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使用 RTMI 调试TMC4671 PI

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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)一步一步调试TMC4671。通讯转换器是采用基于FTDFT4222H高速USB转SPI桥路。采用USB供电带有一个小巧的10引脚接头和和TMC4671-EVAL的RTMI接口引脚相同,且具有相同的引分配可以在TMC4671估板上找到。TMCL-IDE提供软件工具用于调试不同控制环路。因此,RTMI是调试、监控和系统配置的最简便的方。

1 Items used

  • 直流无刷伺服电机, (e.g. QBL4208-61-04-013-1024-AT)
  • TMC4671-EVAL-Kit
  • USB-2-RTMI
  • TMCL-IDE (3.0.24)
  • 电源(24V)
  • Micro-USB通讯线缆
  • Mini-USB通讯线缆
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2 USB-2-RTMI Driver Installation

参考 USB-2-RTMI指南 完成驱动安装。

3 Basic Configuration

在使用调试工具之前,必须先配置 TMC4671(例如,使用TMC4671 Wizard)。

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在完成基本的参数配置之后,可以保存为C代码或.tpc脚本

  • 在摘要中 (Summary) 选择ABN编码器
  • 使用Export Script 导出脚本

4 Tuning

4.1 Overview

TMC4671支持三种主要的操作模式,它们需要进行PI配置:

  • current/torque mode – 电流/力矩模式
  • velocity mode – 速度模式
  • position mode – 位置模式
    每个模式都可以通过PI对每个环路进行调试。如下图概述:
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    这是一个串联的环路,因此外环依赖内环的调优。例如,在使用速度环之前必须先配置电流环。为每个 PI 控制器的调整提供了软件工具。在TMCL-IDE中,可以通过 Tuning Group 访问这些调试工具 调整工具包括:
  • Biquad tuning: 用于过率每个循环的目标值
  • Torque/Flux tuning: 通过开环阶跃响应识别PI参数
  • Step response: 适应所有控制回路的闭环阶跃响应
  • Bode plot: 所有环路的波特图
  • IC scope: 监控,读出寄存器值与PWM频率

4.2 Limits

  • 在使用调试工具之前,建议将输出电压设置为最大 (设置 PIDOUT_UQ_UD_LIMITS = 32767 置)。 对于
    步进来说默认值就可以了。
  • 将 PID_TORQUE_FLUX_LIMITS 设置为应用中所允许的最大电流数值。
  • 设置 PID_POSITION_LIMIT_HIGH = 2 147400 000
  • 设置 PID_POSITION_LIMIT_LOW = -2 147400 000
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5 Tuning of the current loop

电流环由两个控制环路组成:一用于扭矩(电流),另一用于磁通(电流)。都可以使用 RTMI 工具在 TorqueFlux / Tuning 工具 和 Step response 工具调整。Torque转矩/Flux磁通工具在开环模式下确定PI参数。

5.1 Torque/Flux Tuning Tool (Open Loop)

Torque Flux 调试工具会通过识别电机参数自动确定 PI 参数的起始值。在此过程中,设置电压阶跃并评估电流阶跃响应 . 只有磁通量电流被激发到最小 / 在这个调整阶段没有运动。建议使用 25kHz 的 PWM 频率以获得最好的识别结果.

  1. TMC4671-EVAL连接到RTMI和PC。

  2. 打开 “Torque/Flux Tuning Tool”。

  3. 单击 “Start”按钮开始整定

  4. 给出了电流对电压阶跃的响应,以及系统的辨识结果

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  5. 检查和手动调整Y范围,以获得更好的视图

  6. 单击“Start”按钮重新识别系统,如果电机匹配一致,将会给出更好的识别结果

  7. 如果需要,调整所需要的电脑显示窗口。在大多数情况下,默认设置将提供良好的结果。 – 动态阶跃响应被涵盖在识别区(虚线框内):

    • 动态阶跃响应应覆盖在识别区域(虚线框)中

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    • 在图 11 阶跃响应没有完全涵盖.识别区域太小。

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    • 在图 12 中,标识区域太大

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  8. 将识别出的PI值写入当前控制器

    • 使用以下按钮将 PI 值更新到电流控制器
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    • 注意 : 对于非常高的值标识 I-parameter 显示为 0. 在这种情况下,需要手动设置 I 参数 ( 如 . 设置18000)。
    • 用PI控制框确认新的 PI 值.必须使用 Reload 按钮更新值。
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5.2 Step Response Toolbox (Closed Loop)

