无刷电机小车开发记录03——PWM信号输入捕获驱动

描述

前言


  好吧,转眼一看,距离上一篇文章已经过去了两个月了。只能说工作和家庭的各种事情确实太多了,人到中年属于自己的时间确实越来越少了,再不过来调一下这个小车估计都要生锈了。所以今天过来接着做下一步工作。之前是完成了BSP的移植和导入,接下来就要尝试移植FOC算法了,开源的FOC算法也比较多,我这里打算利用SimpleFOC进行移植。本身的SimpleFOC是基于C++的,这里要移植成C代码。另外,SimpleFOC的SDK其中已经适配了很多种类的传感器,驱动器以及无刷电机。如果硬件使用的是它已经适配的方案,则只需要简单配置一下就可以驱动了。而我这里是要在RTThread下移植FOC,更倾向于使用RTThread的框架,所以各种传感器和驱动器的适配计划加到RTThread的驱动这边来做。FOC那边只移植SimpleFOC的核心算法即可。所以在正式移植FOC算法之前,还需要先搭建用到的底层驱动。今天就先整理一下读取磁编码器PWM信号的输入捕获驱动的移植记录。其实某些适配更好的BSP内的RTThread驱动库里面已经有了输入捕获驱动,但只是捕获了输入脉宽的时间,而我这里需要的是捕获PWM信号的占空比,也就对应了磁编码器探测到的电机位置。但大体功能类似,所以随便找一个类似的底层驱动进行一下修改和移植即可。

 

磁编码器简介


  我这里用的是赛卓电子的国产磁编码器芯片SC60228,详情请看其数据手册,主要特性如下:

RT-Thread

 

移植RTT驱动


  这个比较简单,因为RTT驱动库内已经有了“rt_inputcapture.c”的驱动文件,在SDK的“rt-thread/components/drivers/misc”目录下。只不过大多数的BSP没有做对应的适配而已。那先不管BSP那边的适配问题,先把这个C文件和对应的头文件拷贝一份,比如我重命名为“PWM_input_capture.c”和“PWM_input_capture.h”。

RT-Thread

然后代码内容改动不大,主要改的是返回的数据除了脉宽时间还有一个周期时间,这样就可以计算输入PWM信号的占空比了。另外,原有的驱动上使用的是ringbuffer做了一个数据缓存,这样数据处理可以异步话,什么时候需要什么时候把缓存内的数据全部读走即可。但各人考虑,我应用的场合是用这个信号来驱动无刷电机,这个PWM信号的输入频率也才1Khz,市面上大多数的无刷电机驱动,底层控制频率基本都达到了10Khz以上。所以我这里肯定不需要异步处理的,会直接用这个信号触发底层控制。而且控制效果还需要测试,如果转速上不去或者抖动厉害的话,可能还需要想办法插值细化或者改用SPI读取编码器数据(这也是为什么硬件上做了两种接口的原因,就是想去测试探索一些好玩的东西)。所以我这里是直接去掉了ringbuffer,加入了信号量。到时候上层开一个线程去等待这个信号量去跑FOC算法。头文件修改如下:


		

1struct pwm_inputcapture_data 2{ 3    rt_uint32_t pulsewidth_us;      //脉宽 4    rt_uint32_t   pulsecycle_us;    //周期 5}; 6struct pwm_inputcapture_device 7{ 8    struct rt_device                    parent; 9    const struct pwm_inputcapture_ops    *ops; 10    rt_sem_t                             *sem; 11    struct pwm_inputcapture_data        pulse_param; 12}; 13/** 14 * capture operators 15 */ 16struct pwm_inputcapture_ops 17{ 18    rt_err_t (*init)(struct pwm_inputcapture_device *inputcapture); 19    rt_err_t (*open)(struct pwm_inputcapture_device *inputcapture); 20    rt_err_t (*close)(struct pwm_inputcapture_device *inputcapture); 21}; 22void pwm_hw_inputcapture_isr(struct pwm_inputcapture_device *inputcapture); 23rt_err_t rt_device_pwm_inputcapture_register(struct pwm_inputcapture_device *inputcapture, 24                                         const char                    *name, 25                                         void                          *data);

