【simpleFOC-项目】一个电机如何模拟不同旋钮的手感反馈？

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概述

simpleFOC可以实现对各种电机的精确控制，并且提供闭环扭矩反馈控制。那我们是否可以利用这种特性，用一个电机来模拟不同旋钮的手感反馈呢，答案是，当然可以！！而且网上也有不少开源的案例，例如最开始的smartknob，还有国内各种适配，修改的版本，这里就不一一列举了。

 

而本篇将使用2808电机，arduino和simplefocshielf，模拟不同旋钮的旋转手感，而不会将目光放在旋钮的交互上。

 

 

 

初始化设置

 

再开始之前，我们需要在arduino的初始化函数当中设置一些电机和驱动的参数。

 

配置位置传感器，使用i2c与arduino进行通信：

MagneticSensorI2C sensor = MagneticSensorI2C(AS5600_I2C);

 

配置电机和驱动：

BLDCMotor motor = BLDCMotor(7);BLDCDriver3PWM driver = BLDCDriver3PWM(9, 5, 6, 8);

 

设置驱动输入电压为24v,并初始化驱动：

driver.voltage_power_supply = 24;driver.init();

 

设置控制模式（这里我们使用力矩控制模式）

motor.controller = MotionControlType::torque;

 

完整初始化代码如下：

void setup() {
  // 设置串口波特率  Serial.begin(9600);  // enable more verbose output for debugging  // comment out if not needed  SimpleFOCDebug::enable(&Serial);
  // initialise magnetic sensor hardware  sensor.init();  // link the motor to the sensor  motor.linkSensor(&sensor);
  // 设置驱动输入电压为24v  driver.voltage_power_supply = 24;  driver.init();  motor.linkDriver(&driver);
  // aligning voltage   motor.voltage_sensor_align = 3;  // motor.voltage_limit = 5;  // choose FOC modulation (optional)  motor.foc_modulation = FOCModulationType::SpaceVectorPWM;  // set motion control loop to be used  motor.controller = MotionControlType::torque;
  // comment out if not needed  motor.useMonitoring(Serial);
  // initialize motor  motor.init();  // align sensor and start FOC  motor.initFOC();
  // add target command T  Serial.println(F("Motor ready."));  Serial.println(F("Set the target voltage using serial terminal:"));  _delay(1000);}

 

 

一、无阻力手感

 

在力矩控制模式下，只要将期望力矩设置为0，即可实现无阻力手感，该模式下，电机模块相当于一个数值传感器，无任何手感反馈，这里就不做演示了

 

 

二、阻尼手感

 

在许多应用中，比如高端音响设备、工业控制面板或者游戏控制器，阻尼手感旋钮提供了一种直观且具有反馈感的用户交互方式。这种旋钮通常会给人一种平滑而有阻力的感觉，使用户在操作时能够更加精准地控制。通俗解释，就是有一股作用力来阻止我们旋转电机。这实际上是一种负反馈控制，我们使用电机速度作为反馈信号，其公式如下：

 

写成代码就是：

tau = Kd * sensor.getVelocity()

 

接下来就是调kd了，kd越大，给的阻力就越大，我们先给个0.05，

过大的KD会导致电机疯狂抖动，建议从一个较小的值开始尝试

float Kd = 0.1;void loop() {  motor.loopFOC();  float tau = -Kd * sensor.getVelocity();  motor.move(tau);}

 

效果演示：

 

 

 

三、顺滑手感

 

顺滑手感旋钮的关键在于实现旋钮在转动时的平滑响应。这意味着旋钮在转动过程中不会有任何卡顿或突兀的感觉。与上一章相反，要电机顺滑转动，需要正反馈，同样使用电机速度作为反馈信号，有以下：

 

 

其中Kd需要是一个很小的值。

float tau = Kd * sensor.getVelocity();motor.move(tau);

 

因为是正反馈，如果Kd过大，会造成电机一致转下去。

float Kd = 0.04;void loop() {  motor.loopFOC();  float tau = -Kd * sensor.getVelocity();  motor.move(tau);}

 

效果如下：

 

 

 

四、档位手感

还有一种旋钮是具有档位的，一圈会成好几个小段，每旋转过一段会产生顿挫感。而这种顿挫感，我们同样可以利用foc来实现。实际上，与上两节不一样，该手感是来自位置反馈，参考灯哥开源里面的原理解释。

 

 

主循环代码如下，设置Kp为5，档位数量为4：

float Kp = 5;void loop() {    motor.loopFOC();  float num = 4; // 档位数量  float attractor_distance = 360/num * 3.1415926 / 180.0; // 转换为弧度制  float target = round(sensor.getAngle() / attractor_distance) * attractor_distance;  motor.move(Kp * (target - sensor.getAngle()));}

 

Kd值越大，档位的顿挫感就越强，效果如下：

 

 

 

总结

根据力的反馈，我们可以利用电机来模拟各种各样的旋钮反馈手感，如果加上一些底层交互逻辑，我们就可以实现智能旋钮，用来控制智能家居等设备。