AN53: TMC4671 PI Tuning

Document Revision V1.2.2 - 2020-Feb-05

本文逐步介如何使用USB-2-RTMI（RTMI）一步一步調(diào)試TMC4671。通訊轉(zhuǎn)換器是采用基于FTDFT4222H高速USB轉(zhuǎn)SPI橋路。采用USB供電帶有一個(gè)小巧的10引腳接頭和和TMC4671-EVAL的RTMI接口引腳相同，且具有相同的引分配可以在TMC4671估板上找到。TMCL-IDE提供軟件工具用于調(diào)試不同控制環(huán)路。因此，RTMI是調(diào)試、監(jiān)控和系統(tǒng)配置的最簡(jiǎn)便的方。

1 Items used

• 直流無(wú)刷伺服電機(jī), (e.g. QBL4208-61-04-013-1024-AT)
• TMC4671-EVAL-Kit
• USB-2-RTMI
• TMCL-IDE (3.0.24)
• 電源(24V)
• Micro-USB通訊線(xiàn)纜
• Mini-USB通訊線(xiàn)纜
  

  

2 USB-2-RTMI Driver Installation

參考 USB-2-RTMI指南 完成驅(qū)動(dòng)安裝。

3 Basic Configuration

在使用調(diào)試工具之前，必須先配置 TMC4671（例如，使用TMC4671 Wizard）。

在完成基本的參數(shù)配置之后，可以保存為C代碼或.tpc腳本

?

• 在摘要中 （Summary） 選擇ABN編碼器
• 使用Export Script 導(dǎo)出腳本

4 Tuning

4.1 Overview

TMC4671支持三種主要的操作模式，它們需要進(jìn)行PI配置：

• current/torque mode - 電流/力矩模式
• velocity mode - 速度模式
• position mode - 位置模式
  每個(gè)模式都可以通過(guò)PI對(duì)每個(gè)環(huán)路進(jìn)行調(diào)試。如下圖概述：
  

  

  
  這是一個(gè)串聯(lián)的環(huán)路，因此外環(huán)依賴(lài)內(nèi)環(huán)的調(diào)優(yōu)。例如，在使用速度環(huán)之前必須先配置電流環(huán)。為每個(gè) PI 控制器的調(diào)整提供了軟件工具。在TMCL-IDE中，可以通過(guò) Tuning Group 訪問(wèn)這些調(diào)試工具 調(diào)整工具包括：
• Biquad tuning: 用于過(guò)率每個(gè)循環(huán)的目標(biāo)值
• Torque/Flux tuning: 通過(guò)開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)識(shí)別PI參數(shù)
• Step response: 適應(yīng)所有控制回路的閉環(huán)階躍響應(yīng)
• Bode plot: 所有環(huán)路的波特圖
• IC scope: 監(jiān)控，讀出寄存器值與PWM頻率

4.2 Limits

• 在使用調(diào)試工具之前，建議將輸出電壓設(shè)置為最大 （設(shè)置 PIDOUT_UQ_UD_LIMITS = 32767 置）。 對(duì)于
  步進(jìn)來(lái)說(shuō)默認(rèn)值就可以了。
• 將 PID_TORQUE_FLUX_LIMITS 設(shè)置為應(yīng)用中所允許的最大電流數(shù)值。
• 設(shè)置 PID_POSITION_LIMIT_HIGH = 2 147400 000
• 設(shè)置 PID_POSITION_LIMIT_LOW = -2 147400 000
  

  

5 Tuning of the current loop

電流環(huán)由兩個(gè)控制環(huán)路組成：一用于扭矩（電流），另一用于磁通（電流）。都可以使用 RTMI 工具在 TorqueFlux / Tuning 工具 和 Step response 工具調(diào)整。Torque轉(zhuǎn)矩/Flux磁通工具在開(kāi)環(huán)模式下確定PI參數(shù)。

5.1 Torque/Flux Tuning Tool (Open Loop)

Torque Flux 調(diào)試工具會(huì)通過(guò)識(shí)別電機(jī)參數(shù)自動(dòng)確定 PI 參數(shù)的起始值。在此過(guò)程中，設(shè)置電壓階躍并評(píng)估電流階躍響應(yīng) . 只有磁通量電流被激發(fā)到最小 / 在這個(gè)調(diào)整階段沒(méi)有運(yùn)動(dòng)。建議使用 25kHz 的 PWM 頻率以獲得最好的識(shí)別結(jié)果.

