使用stm32实现电机的PID控制
使用stm32实现电机的PID控制
PID控制应该算是非常古老而且应用非常广泛的控制算法了，小到热水壶温度控制，大到控制无人机的飞行姿态和飞行速度等等。在电机控制中，PID算法用的尤为常见，本文将由浅入深介绍使用stm32实现电机的PID控制，希望能帮助到有需要的人。
文章目录
- 使用stm32实现电机的PID控制
- 一、电机基本控制
- 1. 1.器件准备和接线
- 1.2.代码展示
- 1.3.效果展示
- 二、电机速度读取
- 2.1.定时器输入捕获法
- 2.1.1.定时器输入捕获内部结构
- 2.1.2.代码展示
- 2.2.外部中断法
- 2.2.1.外部中断法简介
- 2.2.2.代码展示
- 2.2.3.效果展示
- 三、位置式PID
- 3.1.计算公式
- 3.2.C语言实现
- 四、增量式PID
- 4.1.计算公式
- 4.2.C语言实现
- 五、串级PID
- 六、P、I、D各个参数的作用
- 总结
直接上代码仓库链接：gitee-基于stm32的PID电机控制源码
一、电机基本控制
直流电机的内部结构和工作原理其实在高中的物理教材上就已经讲过，这里主要讨论用单片机和电机驱动模块驱动一个直流电机。
1. 1.器件准备和接线
本文介绍使用的单片机型号是stm32f103rct6，也可以用c8t6。
电机驱动选择TB6612
直流电机选择这种带霍尔传感器的编码电机，12V，减速比1/30，速度330rpm。
为了方便观察和操作，使用了一块0.96寸的OLED
接线
模块引脚 单片机引脚 OLED_SCL PB8 OLED_SDA PB9 按键K1 PC9 按键K2 PC8 TB6612_AIN1 PB12 TB6612_AIN2 PB13 编码器A相 PB6 编码器B相 PB7 1.2.代码展示
TB6612的驱动非常简单，使用到两个普通的GPIO输出高低电平控制电机正反转，再使用一个复用定时器的IO生成一个PWM控制电机转速即可。
motor.c部分代码如下：
#include "motor.h" /** * @brief 电机方向控制引脚设置 * @param None * @retval None */ static void motor_gpio_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); //使能PB端口时钟 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12|GPIO_Pin_13; //端口配置 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //推挽输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //50M GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //根据设定参数初始化GPIOB } /** * @brief 定时器初始化 * @param arr：自动重装值,设为一个时钟频率的最大值 * @param psc： 预分频值 * @retval None */ void Motor_PWM_Init(u16 arr,u16 psc) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; motor_gpio_Init(); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);// RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA , ENABLE); //使能GPIO外设时钟使能 //设置该引脚为复用输出功能,输出TIM1 CH1 CH4的PWM脉冲波形 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11; //TIM_CH1 //TIM_CH4 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //复用推挽输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值 不分频 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上计数模式 TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位 TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式1 TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能 TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; //设置待装入捕获比较寄存器的脉冲值 TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性:TIM输出比较极性高 TIM_OC4Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure); //根据TIM_OCInitStruct中指定的参数初始化外设TIMx TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1,ENABLE); //MOE 主输出使能 TIM_OC4PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable); //CH4预装载使能 TIM_ARRPreloadConfig(TIM1, ENABLE); //使能TIMx在ARR上的预装载寄存器 TIM_Cmd(TIM1, ENABLE); //使能TIM1 }使用一个函数即可，输入的是带符号的整型变量，正负号代表选择方向，绝对值代表占空比。
/** * @brief 电机输出控制 * @param motor_pwm: 占空比 0-7200 * @retval None */ void Set_Pwm(int motor_pwm) { if(motor_pwm>0) { BIN1=1; BIN2=0; //前进 } else if(motor_pwm BIN1=0; BIN2=1; //后退 } else //停止 { BIN1=0; BIN2=0; } PWMB=myabs(motor_pwm); TIM_SetCompare4(TIM1, PWMB); } RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure; TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 65536 - 1; //ARR TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 1 - 1; //PSC TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0; TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseInitStructure); TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure; TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure); TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1; TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0xF; TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStructure); TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2; TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0xF; TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStructure); /*TI1和TI2都计数，上升沿计数*/ TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising); TIM_Cmd(TIM4, ENABLE); } /** * @brief 获取定时器的计数值 * @param None * @retval None */ int16_t Encoder_Get(void) { int16_t Temp; Temp = TIM_GetCounter(TIM4); TIM_SetCounter(TIM4, 0); return Temp; } if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) == SET) { Speed = Encoder_Get(); TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update); } } float Distance,Velocity; Distance= 2*3.14159*34/(4*11*30);//单位是mm Velocity= encoder*Distance/0.1; //单位是mm/s。