Vista frontal de la PCB EZFOC V1 completamente ensamblada.
EZFOC V1 es mi proyecto de título con el cual obtuve el grado de Ingeniero de Ejecución en Electrónica. El proyecto se enfoca en el diseño, implementación y validación de un controlador de campo orientado (FOC) para motores brushless (BLDC), desarrollado desde cero abarcando tanto el diseño del hardware (PCB) como la programación del firmware en un microcontrolador de alto rendimiento STM32H743VIT6.
El principal objetivo del proyecto fue ofrecer una solución robusta y de altas prestaciones para aplicaciones exigentes, como la robótica de competencia (robots de sumo), donde el control preciso de torque y velocidad, junto con la capacidad de manejar altas corrientes, es fundamental.
Para una referencia completa y detallada, puedes consultar el Esquemático del Hardware y el Manuscrito del Proyecto de Título, ambos disponibles en la raíz de este repositorio.
- Control FOC (Field-Oriented Control): Permite un control de torque suave y eficiente, desacoplando el flujo magnético del par motor.
- Hardware Personalizado:
- PCB de 4 capas diseñada en Autodesk Eagle. Una parte del ensamblaje se realizó mediante el servicio de PCBA de JLCPCB, mientras que los componentes restantes fueron soldados manualmente.
- Inversor trifásico capaz de manejar altas corrientes (hasta 100A continuos por diseño, con MOSFETs en paralelo).
- Medición de corriente de fase en línea (inline), a la salida de cada pierna del inversor, con resistencias shunt y amplificadores INA240.
- Soporte para encoder magnético (AS5047P) para una realimentación de posición precisa.
- Firmware de Alto Rendimiento:
- Basado en un microcontrolador STM32H743VIT6 (ARM Cortex-M7 @ 480 MHz).
- Lazo de control ejecutado a 48 kHz en una interrupción de alta prioridad para garantizar el tiempo real.
- Uso intensivo de periféricos como Timers, ADC y DMA para minimizar la carga de la CPU.
- Comunicación USB (Virtual COM Port) para depuración y visualización de datos en tiempo real.
- Diseño Mecánico: Incluye soportes y acoples para el motor y el encoder diseñados en Autodesk Inventor e impresos en 3D.
El repositorio está organizado en varios directorios clave que separan las diferentes partes del proyecto. Para un acceso rápido, el esquemático final (esquematico PCB.pdf) y el manuscrito del proyecto (manuscrito Driver FOC...pdf) se encuentran en la raíz del repositorio.
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├── Firmware_H7/ # Código fuente del firmware para el STM32H7.
├── Hardware/ # Archivos de diseño de la PCB y modelos 3D.
├── datasheets/ # Hojas de datos de los componentes principales.
├── manuscrito/ # Documento de la tesis, gráficos y datos de validación.
├── fotos/ # Fotografías del hardware y montaje.
├── referencias/ # Documentos de referencia y papers utilizados.
└── util/ # Scripts y utilidades para depuración y análisis de datos.
Contiene todo el código fuente para el microcontrolador. El entorno de desarrollo es VSCode con la extensión stm32-for-vscode.
Board/: Lógica de aplicación principal. Aquí se implementan los módulos clave del controlador:FOC.c/.h: Algoritmo central de FOC (transformadas de Clarke, Park, etc.).PID.c/.h: Controladores PID para los lazos de corriente y velocidad.encoder.c/.h: Lógica para la lectura y procesamiento de datos del encoder.state_machine.c/.h: Máquina de estados para gestionar el funcionamiento del motor (calibración, run, stop).
Core/: Código base generado por STM32CubeMX.Src/main.c: Punto de entrada principal y bucle de baja prioridad.Src/stm32h7xx_it.c: Rutinas de servicio de interrupción (aquí vive el lazo FOC).
MakefileySTM32-for-VSCode.config.yaml: Archivos de configuración para la compilación gestionada por la extensión de VSCode.
Todos los archivos de diseño de la placa controladora "EZFOC V1".
3D/: Archivos de diseño mecánico (.ipt,.iamde Inventor) y modelos para impresión 3D (.stl) del soporte motor-encoder.EZFOC_V1.schyEZFOC_V1.brd: Archivos de esquemático y PCB de Autodesk Eagle.EZFOC_V1_bom.csvyEZFOC_V1_cpl.csv: Lista de materiales (BOM) y archivo de posicionamiento (CPL) para el ensamblaje automatizado.libs/: Librerías de componentes para Eagle, obtenidas de diversas fuentes y con algunas modificaciones menores.
manuscrito/: Contiene el documento de la tesis en formato LaTeX (.tex), junto con todas las imágenes, gráficos y datos (.csv) utilizados para la validación del controlador.util/: Herramientas de apoyo desarrolladas en Python.debug_FOC.py: Script para recibir datos del microcontrolador vía USB, graficarlos en tiempo real y guardarlos en CSV.reloj bruto.py: Script auxiliar para calcular y obtener las configuraciones de los PLLs para el sistema de reloj del STM32H7.Debug_LOGS/: Logs de datos capturados durante las pruebas.
Este proyecto está configurado para ser compilado utilizando Visual Studio Code con la extensión stm32-for-vscode.
(idealmente en linux o wsl)
- Visual Studio Code: El editor principal.
- Extensión
stm32-for-vscode: Búscala e instálala desde el marketplace de VSCode. - ARM GCC Toolchain: El compilador. La extensión
stm32-for-vscodesuele guiar en su instalación. - STM32CubeProgrammer: Herramienta para flashear el firmware en el microcontrolador.
Este proyecto sienta una base sólida, pero existen varias áreas de mejora identificadas durante el desarrollo:
- Protección de Hardware: Implementar un gate driver con protección anti-shoot-through integrada para mejorar la robustez del puente H.
- Optimización de Firmware: Migrar el código a C++ y utilizar un sistema operativo de tiempo real como FreeRTOS para una mejor organización y escalabilidad.
- Filtrado de Señal: Mejorar el filtrado de la corriente, ya sea con filtros analógicos pasivos en la PCB o algoritmos de filtrado digital más avanzados.
- Compensación de Cogging Torque: Implementar un algoritmo de calibración para reducir las vibraciones del motor a bajas velocidades.
- Rodrigo Fuentes Pedreros - eziron
Un proyecto desarrollado para la Universidad del Bío-Bío, Facultad de Ingeniería.