C文件主要修改的是回调函数,把之前的数据加入ringbuffer的操作改成了释放信号量,其它地方的修改都是一些简单的适配,由于C代码较多,我这里就不都贴出来了,相信大家肯定会自己完成适配,甚至比我的还要适配的好。而我的代码,等我第一期的功能开发完了,会整体开源出来。C代码主要修改的回调函数如下:


		

1void rt_hw_pwm_inputcapture_isr(struct pwm_inputcapture_device *inputcapture) 2{ 3    rt_sem_release(inputcapture->sem); 4    if (inputcapture->parent.rx_indicate != RT_NULL) 5        inputcapture->parent.rx_indicate(&inputcapture->parent, 1); 6}

适配BSP驱动


  BSP驱动的适配稍微麻烦一点,如果大家能找到其它类似BSP内的相似驱动可以进行移植,那我这里简单找了一下并没有找到,所以仿照RTT的驱动适配方式,自己适配了一下。主要实现要点就是开启每个Timer的CH0和CH1双通道对CI0或者CI1输入的PWM信号进行采样,一个捕获脉宽,一个捕获周期,从而得到占空比。剩下的就是一些向下调用GD32的驱动库API,向上适配RTT的驱动接口。同样,下面只给出主要的初始化代码和中断处理代码,其它的可自行实现或者关注我后续开源的代码。


		

1rt_err_t pwm_inputcap_init(struct pwm_inputcapture_device *pwm_incap) 2{ 3    uint32_t sys_clk_freq; 4    uint32_t timer_prescaler = 1; 5    uint32_t trigger_ch; 6    timer_parameter_struct TimerConfig; 7    timer_ic_parameter_struct TimerICConfig; 8    struct gd32_pwm_inputcapture_device *pwm_incap_device; 9    pwm_incap_device = (struct gd32_pwm_inputcapture_device*)pwm_incap; 10    rcu_periph_clock_enable(pwm_incap_device->timer_rcu); 11    rcu_periph_clock_enable(pwm_incap_device->GPIO_rcu); 12    gpio_init(pwm_incap_device->GPIOx, GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_50MHZ, pwm_incap_device->PINx); 13    sys_clk_freq = rcu_clock_freq_get(CK_SYS); 14    LOG_I("system clock frequency:%d", sys_clk_freq); 15    TimerConfig.alignedmode = TIMER_COUNTER_EDGE; 16    TimerConfig.clockdivision = TIMER_CKDIV_DIV1; 17    TimerConfig.counterdirection = TIMER_COUNTER_UP; 18    TimerConfig.period = 65535U; 19    do{ 20        if(sys_clk_freq / timer_prescaler / TimerConfig.period < pwm_incap_device->input_freq_min) 21            break; 22        if(timer_prescaler == 65536) 23        { 24            rt_kprintf("can not configure the prescaler for input signal frequency:%dhz ", pwm_incap_device->input_freq_min); 25            return RT_ERROR; 26        } 27        timer_prescaler++; 28    }while(1); 29    TimerConfig.prescaler = timer_prescaler-1; 30    TimerConfig.repetitioncounter = 0; 31    timer_init(pwm_incap_device->timerx, &TimerConfig); 32    LOG_I("%s timer prescaler:%d", pwm_incap_device->name, timer_prescaler); 33    TimerICConfig.icfilter = 10; 34    TimerICConfig.icpolarity = TIMER_IC_POLARITY_RISING; 35    TimerICConfig.icprescaler = TIMER_IC_PSC_DIV1; 36    TimerICConfig.icselection = TIMER_IC_SELECTION_DIRECTTI; 37    timer_input_pwm_capture_config(pwm_incap_device->timerx, pwm_incap_device->input_ch, &TimerICConfig); 38    timer_interrupt_flag_clear(pwm_incap_device->timerx, TIMER_INT_FLAG_UP); 39    timer_interrupt_enable(pwm_incap_device->timerx,TIMER_INT_UP); 40    trigger_ch = ((pwm_incap_device->input_ch == TIMER_CH_0) ? TIMER_SMCFG_TRGSEL_CI0FE0 : TIMER_SMCFG_TRGSEL_CI1FE1); 41    timer_input_trigger_source_select(pwm_incap_device->timerx, trigger_ch); 42    timer_slave_mode_select(pwm_incap_device->timerx, TIMER_SLAVE_MODE_RESTART); 43    timer_external_trigger_config(pwm_incap_device->timerx,TIMER_EXT_TRI_PSC_OFF,TIMER_ETP_RISING,10); 44    NVIC_SetPriority(pwm_incap_device->timerx_irqn, 3); 45    NVIC_EnableIRQ(pwm_incap_device->timerx_irqn); 46    timer_enable(pwm_incap_device->timerx); 47    return RT_EOK; 48} 49void pwm_inputcapture_update_isr(struct gd32_pwm_inputcapture_device *device) 50{ 51    uint32_t width_ch; 52    /* TIM Update event */ 53    if (timer_interrupt_flag_get(device->timerx, TIMER_INT_FLAG_UP) != RESET) 54    { 55        timer_interrupt_flag_clear(device->timerx, TIMER_INT_FLAG_UP); 56        device->pwm_inputcap.pulse_param.pulsecycle_us = timer_channel_capture_value_register_read(device->timerx, device->input_ch); 57        width_ch = ((device->input_ch == TIMER_CH_0) ? (TIMER_CH_1) : (TIMER_CH_0)); 58        device->pwm_inputcap.pulse_param.pulsewidth_us = timer_channel_capture_value_register_read(device->timerx, width_ch); 59        rt_hw_pwm_inputcapture_isr(device); 60    } 61}