1. TMC4671-EVAL連接到RTMI和PC。

2. 打開(kāi) “Torque/Flux Tuning Tool”。

3. 單擊 “Start”按鈕開(kāi)始整定

4. 給出了電流對(duì)電壓階躍的響應(yīng)，以及系統(tǒng)的辨識(shí)結(jié)果

   

   

5. 檢查和手動(dòng)調(diào)整Y范圍，以獲得更好的視圖

6. 單擊“Start”按鈕重新識(shí)別系統(tǒng)，如果電機(jī)匹配一致，將會(huì)給出更好的識(shí)別結(jié)果

7. 如果需要，調(diào)整所需要的電腦顯示窗口。在大多數(shù)情況下，默認(rèn)設(shè)置將提供良好的結(jié)果。 - 動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)被涵蓋在識(shí)別區(qū)（虛線(xiàn)框內(nèi)）：

   • 動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)應(yīng)覆蓋在識(shí)別區(qū)域（虛線(xiàn)框）中

     

     

   • 在圖 11 階躍響應(yīng)沒(méi)有完全涵蓋.識(shí)別區(qū)域太小。

     

   • 在圖 12 中，標(biāo)識(shí)區(qū)域太大

     

8. 將識(shí)別出的PI值寫(xiě)入當(dāng)前控制器

   • 使用以下按鈕將 PI 值更新到電流控制器
     

     

   • 注意 : 對(duì)于非常高的值標(biāo)識(shí) I-parameter 顯示為 0. 在這種情況下，需要手動(dòng)設(shè)置 I 參數(shù) ( 如 . 設(shè)置18000)。
   • 用PI控制框確認(rèn)新的 PI 值.必須使用 Reload 按鈕更新值。
     

     

5.2 Step Response Toolbox (Closed Loop)

在前一步中，力矩 / 磁通電流環(huán)的 PI 參數(shù)是在開(kāi)環(huán)模式下被識(shí)別到的 . 現(xiàn)在，階躍響應(yīng)工具將用于分析閉環(huán)行
為。

1. 打開(kāi) Step response toolbox
   

   

2. 配置電流控制的磁通電流設(shè)置
   • 目標(biāo)值/Target value: 0x64 PID_FLUX_TARGET
   • 測(cè)量值/Measurement 1: 0x69 PID_FLUX_ACTUAL
   • 采樣頻率/Sampling rate: PWM
   • 下一步驟
     ? 設(shè)置 Start value = 0
     ? 確定最終的磁通量 flux target current 目標(biāo)值(這里數(shù)值4000)
   • 使用 Start 按鈕啟動(dòng)階躍響應(yīng)step response
3. 實(shí)際電流和目標(biāo)電流顯示出來(lái)
   

   

4. 降低采樣率以獲得更好的效果
   

   

5. 通過(guò)修改不同的 P 和 I 優(yōu)化性能
6. 從步驟 2 開(kāi)始重復(fù)，修改 PID_TORQUE_TARGET, PID_TORQUE_ACTUAL。

5.3 Bode Plot

波特圖工具用于確認(rèn)電流環(huán)動(dòng)態(tài)性能。

1. 打開(kāi) Bode Plot

2. 選擇 1: torque control loop

3. 開(kāi)始 measurement 通過(guò)單擊 Start 按鈕 (其他設(shè)置保持默認(rèn)值)

4. 對(duì)比的例子: 下面 2 個(gè)測(cè)量顯示調(diào)節(jié)和沒(méi)有調(diào)節(jié)使用默認(rèn) PI 參數(shù)下的波特圖.

5. 默認(rèn) PI 數(shù)

   

   

6. 調(diào)整 PI 參數(shù)

   

   

7. 調(diào)諧PI后的控制系統(tǒng)具有較高的截止頻率，因此具有較高的動(dòng)態(tài)性能

   

6 Tuning of the velocity loop

這個(gè)章節(jié)介紹速度環(huán)調(diào)節(jié) . 前提條件是電流環(huán)已經(jīng)被調(diào)節(jié)完成。為了調(diào)整速度環(huán) PI 參數(shù)，請(qǐng)使用 step response tool (closed loop) 閉環(huán)階躍響應(yīng)工具

