月電子通商-電子部品・ネット通販
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ブートストラップ用ダイオード 1N4148W

高速スイッチング・ダイオード　１Ｎ４１４８Ｗ　（４０個入）: 半導体(モジュール) 秋月電子通商-電子部品・ネット通販
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ブラシレスモータ
磁気エンコーダ AS5048

AS5048A搭載磁気エンコーダモジュール - スイッチサイエンス
スイッチサイエンス

システム概要

磁気エンコーダでロータの回転位置と回転速度を検知して、指定の回転速度との差分で正弦波電圧値をPI制御で算出します。
また正弦波の位相は検知したロータ位置を電気角にして使用します。

Arduinoコード

#define BLYNK_PRINT Serial
#define BLYNK_USE_DIRECT_CONNECT

#include <BlynkSimpleEsp32_BLE.h>
#include <BLEDevice.h>
#include <BLEServer.h>

#include <AS5048A.h>


char auth[] = "トークン";

AS5048A angleSensor(SS, false);

#define ampPin 39

#define uHin 25
#define vHin 26
#define wHin 27

int uPWMCH = 0;
int vPWMCH = 1;
int wPWMCH = 2;

float twoPI = 2.0 * PI;
float onePI = PI;

float Vu, Vv, Vw, Vmin, Vmax, Vzero;
int amp = 100;
float Vdd = 7.4; //電源電圧[V]

unsigned long oldTime = 0, nowTime, loopTime;
unsigned long measTime = 0;
float rotSpeed;

int State = 0;
uint16_t rotData, rotDataIni;
int rotDataCal, rotDataCalOld, rotDiff;

int BottunState = 0;
float u, v, w;
float uOffset = 0, vOffset = 0;


int IniOK = 0;

float Kpr = 5.0, Kir = 0.5;
float diffPr, diffIr = 0.0;
float rotSpeedTarget = 80; //指定回転速度[rad/s]
 
float Div = 1024.0;

float theta = 0.0;

//Core0
void rotPosition(void *pvParameters) {
  for (;;){
    Blynk.run();
    
    rotData = angleSensor.getRawRotation() >> 4;
 
    if(IniOK == 1){
      delay(200);
      rotDataIni = rotData;
      IniOK = 2;
    }

    if(IniOK == 2){
      nowTime = micros();
    
      rotDataCal = int(rotData - rotDataIni);
      if(rotDataCal < 0) rotDataCal += Div;

      if(BottunState){
        rotDiff = rotDataCalOld - rotDataCal;
      }else{
        rotDiff = rotDataCal - rotDataCalOld;
      }
      
      if(rotDiff < 0){
        rotDiff += Div;
      }

      if(rotDiff > 10){
        rotDataCalOld = rotDataCal;
        loopTime = nowTime - oldTime;
        oldTime = nowTime;
        rotSpeed = rotDiff / Div * twoPI / (loopTime / 1000000.0); //[rad/s]
        rotSpeed = constrain(rotSpeed, 0, 200);
      }

      diffPr = rotSpeedTarget - rotSpeed;
      diffIr += diffPr;
      amp = Kpr / 185.0 * diffPr + Kir / 185.0 * diffIr;
      amp = constrain(amp, 0, 511);


      if(nowTime - measTime > 50000){
        Serial.print(rotSpeedTarget);
        Serial.print(", ");
        Serial.print(rotSpeed);
        
        Serial.println("");
        measTime = nowTime;
      }
    }

    disableCore0WDT();
  }
}



//ヴァーチャルピンデータ受信
BLYNK_WRITE(V0) {
  BottunState = param.asInt();
}

BLYNK_WRITE(V7) {
  amp = param.asInt();
}

BLYNK_WRITE(V9) {
  Kpr = param.asFloat();
}

BLYNK_WRITE(V10) {
  Kir = param.asFloat();
}

BLYNK_WRITE(V3) {
  rotSpeedTarget = param.asFloat();
}

BLYNK_WRITE(V5) {
  diffIr = 0;
  IniOK = 0;
}


void setup() {
  Serial.begin(2000000);
  angleSensor.begin();

  Blynk.setDeviceName("motor");
  Blynk.begin(auth);

  ledcSetup(uPWMCH, 20000, 10);
  ledcAttachPin(uHin, uPWMCH);
  ledcWrite(uPWMCH, 0);
  ledcSetup(vPWMCH, 20000, 10);
  ledcAttachPin(vHin, vPWMCH);
  ledcWrite(vPWMCH, 0);
  ledcSetup(wPWMCH, 20000, 10);
  ledcAttachPin(wHin, wPWMCH);
  ledcWrite(wPWMCH, 0);


