V3自平衡莱洛三角形可充电RGB版

更新日志

2023/10/31:

1. 更新新型号3205b款无限位电机适配pcb（ 3205b自带限位 需要加工掉限位装置才可使用，某宝也可购买到加工后的3205b无限位款）
2. 修复工程drc报错问题
3. 修复上个版本快速开关电源导致短路问题（将电机驱动自举电容22uf更换为100nf电容）也可以自行在三个mos上管gs级之间并一个100k电阻用于电容放电

2023/5/25：V3升级明细（相比V2）因为电机无货原因请制作V3版本：

1. 将2715电机更改为存量大且自带磁环的3205无限位款电机（感谢“初心不变”提供创意）；
2. 将AS5600模块插接方案更改为MT6701焊接方案，将通讯方式由IIC更改为SPI，最大可能地避免了磁铁不对中、磁铁与磁编距离原因导致的PP check fail问题；
3. 将600mAh电池更改为800mAh电池，将12V转5V DCDC电路Ti方案、5V转3.3V LDO方案全部改为国产DCDC方案，增加续航35%以上；
4. 充电电路将电流限制为1A，避免极端环境下充电电感过热问题；降低了电池自放电，满电待机时间由一周增加至至少一个月；
5. 调整了电机PID参数，使用的3205电机运行更平稳；
6. 设计了电池安装板，从背后看不露电池，更加美观；

项目介绍

自平衡莱洛三角形，无刷驱动使用EG2133，使用esp32-arduino的simplefoc驱动。

程序附件都在gitee https://gitee.com/coll45/foc

图片中间为立创彩色丝印版本，左右为最终V3版本（磁编码器集成到pcb中心）。均可以摇摆平衡，使用3205电机

• cn3300充电部分设计充电截至电压12.72V（考虑到电池内阻，最终充满电压为12.43V），充电电流0.5A，电感电流1A。充电功率为5W（充电会电感部分会烫，但不至于烧毁电路）

• 电机可以适配3205无刷电机(之前使用的电机GB2204\2715均已缺货)

1 制作说明

gitee文件夹中V3有自平衡莱洛三角形V3_BOM.xlsx，元器件请根据自己选择PCB空板还是SMT自行购买

原理图以及PCB图链接

1. 在立创开源链接中，点击在编辑器中打开，进入EDA页面，双击对应的PCB，上方导航栏找到-制造-PCB制板文件（gerber）-生成gerber-一键PCB/SMT下单。（一定要进编辑器！！！有遇到过开源链接的bom和真实bom对不上的情况）
2. 在下单页面中下单对应的pcb，如需SMT（机器贴片）可以选需要SMT，不选SMT会得到PCB空板
3. 焊接是基本功，最好是有烙铁的情况下尝试制作。

SMT注意：

• 选择需要SMT完成下单之后，进入订单界面。SMT分板定位孔选择-嘉立创添加，BOM与坐标清单选择-用我自己的BOM和坐标，导出文件选择-立创EDA。
• 需要上传的坐标文件和bom，都是在EDA页面-莱洛三角形PCB-制造-（物料清单BOM和坐标文件）中导出。
• 进入BOM匹配之后，左上角贴片数量选择-做5贴2（因为莱洛三角形制作一个需要两个PCB板，一个有元器件一个空板），贴片层-只贴顶层，产品类型-经济型，坐标文件生成方式-单板
• 强烈建议删除所有扩展库以及推荐库后打板
• SMT下单完成之后，只需购买smt删除部分的元器件（比如扩展库和推荐库）

2 硬件特性

说明	参数
莱洛三角形尺寸	100*100 mm
动量轮尺寸	80*80 mm
电池*3	厚x长x宽:7.9mmx25mmx40mm 规格内均可
输入电压	3.7v锂电池*3
充电电压	5V 从Type-C口输入
充电芯片CN3300	5V输入,最大1A充电电流
均衡芯片CM1010-A	电池电压超过4.25V之后开始放电
主控芯片	ESP-WROOM-32
电机驱动芯片EG2133	引脚:32, 33, 25
稳压芯片MT2492	输出5V和3.3V
MT6701 编码器	SDA-23 SCL-5
MPU6050六轴传感器	SDA-19 SCL-18
RGB灯-WS2812	使用GPIO16控制