修改工程构建文件


修改相关SConscript文件

  在“libraries/gd32_drivers/SConscript”文件内的适当位置加入如下代码:


		

1if GetDepend(['RT_USING_PWM_INPUT_CAPTURE']): 2    src += ['drv_pwm_inputcapture.c']

  在“rt-thread/components/drivers/misc/SConscript”文件内的适当位置加入如下代码:


		

1if GetDepend(['RT_USING_INPUT_CAPTURE']): 2    src = src + ['rt_inputcapture.c']

  意思很简单,就是当rtconfig.h内定义了”RT_USING_PWM_INPUT_CAPTURE”宏,则把“drv_pwm_inputcapture.c”和“rt_inputcapture.c”驱动文件加入工程,更准确的是加入编译。

修改相关Kconfig文件

  在“rt-thread/components/drivers/Kconfig”文件内的适当位置加入如下代码:


		

1config RT_USING_INPUT_CAPTURE 2    bool "Using INPUT CAPTURE device drivers" 3    default n

  管理BSP驱动代码的Kconfig文件不再librares目录下,而是在board目录下。于是在“board/Kconfig”文件内的适当位置,仿照其它驱动加入如下代码:


		

1menuconfig BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE 2        bool "Enable pwm input capture" 3        default n 4        select RT_USING_PWM_INPUT_CAPTURE 5        if BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE 6            config BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE1 7                bool "Enable pwm input capture 1" 8                default n 9            config BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE2 10                bool "Enable pwm input capture 2" 11                default n 12            config BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE3 13                bool "Enable pwm input capture 3" 14                default n 15            config BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE4 16                bool "Enable pwm input capture 4" 17                default n 18            config BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE5 19                bool "Enable pwm input capture 5" 20                default n 21            config BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE6 22                bool "Enable pwm input capture 6" 23                default n 24        endif

  意思也比较简单,我这里适配了6个PWM的输入捕获驱动,并且利用“select”语句,在BSP的驱动管理里面自动开启了RTT驱动里面的“RT_USING_PWM_INPUT_CAPTURE”选项。修改完上述代码后,就可以用menuconfig命令或者RTThreadIDE的RT-Thread Settings图形配置界面内进行配置了:

RT-Thread

 

测试


  驱动有了,再在顶层逻辑内创建并实现两个测试线程:


		

1int main(void) 2{ 3    ... 4    rt_thread_t MotorL_encoder_thread; 5    MotorL_encoder_thread = rt_thread_create("MotorLEncoder", MotorLEncoder_thread_entry, RT_NULL, 1024420); 6    rt_thread_startup(MotorL_encoder_thread); 7    rt_thread_t MotorR_encoder_thread; 8    MotorR_encoder_thread = rt_thread_create("MotorREncoder", MotorREncoder_thread_entry, RT_NULL, 1024420); 9    rt_thread_startup(MotorR_encoder_thread); 10    ... 11} 12void MotorLEncoder_thread_entry(void *parameter) 13{ 14    rt_device_t Lpwm_input_dev; 15    rt_uint16_t wait_i; 16    struct pwm_inputcapture_device *inputcap_dev; 17    Lpwm_input_dev = rt_device_find("pwm_inputcap1"); 18    if(Lpwm_input_dev == RT_NULL) 19        return; 20    inputcap_dev = (struct pwm_inputcapture_device *)Lpwm_input_dev; 21    rt_device_open(Lpwm_input_dev, RT_DEVICE_OFLAG_RDONLY); 22    while(1) 23    { 24        if(inputcap_dev->sem != RT_NULL) 25        { 26            rt_sem_take(inputcap_dev->sem, RT_WAITING_FOREVER); 27            if(wait_i++ >= 1000) 28            { 29                rt_kprintf("MotorL encoder: %d ",inputcap_dev->pulse_param.pulsewidth_us * 10000 / inputcap_dev->pulse_param.pulsecycle_us); 30                wait_i = 0; 31            } 32        } 33    } 34} 35void MotorREncoder_thread_entry(void *parameter) 36{ 37    rt_device_t Rpwm_input_dev; 38    rt_uint16_t wait_i; 39    struct pwm_inputcapture_device *inputcap_dev; 40    Rpwm_input_dev = rt_device_find("pwm_inputcap3"); 41    if(Rpwm_input_dev == RT_NULL) 42        return; 43    inputcap_dev = (struct pwm_inputcapture_device *)Rpwm_input_dev; 44    rt_device_open(Rpwm_input_dev, RT_DEVICE_OFLAG_RDONLY); 45    while(1) 46    { 47        if(inputcap_dev->sem != RT_NULL) 48        { 49            rt_sem_take(inputcap_dev->sem, RT_WAITING_FOREVER); 50            if(wait_i++ >= 1000) 51            { 52                rt_kprintf("MotorR encoder:%d ",inputcap_dev->pulse_param.pulsewidth_us * 10000 / inputcap_dev->pulse_param.pulsecycle_us); 53                wait_i = 0; 54            } 55        } 56    } 57}

  目前只是实现了大概1S钟打印一次编码器位置,一圈的机械角度范围扩大到了0~10000(我用的是12位磁编码器,分辨率是4096,我这里统一归一化到了10000),终端输出如下:

RT-Thread

  可以看到,慢慢向一个方向推动小车,两个编码器的变化规律是相反的,和实际的两个电机对向安装相匹配,实际使用的时候按照其中一个为基准,把另外一个编码器数据反向即可。

  只看其中一个轮子,输出频率改为原有的1Khz,输出值转换为浮点的角度值,可得到如下的测试曲线:

RT-Thread

静止不动,暂时也没有驱动电机,也就没有电机的电磁干扰,在次条件下测得的静态数据如下,静态稳定度在0.2度左右,比12位的最小测量精度0.088度大了二倍多一点:

RT-Thread

 

相关链接


本系列首篇文章链接:

https://club.rt-thread.org/ask/article/5c0c4ba7eb4ab1ad.html

 

———————End——————

 

 

RT-Thread

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原文标题:无刷电机小车开发记录03——PWM信号输入捕获驱动

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