  //回転位置検出 タスク
  xTaskCreatePinnedToCore(
    rotPosition
    ,  "rotPosition"   // A name just for humans
    ,  4096  // This stack size can be checked & adjusted by reading the Stack Highwater
    ,  NULL
    ,  3  // Priority, with 3 (configMAX_PRIORITIES - 1) being the highest, and 0 being the lowest.
    ,  NULL 
    ,  0);
}

void loop() {
  //初期回転
  if(IniOK == 0){
    for(int i = 0; i < 512; i++){
      u = i;
      if(BottunState){
        v = i + 512.0 * 2.0 / 3.0; 
        w  = i + 512.0 / 3.0; 
      }else{
        w = i + 512.0 * 2.0 / 3.0; 
        v  = i + 512.0 / 3.0;
      }
        
    
      if(u >= 512) u -= 512;
      if(v >= 512) v -= 512;
      if(w >= 512) w -= 512;
        
      Vu = 250 *(1.0 + sin(twoPI / (512.0 / 7.0) * u)) / 2.0;
      Vv = 250 *(1.0 + sin(twoPI / (512.0 / 7.0) * v)) / 2.0;
      Vw = 250 *(1.0 + sin(twoPI / (512.0 / 7.0) * w)) / 2.0;
        
      ledcWrite(uPWMCH, int(Vu));
      ledcWrite(vPWMCH, int(Vv));
      ledcWrite(wPWMCH, int(Vw));
      delayMicroseconds(2000);
    }
  
    IniOK = 1;
  }
  
  if(IniOK == 2){
    //ロータ位置 (電気角) [rad]
    theta = rotDataCal / Div * 7.0 * twoPI;
    
    if(BottunState){
      Vu = amp *(1.0 - cos(theta));
      Vv = amp *(1.0 - cos(theta + twoPI / 3.0));
      Vw = amp *(1.0 - cos(theta + 2.0 * twoPI / 3.0));
    }else{
      Vu = amp *(1.0 + cos(theta));
      Vv = amp *(1.0 + cos(theta + twoPI / 3.0));
      Vw = amp *(1.0 + cos(theta + 2.0 * twoPI / 3.0));
    }
    
    //PWM出力
    ledcWrite(uPWMCH, int(Vu));
    ledcWrite(vPWMCH, int(Vv));
    ledcWrite(wPWMCH, int(Vw));
  }
}

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#define BLYNK_PRINT Serial

#define BLYNK_USE_DIRECT_CONNECT

#include <BlynkSimpleEsp32_BLE.h>

#include <BLEDevice.h>

#include <BLEServer.h>

#include <AS5048A.h>

char auth[] = "トークン";

AS5048A angleSensor(SS, false);

#define ampPin 39

#define uHin 25

#define vHin 26

#define wHin 27

int uPWMCH = 0;

int vPWMCH = 1;

int wPWMCH = 2;

float twoPI = 2.0 * PI;

float onePI = PI;

float Vu, Vv, Vw, Vmin, Vmax, Vzero;

int amp = 100;

float Vdd = 7.4; //電源電圧[V]

unsigned long oldTime = 0, nowTime, loopTime;

unsigned long measTime = 0;

float rotSpeed;

int State = 0;

uint16_t rotData, rotDataIni;

int rotDataCal, rotDataCalOld, rotDiff;

int BottunState = 0;

float u, v, w;

float uOffset = 0, vOffset = 0;

int IniOK = 0;

float Kpr = 5.0, Kir = 0.5;

float diffPr, diffIr = 0.0;

float rotSpeedTarget = 80; //指定回転速度[rad/s]

float Div = 1024.0;

float theta = 0.0;

//Core0

void rotPosition(void *pvParameters) {

for (;;){

Blynk.run();

rotData = angleSensor.getRawRotation() >> 4;

if(IniOK == 1){

delay(200);

rotDataIni = rotData;

IniOK = 2;

}

if(IniOK == 2){

nowTime = micros();

rotDataCal = int(rotData - rotDataIni);

if(rotDataCal < 0) rotDataCal += Div;

if(BottunState){

rotDiff = rotDataCalOld - rotDataCal;

}else{

rotDiff = rotDataCal - rotDataCalOld;

}

if(rotDiff < 0){

rotDiff += Div;

}

if(rotDiff > 10){

rotDataCalOld = rotDataCal;

loopTime = nowTime - oldTime;

oldTime = nowTime;

rotSpeed = rotDiff / Div * twoPI / (loopTime / 1000000.0); //[rad/s]

rotSpeed = constrain(rotSpeed, 0, 200);

}

diffPr = rotSpeedTarget - rotSpeed;

diffIr += diffPr;

amp = Kpr / 185.0 * diffPr + Kir / 185.0 * diffIr;

amp = constrain(amp, 0, 511);

if(nowTime - measTime > 50000){

Serial.print(rotSpeedTarget);

Serial.print(", ");

Serial.print(rotSpeed);

Serial.println("");

measTime = nowTime;

}

disableCore0WDT();

}

//ヴァーチャルピンデータ受信

BLYNK_WRITE(V0) {

BottunState = param.asInt();

}

BLYNK_WRITE(V7) {

amp = param.asInt();

}

BLYNK_WRITE(V9) {

Kpr = param.asFloat();

}

BLYNK_WRITE(V10) {

Kir = param.asFloat();

}

BLYNK_WRITE(V3) {

rotSpeedTarget = param.asFloat();

