最近完成手機雲臺/穩定器的產品化，特意記錄整個手機雲臺的開發過程

一. 電機驅動篇

硬體描述: 直流無刷電機，7對極，控制板mcu為stm32f0。

驅動方式: FOC 控制，驅動板取樣兩路電流，並配置有編碼器。

網上針對FOC的控制文章較多，做起來也不難，在這裡主要記錄驅動編寫的過程及關鍵點。

1. 首先是編碼器的問題，手頭的AS5600 編碼器，採用SPI介面，1k HZ的頻率讀取物理角度，在驅動電機過程發現及其不穩定，有噪音，轉動速度越快越不穩定。經過分析資料，終於找到原因：驅動過程相位角在變化，而1KHZ的更新速率（PWM更新頻率是30K）無法及時跟隨到最新的位置。 解決辦法：插值，根據物理角度變化速度計算最新相位角。

3. 力矩控制問題，基本流程是，根據取樣電流，通過Clarke變化和Park變換（記得是電流變換，不是電壓變換），計算得出當前的磁鏈和力矩（絕對值沒意義，相對值才有意義）。這時候可以使用pid反饋控制，計算輸出 電壓和磁鏈。然後再經過反Park變換和反Clarke變換就可以得出三相輸出電壓，然後轉PWM波即可。整個過程的關鍵是PID控制引數的選擇，一般都直接採用PI控制即可。引數調整需要實踐慢慢實驗。

處理好以上幾個問題，電機驅動基本上就完成了。反正我沒遇到其他大問題，至於說電氣角度的校準之類的問題都是小問題。順便說下，之前也試過不用編碼器，直接使用兩個線性霍爾感測器計算物理角度。遇到幾個麻煩問題：1.安裝精確度要求高，兩個感測器必須垂直90度，誤差不能超過該4度，否則力矩明顯減少。2. 需要做溫度補償。 3. 磁環位置和強度要求配合。總之效果不怎麼好，由於時間關係沒有繼續採用這種方案做，後面再投入一些時間研究下。

二. 雲臺座標系篇

根絕雲臺的結構以及控制情況，整個雲臺包含三個座標系：

a. 參考座標系（地球座標系），手機根據陀螺儀計算出來的尤拉角就屬於該座標系。

b. 機體座標系, 陀螺儀感測器輸出的角速度屬於該座標系。

c. 電機座標系，電機物理角度及控制力矩屬於該座標系。

各座標系之間的關係公式推導：

1. 尤拉角座標系旋轉矩陣

2. 尤拉角變化率與機體座標系的角速度關係

這裡有個地方要注意，由於尤拉角俯仰的範圍是正負90度，在俯仰接近90度時橫滾值會完全不準。但云臺的俯仰姿態大於90度的情況很多，所以解決的辦法是在計算尤拉的時候把橫滾和俯仰調換位置。在這種情況下，該公式就不適合了，根據座標對映法，推匯出的公式是：

經過matlab模擬，可以使用，注意：該公式只適合Roll在正負60度區間，俯仰可以正負180度。

3. 機體座標系到電機座標系

基於以上公式，可以完成雲臺的所有座標系轉換。

三. 控制篇

全部控制採用PID 控制，控制環境主要包括:

1. PID 速度環

姿態err = 目標姿態 - 當前姿態

目標速度_e = 姿態err×Kp

整個速度環PID引數，積分和微分引數設定為0即可。

2. PID力矩控制環

目標速度 _b = 參考座標系轉機體座標系(目標速度 _e)

速度Err_b = 目標速度 _b - 陀螺儀角速度

速度Err_m = 機體座標系轉電機座標系(速度Err_b)

輸出力矩 = PID(速度Err_m)

3. 橫拍豎拍模式

豎拍模式，即手機豎直拍攝，但橫滾電機角度到達限定值，雲臺就直接切換為豎拍模式，在豎拍模式下，手機實際姿態是：橫滾90度（或負90度），俯仰正負45度。

4. 航向跟隨模式

實現方式很簡單：

a. 確定手柄姿態（是否手電筒模式），確定控制航向是原航向電機還是橫滾電機

b. 計算電機當前位置與目標位置err， 目標航向 = 當前航向 + err*KP

四. 通訊篇

1. 三軸間通訊

三軸間通訊結構圖:

俯仰為主機，橫滾和航向為從機，通訊速率為1M,主機沒500us 發起一次通訊。主機發送控制命令，從機將電機位置，控制板狀態等資訊作為返回。