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
  

  

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）。

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：
  

  

  
  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
  

  

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

   

   

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

     

     

   • 在图 11 阶跃响应没有完全涵盖.识别区域太小。

     

   • 在图 12 中，标识区域太大

     

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
     

     

   • 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。
     

     

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
   

   

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
   

   

4. 降低采样率以获得更好的效果
   

   

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

   

   

6. 调整 PI 参数

   

   

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

   

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
  

  

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

   

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）

   

   

5. 增加PID_VELOCIT_I 数值直到实际速度达到目标速度

   

   

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
     

     

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。

   

6. 增加比列数值P: PID_POSITION_P = 50

   

7. 增大比例参数 P 值: PID_POSITION_P = 100

   

8. 调整后的 PI 配置。

   

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

4. 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
     

     

5. 增大减速度

   

6. 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:

   

7. 在增加运动控制功能之后调整 PI 配置

   

8. 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