背景介绍

FOC作为直流无刷电机控制最常用的算法，得到广泛应用。在开源社区最常用的FOC项目有：simpleFOC，ODrive，VESC等。其中simpleFOC因其简单易用，支持多种硬件平台，很适合新手入门。我在用simpleFOC的过程中踩了不少坑，在此记录学习调试过程中的一些心得。

硬件平台：开始最好直接购买套件，熟悉后再自己搭配，我这里直接买的灯哥开源的套件
电机：2204
驱动器：L6234
磁编码器：AS5600
电流检测：INA240
主控MCU：ESP32

软件平台：Arduino，simpleFOC库，simpleFOC studio图形化调试工具

IDE工具：PlatforIO，也可以使用Arduino IDE（编译、下载速度很慢，所以我才找到了替代工具platforIO）

前面两篇总结了simpleFOC studio的基本参数含义，SimpleFOC调参1-力矩控制，SimpleFOC调参2-速度、位置控制，本篇主要总结simpleFOC中PID参数的整定攻略。

1. 电流环/力矩环PID整定

电流环PID整定整体框图如下，Torque control type： FOC current； motion control type： Torque

一般情况下current q、d的PID参数设置为相同的值，只需要调整好current q的PID参数，current d的PID参数不用再单独调试了。调试整体步骤如下：

I=0，D=0，调试比例增益P，做好记录表格，选择适合的P值
D=0，调试积分增益I，做好记录表格，选择合适的I值
一般D=0，不用调整。如果系统出现震荡，再增加一点D值，

测试条件：I=0，D=0时，设置目标值从M0—M0.5，P从5~160变化时，current q的变化量。

测试结果如下表：从P=20开始，设置M0时手放在电机上开始有震感，P=160时开始有肉眼可见的震荡。选取P=10.

P 值	5	10	20	50	75	90	100	150	160	170
current q	0.11	0.23	0.34手摸时有震感	0.42	0.45	0.46	0.46	0.47	0.48轻微震荡	0.48震荡

在P=10时，设置目标值从M0—M0.5，I从10~1000变化时，current q的从0达到0.5A需要的时间

测试结果如下表：从I=200开始，current q稳定的时间基本保持不变，选取I=300。

I值	10	50	100	200	300	500	1000
current q稳定时间	90	20	10	6	6	5	3

此外要注意low pass filter（LPF）参数的影响。当设置LPF=0.02时，current q的纹波会略微变小，但是在current q变化幅度增大时，很容易出现current q过冲，导致系统不稳定。最后测试选择LPF=0.01，此时虽然current q的纹波略大一点，但是在current q有2A直接跳变到0A时都不会有过冲现象，稳定性大大增加。

2. 速度环PID整定

电流环PID参数设置好之后，更改motion control type为velocity。
测试条件：I=0，D=0时，设置目标值从M0—M100，P从0.010~0.025变化时，velocity的变化量。在跳变点，不时会出现current q/d过冲的现象。

测试结果如下表：从P=0.01开始，设置M0—M100，P=0.04时开始出现异常震荡，最终选择P=0.02

P 值	0.01	0.015	0.020	0.025	0.030	0.040
velocity	95	97	98	98	100	震荡

当P=0.02时，设置目标值从M0—M100，I从0.1~0.9变化时，velocity达到100后的过冲量.

测试结果如下表：从I=0.1开始，设置M0—M100，I=0.9时开始出现异常震荡，最终选择I=0.1

I 值	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9
velocity 过冲量	105	105	108	108	117	130	135	135	震荡

3. 位置环PID整定

位置环PID整定相对简单很多，只需要调整P值就可以了。需要注意：在长时间进行PID整定时，simpleFOC硬件内部参数可能会与studio参数不一致，此时需要把已经整定好的电流、速度PID参数通过程序写入硬件，再调试位置环
测试条件：I=0，D=0时，设置目标值从M0—M3.14，P从1~20变化时，angle从0运动到3.14需要的时间。在跳变点，不时会出现current q/d过冲的现象。

测试结果如下表：从P=1开始，设置M0—M3.14，最终选择P=10

P 值	1	2	3	5	10	20
angle时间	40	25	20	10	10	5

4. 其它注意事项

motion downsample：用于设置down sample motion loop, 会直接影响motor.loopFOC()循环的速度，默认值10。在进行PID整定时，必须首先保障motion downsample的值相同，不同的值对应的PID参数会不同。
output ramp:输出斜率，用于减小输入到力矩控制环的最大变化量。output_ramp越大，PID引起Uq变化的速度更快；output_ramp越小，PID引起Uq变化的速度更慢。单位： V/s。通常控制环1ms循环一次，假设output_ramp=10，则每次循环，PID控制器能引起Uq变化10[V/s] * 0.001s = 0.01V.在调试PID过程中会影响到P值、I值的作用时间，output ramp越大，响应时间越短。每次调节前需要保障output ramp 值相同，不同的值对应的PID参数会不同。

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