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simplefoc/Arduino-FOC-reaction-wheel-inverted-pendulum
机器人电机驱动板
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🧩 软硬件结合
已发布
项目简介
Reaction wheel inverted pendulum project based on the Arduino Simple FOC library and SimpleFOC shied.
这是一个基于Arduino SimpleFOC库和SimpleFOC Shield开发的反作用轮倒立摆项目，旨在利用无刷直流电机（BLDC）的磁场定向控制（FOC）技术，构建一个稳定且响应迅速的倒立摆系统。该项目核心解决了传统倒立摆控制中电机扭矩不足、需要齿轮箱导致回程间隙、以及高速运转才能获得大扭矩等问题。通过采用BLDC电机，项目实现了高扭矩重量比、低转速下的大扭矩输出以及无齿轮箱的平滑运行，从而让倒立摆的稳定控制变得更为简单和可靠。
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项目特点
采用BLDC无刷直流电机，实现高扭矩重量比，无需齿轮箱即可获得足够扭矩
基于SimpleFOC库实现磁场定向控制（FOC），电机响应迅速、运行平滑
使用SimpleFOC Shield驱动板，硬件集成度高，接线简单
支持多种传感器方案，可选用磁编码器或光学编码器进行角度反馈
开源硬件设计，所有原理图、PCB文件、固件代码均可自由获取和修改
控制算法成熟，包含PID控制器和状态观测器，系统稳定性好
技术规格
| 主控芯片 | Arduino（Uno/Nano/Mega等） |
|---|---|
| 电机驱动板 | SimpleFOC Shield |
| 电机类型 | 无刷直流电机（BLDC） |
| 控制方式 | 磁场定向控制（FOC） |
| 编码器类型 | 磁编码器（如AS5600）或光学编码器 |
| 供电电压 | 12V DC |
| 最大电机电流 | 5A（取决于Shield版本） |
| 控制频率 | 1-10 kHz（FOC循环） |
| 传感器分辨率 | 12-14位（磁编码器） |
| 摆杆长度 | 约15-25cm（可调） |
| 反作用轮直径 | 约5-8cm |
项目资源
搜索资源
物料清单 (BOM)
| 物料名称 | 数量 | 参考价格 | 备注 |
|---|---|---|---|
| Arduino Uno/Nano/Mega | 1 | — | 任选一款 |
| SimpleFOC Shield | 1 | — | 用于驱动BLDC电机 |
| BLDC无刷直流电机 | 1 | — | 建议选择高扭矩型号 |
| 磁编码器（如AS5600） | 1 | — | 用于检测电机转子位置 |
| 12V DC电源适配器 | 1 | — | 电流建议≥3A |
| 3D打印摆杆底座 | 1 | — | 可自行打印或定制 |
| 反作用轮（飞轮） | 1 | — | 直径约5-8cm |
| 杜邦线/排线 | 若干 | — | 用于电路连接 |
| IMU（可选） | 1 | — | 用于姿态检测，如MPU6050 |
3D 模型
能力画像
**记忆与知识检索**：3/5 — 需要查阅SimpleFOC库文档、电机参数和PID调参资料
**动手与操作**：4/5 — 需要组装机械结构、连接电路、焊接线缆
**编程与算法**：4/5 — 需要编写Arduino代码，配置FOC参数，调优PID控制器
**设计与建模**：3/5 — 需要设计或修改3D打印结构件，调整摆杆长度和飞轮尺寸
**实验与调试**：5/5 — 需要反复调试PID参数、传感器校准、系统稳定性测试
**协作与分享**：2/5 — 项目以个人开发为主，但可参与社区讨论和贡献代码
**学习与研究**：4/5 — 需要理解FOC控制原理、倒立摆动力学、状态空间控制
**系统集成**：4/5 — 需要将电机、传感器、控制器、机械结构集成为一个完整系统
项目图库
所需技能
Arduino编程基础
无刷直流电机（BLDC）基本原理
磁场定向控制（FOC）基础知识
PID控制器调参经验
3D打印或机械加工基础
电路连接和焊接技能
传感器（编码器、IMU）使用经验
控制系统理论（状态空间、观测器）基础
适用场景
高校控制理论课程教学演示
机器人学与机电一体化实验项目
嵌入式系统与电机控制学习平台
创客空间和开源硬件爱好者项目
倒立摆控制算法研究与验证
自动化专业毕业设计或课题研究
工业伺服控制技术入门实践