LED指示灯	功能
LED1	串口指示灯，ESP32发送串口数据时会亮起
LED2	充电完成指示灯，亮起表示充电完成，充到亮起可能需要2-3小时
LED30	充电指示灯，亮起表示正在充电
LED3	typec的5V输入指示灯 接typec一定亮
LED4	3.3v指示灯 电池输入12v输出3.3V
LED5	由GPIO4控制，电池电压低于9.5V时以1HZ频率闪烁
LED27\28\29	均衡指示灯，亮起表示该电池电压高于4.25V正在通过22欧姆电阻放电中

触摸盘	功能
单击时长	100ms以上
长按时长	800ms以上
点赞触摸盘	GPOI13-Touch4-单击:开关RGB灯；长按：开关wifi和电机
投币触摸盘	GPOI15-Touch3-单击：增加RGB灯亮度；长按：下一个RGB灯效
收藏触摸盘	GPOI2-Touch2-单击：减少RGB灯亮度；长按：上一个RGB灯效

3 使用说明

1. 下载完本git所有文件后，打开文件夹V3/bin/flash_download_tool_3.9.2.exe
2. 打开flash_download_tool后选择chip Type "ESP32",然后点OK，在第五行选择target.bin，烧录到0x000位置
3. 使用CH340下载器，将下载器的TXD\RXD\GND用杜邦线引出，对准PCB的ESP32正上方的GND\RXD\TXD，接法为TXD-RXD\RXD-TXD\GND-GND
4. PCB焊好后，保证esp32的供电电压为3.3V，打开电源，同时按住boot和RESET按钮，先松开RESET，然后松开boot进入下载模式后点START开始程序烧录
5. 到这一步就可以打开开关，三角形就可以三个角都平衡了。如果不能平衡就参考文档最下方Q&A。
6. WIFI调参功能只能是硬件正常情况下使用。如需修改参数，长按点赞触摸盘，可以打开wifi并停止电机。
7. 打开本项目内的python_gui内的可执行文件_main内的main.exe并连接上WIFI：ESP32 。点击设置开始调参。
   
8. 如果不能摇摆直立，推荐调整的参数为TA、SA、SV
9. K值可以用滑块调整，拖动滑块就会发送参数命令，但是调整到合适值之后需要自行在Arduino的main中修改再烧录一次
10. 滑条：最左边输入框为滑块下限，右边是滑块上限，滑条等分成200份，命令是字符串，滑动滑块发送字符串 + 数值
11. arduino文件夹为环境可以自行修改代码编译（simplefoc版本需要为2.3.11）

比如让平衡角度为90度，则输入：TA90，并且会存入eeprom的位置0中 注：wifi发送命令不能过快，因为每次都会保存进eeprom，K参数没有保存到EEPROM所以可以使用滑条调整。

参数命令	说明
TA	target_angle平衡角度 例如TA89.3 设置平衡角度89.3
SV	swing_up_voltage摇摆电压 左右摇摆的电压，越大越快到平衡态，但是过大会翻过头
SA	swing_up_angle摇摆角度 离平衡角度还有几度时候，切换到自平衡控制
VP1	速度环的PID的P，1是稳定在平衡角度之前的P值
VI1	速度环的PID的I，1是稳定在平衡角度之前的I值
VP2	速度环的PID的P，2是稳定后的P值
VI2	速度环的PID的I，2是稳定后的I值
K为LQR参数	3和4是速度控制稳定前和后
K31	LQR的参数1：稳定前的角度差值
K32	LQR的参数2：稳定前的左右倾倒加速度
K33	LQR的参数3：稳定前的当前速度
K41	LQR的参数1：稳定后的角度差值
K42	LQR的参数2：稳定后的左右倾倒加速度
K43	LQR的参数3：稳定后的当前速度