1. 為了方便速度單位確認(rèn) . 在 Selectorstoolbox 里的 VELOCITY_SELECTION （ 0x52 ）需要從 phi_e_selection 設(shè)置為 phi_m_abn。
   • phi_m: 機(jī)械速度顯示和計(jì)算的單位是RPM（每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)）
   • phi_e: 電氣速度顯示和計(jì)算的單位是電周期
2. 設(shè)置速度環(huán)的 PI 參數(shù)
   開(kāi)始時(shí)設(shè)置一個(gè)比較低的 P數(shù)值; set I = 0

• 0x58: PID_VELOCITY_I = 0
• 0x58: PID_VELOCITY_P = 100
  

  

1. 打開(kāi) Step Response tool box

2. 使用階躍響應(yīng)的實(shí)例配置

3. 單擊 Start 按鈕開(kāi)始階躍響應(yīng)

   

4. 逐漸增加 PID_VELOCITY_P， 直到實(shí)際速度 （PID_VELOCITY_ACTUAL）達(dá)到 50-75%
   目標(biāo)速度 （PID_VELOCITY_TARGET）

   

   

5. 增加PID_VELOCIT_I 數(shù)值直到實(shí)際速度達(dá)到目標(biāo)速度

   

   

7 Tuning of the position loop

本章節(jié)介紹位置環(huán)調(diào)試，在使用位置環(huán)之前 電流環(huán)和速度環(huán)需要先被配置好，使用階躍響應(yīng)工具來(lái)調(diào)試，然后
使用開(kāi)發(fā)板套裝的MCU板 Landungsbruecke 用于提升動(dòng)態(tài)性能和精度。

7.1 Step Response Tool

1. 將 POSITION_SELECTION 設(shè)置為 phi_m_abn
   因此電機(jī)的一圈脈沖數(shù)為 65535 counts

2. 設(shè)置 PI 位置控制器的初始值

   • PID_POSITION_I = 0 (對(duì)于大多數(shù)設(shè)置，建議將此設(shè)置為0)
   • PID_POSITION_P = 10
     

     

3. 打開(kāi) step response tool

4. 單擊 Start 按鈕開(kāi)始階躍響應(yīng)。電機(jī)會(huì)以 end value 值來(lái)回運(yùn)動(dòng). 這里是 1 轉(zhuǎn)

5. PID_POSITION_P = 10 時(shí)電機(jī)不運(yùn)動(dòng)。

   

6. 增加比列數(shù)值P: PID_POSITION_P = 50

   

7. 增大比例參數(shù) P 值: PID_POSITION_P = 100

   

8. 調(diào)整后的 PI 配置。

   

7.2 Motion Controller

開(kāi)發(fā)板套裝上的 MUC 板 Landungsbrücke 帶有梯形坡型發(fā)生器可以和 TMC4671-EVAL 一起使用。 TMC4671 芯片
并不集成運(yùn)動(dòng)控制功能.

1.?通過(guò)?Mini?USB?將MUC板?Landungsbruecke?連接到電腦

? 2. 在 Landungsbruecke 對(duì)話(huà)框 （USB-2-RTMI不可用) 中打開(kāi)位置模式工具b箱
? 3. 使能速度控制曲線(xiàn)和加速度限制

4. 在位置控制工具框 position mode toolbox 控制電機(jī)轉(zhuǎn) 10 圈

   • 清零位置數(shù)值 Clear the position
   • 設(shè)置目標(biāo)位置 Target pos. = 655350
   • 單擊 absolute 按鈕開(kāi)始電機(jī)運(yùn)動(dòng)
     

     

5. 增大減速度

   

6. 用運(yùn)動(dòng)控制重復(fù) 10 圈 同時(shí)增大減速度參數(shù), 也可以同時(shí)調(diào)整PI參數(shù):

   

7. 在增加運(yùn)動(dòng)控制功能之后調(diào)整 PI 配置

   

8. 通過(guò)Export option 選型保存PI配置

   8 Summary

   RTMI 通訊接口為 TMC4671 芯片提供了一個(gè)強(qiáng)大的選項(xiàng)來(lái)調(diào)試芯片 . 快速實(shí)時(shí)接入芯片 , 可以用來(lái)調(diào)試和監(jiān)控每個(gè)環(huán)路。 TMCL-IDE 為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了現(xiàn)成的軟件工具。 關(guān)于更多 TMC4671 和如何使用的問(wèn)題，請(qǐng)參考TMC4671數(shù)據(jù)表。

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