前言

最近想学习一下云台，发现资料确实还不太好找，比较有参考价值的是俄版的开源版本的云台代码，后面就不开源了，开源版本的是比较原始的算法，差不多是玩具级别的，不过还是决定学习一下，了解一下基础。

SPWM开环驱动方式

俄版云台的电机驱动方式采用 SPWM 的方式来控制三相无刷电机，并且为节省成本，直接使用的开环方式来驱动。

开环控制

开环控制的方式也就是说，假设想要电机的电角度跑到0度的位置，就直接控制三相PWM，发送对应角度应该有的波形，而不去考虑当前电机转子的位置在哪里，这样产生对应角度的磁场矢量，就强行拖拽转子旋转到对应的位置。

与电机控制闭环方式对比

电机控制闭环时，是通过一些方式检测电机转子实际的位置在哪里，之后就控制三相 PWM 产生朝前转子位置90度的磁场矢量，就可以以最优的力矩与效率控制转子旋转到对应角度。开环的方式相当于是非最优力矩与效率拖动转子移动，会有更多的能量损耗，但优点就是简单可靠，适用于负载不大的场景。

SPWM驱动三相无刷电机

三相无刷电机如果要以旋转的正弦磁场来控制转动的话，底层有两种驱动模式，一种是SPWM，另一种是SVPWM，俄版云台采用的是 SPWM 的形式。

底层的硬件都是相同的，框图都是如下的形式：

通过控制六个 MOS 管的方式来产生 360 度的正弦旋转磁场。

SPWM 的驱动方式相比 SVPWM 要简单许多，对于单相的 H 半桥，要产生一个正弦电流信号，SPWM 的做法是使用一组正弦变化的 PWM信号来等效变换，如下所示：

上面的图是单相的 SPWM 信号，电机中的三相线一般是用 U，V，W 或 A，B，C 来表示。假设上面的 SPWM 是 U 相的信号，那么再生成两个 SPWM 分别对应 V 与 W 相的输出信号，并且给定固定的 120 度相位差，就可以模拟无刷电机三相正弦信号，例如 U 相是 0度，那么 V 相的相位就是120度，W相的相位就是 240 度。

电机三相 UVW(ABC) 的空间分布如下所示，互为 120 度：

对 ABC 三相分别产生互为 120 度相位差的正弦信号，此正弦信号使用 SPWM 的方式模拟，如下所示：

这样，根据此相位互为120度信号的 ABC 正弦信号，如果正弦信号幅值相同，那么就可以合成一个幅值不变，角度旋转的磁场矢量：

上面的动图中，粉色线就是三相正弦波合成的磁场矢量，红蓝绿线就代表三相正弦变化，互为 120 度的正弦信号。

源码分析

1.在初始化时，会初始一个正弦表，大小为1024，也就是说将 0~2pi 的一周角度等分为1024份，分辨率为 1024，之后复用这个宏，将单个分辨率对应的正弦 sin 值也扩大1024倍，相当于是将正弦表的 [-1,1] 扩大到 [-1024,1024]，这样使用整形存储可以提高运算速度。

2.生成SPWM时，以一半的 PWM 值为基准，俄版云台的 PWM 发布 CCR 值为1000，也就是以 500 为基准，传入的参数不仅有角度，也有幅值大小，将对应幅值与角度的磁场矢量，计算出对应的三相正弦值传入 PWM 中：

幅值大小根据负载大小进行修改。

控制电机转到相应的电角度

如果要控制电机转到相应的电角度，比如转到0度的电角度，那么按照正弦表(电角度的坐标系默认0度与A相重合)，A相发送0度对应的PWM，B相发送120度对应的PWM，C相发送240度对应的PWM。这样就可以发出 0度电角度对应的磁场矢量，拉动转子转到这个位置。

控制电机转到相应的姿态角度

电机转子从一个磁极转到下一个相同的磁极，称作一个电周期，一个机械周期就是大家平常看到的，电机转了一圈，电角度≠机械角度，但电角度与机械角度存在一定的数学关系，假如电机是 7 对极，那么转一个机械周期，就会转过7个电角度周期。

除了 电周期 = 机械周期 * 极对数 的倍数关系外， 因为电角度的 0 度就对应的是 A 相定子磁场强度最大的时候(转子磁极最靠近的时候)，但机械角度的 0 度没有这种固定的关系，是人为规定的。

云台的功能是要通过调整电机的机械角度来达到相应的姿态角，如果说通过校准，得到电角度与机械角度的偏移量，或者电角度与姿态角度的偏移量，会非常的麻烦，而且容易出错，俄版云台使用了另一种更巧妙的方法：忽略姿态角与电角度的偏移，直接将姿态目标与姿态角乘以极对数，得到电角度偏差(目标与实际姿态角相对电角度都有偏移，但是姿态角误差因为相减，反而会将此变量消除掉) ，将电角度偏差代入 pid 后，得到电角度的变化量，之后根据电角速度的速率限制，加上上一时刻的电角度，计算出下一步的电角度目标，之后代入 SPWM 发波拖动转子就可以。

在校准时，只需要限制姿态角的范围即可。

驱动芯片

三相电机驱动需要三路H桥驱动，并且 PWM 需要三路互补 PWM，也就是 6 路 PWM，才能驱动一个电机，但 STM32 芯片能发送三路互补 PWM 的定时器只有两个高级定时器(TIM1 与 TIM8)，三轴云台需要三个电机，因此俄版云台选用了一款驱动芯片 DRV8313 ，这款驱动芯片可以自动将一路 PWM 输入在内部转化为一对互补PWM，也就是说，本来需要三路互补PWM才能控制的电机，只需要三个普通 PWM 就可以控制了，这样的话，STM32 就没有定时器限制了，可以发三路 PWM 的定时器有很多个。