在前一步中,力矩 / 磁通电流环的 PI 参数是在开环模式下被识别到的 . 现在,阶跃响应工具将用于分析闭环行
为。

  1. 打开 Step response toolbox
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  2. 配置电流控制的磁通电流设置
    • 目标值/Target value: 0x64 PID_FLUX_TARGET
    • 测量值/Measurement 1: 0x69 PID_FLUX_ACTUAL
    • 采样频率/Sampling rate: PWM
    • 下一步骤
      ​ 设置 Start value = 0
      ​ 确定最终的磁通量 flux target current 目标值(这里数值4000)
    • 使用 Start 按钮启动阶跃响应step response
  3. 实际电流和目标电流显示出来
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  4. 降低采样率以获得更好的效果
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  5. 通过修改不同的 P 和 I 优化性能
  6. 从步骤 2 开始重复,修改 PID_TORQUE_TARGET, PID_TORQUE_ACTUAL。

5.3 Bode Plot

波特图工具用于确认电流环动态性能。

  1. 打开 Bode Plot

  2. 选择 1: torque control loop

  3. 开始 measurement 通过单击 Start 按钮 (其他设置保持默认值)

  4. 对比的例子: 下面 2 个测量显示调节和没有调节使用默认 PI 参数下的波特图.

  5. 默认 PI 数

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  6. 调整 PI 参数

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  7. 调谐PI后的控制系统具有较高的截止频率,因此具有较高的动态性能

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6 Tuning of the velocity loop

这个章节介绍速度环调节 . 前提条件是电流环已经被调节完成。为了调整速度环 PI 参数,请使用 step response tool (closed loop) 闭环阶跃响应工具

  1. 为了方便速度单位确认 . 在 Selectorstoolbox 里的 VELOCITY_SELECTION ( 0x52 )需要从 phi_e_selection 设置为 phi_m_abn。
    • phi_m: 机械速度显示和计算的单位是RPM(每分钟转数)
    • phi_e: 电气速度显示和计算的单位是电周期
  2. 设置速度环的 PI 参数
    开始时设置一个比较低的 P数值; set I = 0
  • 0x58: PID_VELOCITY_I = 0
  • 0x58: PID_VELOCITY_P = 100
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  1. 打开 Step Response tool box

  2. 使用阶跃响应的实例配置

  3. 单击 Start 按钮开始阶跃响应

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  4. 逐渐增加 PID_VELOCITY_P, 直到实际速度 (PID_VELOCITY_ACTUAL)达到 50-75%
    目标速度 (PID_VELOCITY_TARGET)

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  5. 增加PID_VELOCIT_I 数值直到实际速度达到目标速度

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7 Tuning of the position loop

本章节介绍位置环调试,在使用位置环之前 电流环和速度环需要先被配置好,使用阶跃响应工具来调试,然后
使用开发板套装的MCU板 Landungsbruecke 用于提升动态性能和精度。

7.1 Step Response Tool

  1. 将 POSITION_SELECTION 设置为 phi_m_abn
    因此电机的一圈脉冲数为 65535 counts

  2. 设置 PI 位置控制器的初始值

    • PID_POSITION_I = 0 (对于大多数设置,建议将此设置为0)
    • PID_POSITION_P = 10
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  3. 打开 step response tool

  4. 单击 Start 按钮开始阶跃响应。电机会以 end value 值来回运动. 这里是 1 转

  5. PID_POSITION_P = 10 时电机不运动。

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  6. 增加比列数值P: PID_POSITION_P = 50

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  7. 增大比例参数 P 值: PID_POSITION_P = 100

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  8. 调整后的 PI 配置。

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7.2 Motion Controller

开发板套装上的 MUC 板 Landungsbrücke 带有梯形坡型发生器可以和 TMC4671-EVAL 一起使用。 TMC4671 芯片
并不集成运动控制功能.

1. 通过 Mini USB 将MUC板 Landungsbruecke 连接到电脑

​ 2. 在 Landungsbruecke 对话框 (USB-2-RTMI不可用) 中打开位置模式工具b箱
​ 3. 使能速度控制曲线和加速度限制

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  1. 在位置控制工具框 position mode toolbox 控制电机转 10 圈

    • 清零位置数值 Clear the position
    • 设置目标位置 Target pos. = 655350
    • 单击 absolute 按钮开始电机运动
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  2. 增大减速度

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  3. 用运动控制重复 10 圈 同时增大减速度参数, 也可以同时调整PI参数:

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  4. 在增加运动控制功能之后调整 PI 配置

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  5. 通过Export option 选型保存PI配置

    8 Summary

    RTMI 通讯接口为 TMC4671 芯片提供了一个强大的选项来调试芯片 . 快速实时接入芯片 , 可以用来调试和监控每个环路。 TMCL-IDE 为系统开发提供了现成的软件工具。 关于更多 TMC4671 和如何使用的问题,请参考TMC4671数据表。

    9 Revision History

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