}

BLYNK_WRITE(V5) {

diffIr = 0;

IniOK = 0;

}

void setup() {

Serial.begin(2000000);

angleSensor.begin();

Blynk.setDeviceName("motor");

Blynk.begin(auth);

ledcSetup(uPWMCH, 20000, 10);

ledcAttachPin(uHin, uPWMCH);

ledcWrite(uPWMCH, 0);

ledcSetup(vPWMCH, 20000, 10);

ledcAttachPin(vHin, vPWMCH);

ledcWrite(vPWMCH, 0);

ledcSetup(wPWMCH, 20000, 10);

ledcAttachPin(wHin, wPWMCH);

ledcWrite(wPWMCH, 0);

//回転位置検出タスク

xTaskCreatePinnedToCore(

rotPosition

, "rotPosition" // A name just for humans

, 4096 // This stack size can be checked & adjusted by reading the Stack Highwater

, NULL

, 3 // Priority, with 3 (configMAX_PRIORITIES - 1) being the highest, and 0 being the lowest.

, NULL

, 0);

}

void loop() {

//初期回転

if(IniOK == 0){

for(int i = 0; i < 512; i++){

u = i;

if(BottunState){

v = i + 512.0 * 2.0 / 3.0;

w = i + 512.0 / 3.0;

}else{

w = i + 512.0 * 2.0 / 3.0;

v = i + 512.0 / 3.0;

}

if(u >= 512) u -= 512;

if(v >= 512) v -= 512;

if(w >= 512) w -= 512;

Vu = 250 *(1.0 + sin(twoPI / (512.0 / 7.0) * u)) / 2.0;

Vv = 250 *(1.0 + sin(twoPI / (512.0 / 7.0) * v)) / 2.0;

Vw = 250 *(1.0 + sin(twoPI / (512.0 / 7.0) * w)) / 2.0;

ledcWrite(uPWMCH, int(Vu));

ledcWrite(vPWMCH, int(Vv));

ledcWrite(wPWMCH, int(Vw));

delayMicroseconds(2000);

}

IniOK = 1;

}

if(IniOK == 2){

//ロータ位置 (電気角) [rad]

theta = rotDataCal / Div * 7.0 * twoPI;

if(BottunState){

Vu = amp *(1.0 - cos(theta));

Vv = amp *(1.0 - cos(theta + twoPI / 3.0));

Vw = amp *(1.0 - cos(theta + 2.0 * twoPI / 3.0));

}else{

Vu = amp *(1.0 + cos(theta));

Vv = amp *(1.0 + cos(theta + twoPI / 3.0));

Vw = amp *(1.0 + cos(theta + 2.0 * twoPI / 3.0));

}

//PWM出力

ledcWrite(uPWMCH, int(Vu));

ledcWrite(vPWMCH, int(Vv));

ledcWrite(wPWMCH, int(Vw));

}

最新版のBlynkではBLEが使用できないので、以前のバージョンのBlynkレガシーを使用してBLE通信しています。

疑似正弦波を生成するためにドライバ駆動ピン(IO25～27)はledcWriteを用いて20kHz PWM出力します。分解能は10ビット(0～1023) (L. 148-156)。

起動時に1周期分オープンループで回転させてロータ位置のオフセットを導出します (L. 172-199)。

ロータ位置のオフセット導出後はクローズドループで回転し続けます。

オフセットを加味したモータのロータ位置rotData をデュアルコアのcore0で検出しています。
1周の分解能を14bitから10bit (1024)にしています (L. 60)。
モータ回転速度 rotSpeed を検知して、指定の回転速度 rotSpeedTarget との差分をPI制御して正弦波波高値 amp を算出します (L. 69-95)。

core1でロータ位置からモータの電気角 theta [rad] を算出。使用しているブラシレスモータのロータの極数は14 [7ペア] (L. 203)。
BottunStateによって正転/逆転を判断してcore0で算出された波高値 ampで正弦波を生成します (L. 205-213)。

導出された正弦波をPWM変換してドライバを駆動します (L. 215-218)。

Blynkアプリで、モータ回転方向BottunStateと回転速度rotSpeedTarget 、PI制御の係数をBLEで受信します (L. 114-138) 。

動作

無事に正転反転動作もでき、PI制御の係数を調整して指定の回転速度への制動のとれた追従動作も確認できました。

おわりに

ここでは “50日後にセンサレスベクトル制御してみたい俺” によって気づいた磁気エンコーダの遅延を改善してクローズドループ正弦波駆動に再挑戦しました。

無事に回転動作を確認でき、リベンジすることができました。

今回の実験で正弦波駆動でブラシレスモータをかなり自由に動かせることがわかりました。
しばらくはクローズドループ正弦波駆動で色々楽しみたいと考えております。

正弦波駆動の応用　ーブラシレスモータ駆動への道11ー

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クローズドループ正弦波駆動リベンジ　ーブラシレスモータ駆動への道10ー

ドライバ修理

クローズドループ正弦波駆動

エンコーダ検知遅延

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