LQR算法解释：当三角形向←倾斜时，需要产生向→的力回正。

在电压控制下：回正力F直接和输出电压值挂钩，向←倾斜，电机提供正电压V动量轮向左加速转动，产生向右的力F。

期望电压 = 角度差值x参数1 + 左右倾倒加速度x参数2 + 当前速度x参数3

在速度控制下：回正力F和动量轮转速加速度a有关，F = ma，向←倾斜，电机需要向左加速转动，产生向右的力F。

期望速度 = 角度差值x参数1 + 左右倾倒加速度x参数2 + 当前速度x参数3

两者区别：电压和速度控制都可以实现平衡，但因为使用simpleFOC控制电机转速无法无限加速，本电机实验最高转速180转，电压到上限12v。

使用电压控制会遇到，电机一下子就到了转速上限，就不能提供稳定的力F，参数调起来比较困难。

速度控制可以在偏差变大的时候，根据期望速度产生最大电压12v，并且不会超过电机最高转速。

4 硬件设计

使用立创EDA绘制电路原理图，LaserMaker绘制莱洛三角形和动量轮（有激光切割机可以事先切割结构作为参考）。将绘制完的图形导入到立创EDA中可作为PCB的外框。丝印图案分别是Gawr Gura、ouro kronii helicopter

感谢嘉立创的PCB制板，使DIY电路制作变得非常便利

5 Ctrl+C +V（参考）

Arduino上的控制算法是原作者的LQR，无刷驱动为立创开源的EG2133方案。

Python的GUI是以SimpleFOC的SimpleFOCStudio为基础，添加wifi功能。

V2的充电电路是在立创广场开源的《CN3300 4串电池组板》方案基础上改的3串锂电池

PCB以及原理图技术支持——muyan

wifi效果以及按键面修复代码作者——muyan

1. 原作者：基于LQR控制器的自平衡莱洛三角形BV19v411n7mN
2. muyan立创链接https://oshwhub.com/muyan2020?tab=project&page=1
3. muyan git链接https://gitee.com/muyan3000
4. EG2133驱动参考https://oshwhub.com/acmetech-lceda/minifoc
5. 灯哥开源FOC https://gitee.com/ream_d/Deng-s-foc-controller
6. CN3300 4串电池组板https://oshwhub.com/583703056a/dian-chi-zu-ban_copy_copy
7. Arduino环境提供者https://github.com/kaliCYH

6 有用的地方

1. Arduino的程序中的command.h、command.cpp可以支持任意的字符串输入。在其他项目中一样可以用，无论是wifi接收到的字符串数据或者是串口的字符串数据。

2. GUI上位机可以在其他wifi项目中可以继续使用，用来调参还是很方便。

7 交流群

1. 45coll电子交流群:824113552(已满)
2. 45coll电子交流2群:587563225

8 Q&A

1. Q:设计图看不见了

A:立创版本管理问题，更新工程PCB后预览消失，需要查看项目PCB可以点下方点赞左边的克隆，将工程克隆到自己编辑器就可以查看

2. Q:全部焊接好后、无法烧录程序

A:需要使用三个锂电池供电才能正常工作，然后打开开关后确保mpu6050的供电有5V，然后esp32芯片供电有3.3V，其次才能烧录程序后RGB灯效能正常转三圈（说明程序烧录进去了）
供电不正常请检查焊接，可以去掉后级的MT2492芯片查看前级供电是否正常
供电正常无法烧录程序可以试试调换ch340烧录器的TX、RX的杜邦线

3. Q:烧录完成电机不转

A:烧录完成后RGB灯效转三圈，电机不动或抖动然后就灭了或者重启，那么是电机驱动部分电路没焊好，可以试试换掉电机驱动部分的六个AP2300mos管，换了mos管之后发现也不行可以换eg2133试试。（原因推测:电烙铁没有接地，焊接的时候静电击穿mos管）
小概率可能你忘记接电机线了，也可能接电机线的时候接反了，导致3p底座的2p短路了，更换3p底座可以解决。

4. Q:电机初始化正常，但是不平衡

A:可以试试重新电机初始化，电机初始化是指在第一次上电的时候电机能够顺滑的左右转动，进行磁编码器的电角度确定。重新初始化可以长按点赞的触摸盘然后重启。
如果是能够摇摆到平衡角度，但是平衡一两秒就倒下了，有90%可能是mpu6050的问题，需要进行更换。（作者：我做了数百个三角形后发现mpu6050坏的概率有5%，均更换新的好了）
更换mpu6050后还不好，玄学问题可以进群讨论（我遇到两个无论换了什么元器件也修不好的