0.1就是编码器计数周期100ms，0.1s return Velocity; } GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStruct; NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE); GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD; GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE); //设置IO口与中断线的映射关系 GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB,GPIO_PinSource6); GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB,GPIO_PinSource7); //4.初始化线上中断 EXTI_InitStruct.EXTI_Line = EXTI_Line6 | EXTI_Line7; EXTI_InitStruct.EXTI_LineCmd = ENABLE; EXTI_InitStruct.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt; EXTI_InitStruct.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising_Falling;//跳变沿触发 EXTI_Init(&EXTI_InitStruct); //5.配置中断分组 NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = EXTI9_5_IRQn; NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; NVIC_Init(&NVIC_InitStruct); } /** * @brief 中断服务函数，采用4倍频测速 * @param None * @retval None */ int Encoder_EXTI=0; void EXTI9_5_IRQHandler(void) { if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line6) != RESET)//右轮A相 PB6 { EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line6); //清除LINE上的中断标志位 if(PBin(6)==0) //这里判断检测到的是否是下降沿 { if(PBin(7)==0) Encoder_EXTI++;//B相的电平如果是低，电机就是正转加1 else Encoder_EXTI--;//否则就是反转减1 } else //上升沿 { if(PBin(7)==1) Encoder_EXTI++; //B相电平如果为高，电机就是正转加1 else Encoder_EXTI--;//否则就是反转减1 } } if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line7) != RESET)//右轮B相 PB7 { EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line7); //清除LINE上的中断标志位 if(PBin(7)==0) //这里判断检测到的是否是下降沿 { if(PBin(6)==1) Encoder_EXTI++;//A相的电平如果是高，电机就是正转加1 else Encoder_EXTI--;//否则就是反转减1 } else //上升沿 { if(PBin(6)==0) Encoder_EXTI++; //A相电平如果为低，电机就是正转加1 else Encoder_EXTI--;//否则就是反转减1 } } } /** * @brief 获取中断的计数值 * @param None * @retval None */ int16_t Encoder_Get(void) { int16_t Temp; Temp = Encoder_EXTI; Encoder_EXTI =0; return Temp; } /** * @brief 定时器中断，每100ms更新一次速度 * @param None * @retval None */ void TIM2_IRQHandler(void) { if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) == SET) { Speed = Encoder_Get(); TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update); } } float target_val; //目标值 float Error; /*第 k 次偏差 */ float LastError; /* Error[-1],第 k-1 次偏差 */ float PrevError; /* Error[-2],第 k-2 次偏差 */ float Kp,Ki,Kd; //比例、积分、微分系数 float integral; //积分值 float output_val; //输出值 }PID; PosionPID.target_val=3600; PosionPID.output_val=0.0; PosionPID.Error=0.0; PosionPID.LastError=0.0; PosionPID.integral=0.0; PosionPID.Kp = 10; PosionPID.Ki = 0.5; PosionPID.Kd = 0.8; } /*计算目标值与实际值的误差*/ pid-Error = pid->target_val - actual_val; /*积分项*/ pid->integral += pid->Error; /*PID算法实现*/ pid->output_val = pid->Kp * pid->Error + pid->Ki * pid->integral + pid->Kd *(pid->Error -pid->LastError); /*误差传递*/ pid-> LastError = pid->Error; /*返回当前实际值*/ return pid->output_val; }函数入口参数为编码器的速度测量值和PID参数的结构体，返回值为电机控制 PWM。
四、增量式PID
4.1.计算公式
增量式PID也称速度环PID，速度闭环控制就是根据单位时间获取的脉冲数（这里使用了 M 法测速）测量电机的速度信息，并与目标值进行比较，得到控制偏差，然后通过对偏差的比例、积分、微分进行控制，使偏差趋向于零的过程。
在我们的速度控制闭环系统里面只使用 PI 控制，因此对 PID 控制器可简化为以下公式：
控制框图和位置式的一样的。
上图中的目标速度一般我们可以通过按键或者开关等方式编程实现改变目标值，测量速度前面在编码器的章节已经有说到就是通过单片机定时去采集编码器的数据并清零。目标速度和测量速度之间做差这个就是目前系统的偏差。送入 PID 控制器进行计算输出，然后再经过电机驱动的功率放大控制电机的转动去减小偏差， 最终达到目标速度的过程。
4.2.C语言实现
增量式 PID 的结构体定义和成员初始化和位置式一样的，通过 C 语言实现的代码如下：
/** * @brief 速度PID算法实现 * @param actual_val:实际值 * @note 无 * @retval 通过PID计算后的输出 */ float addPID_realize(PID *pid, float actual_val) { /*计算目标值与实际值的误差*/ pid->Error = pid->target_val - actual_val; /*PID算法实现，照搬公式*/ pid->output_val += pid->Kp * (pid->Error - pid-> LastError) + pid->Ki * pid->Error + pid->Kd *(pid->Error -2*pid->LastError+pid->PrevError); /*误差传递*/ pid-> PrevError = pid->LastError; pid-> LastError = pid->Error; /*返回当前实际值*/ return pid->output_val; }函数入口参数为编码器的速度测量值和PID参数的结构体，返回值为电机控制 PWM，可以看出增量式PID只与最近三次的测量值有关。
五、串级PID
串级PID就是先输入位置PID再经过速度PID,最后再输出。
六、P、I、D各个参数的作用
自动控制系统的性能指标主要有三个方面：稳定性、快速性、准确性。
稳定性：系统在受到外作用后，若控制系统使其被控变量随时间的增长而最终与给定期望值一致，则称系统是稳定的，我们一般称为系统收敛。如果被控量随时间的增长，越来越偏离给定值，则称系统是不稳定的，我们一般称为系统发散。稳定的系统才能完成自动控制的任务，所以，系统稳定是保证控制系统正常工作的必要条件。一个稳定的控制系统其被控量偏离给定值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小并趋于零。
快速性：快速性是指系统的动态过程进行的时间长短。过程时间越短，说明系统快速性越好，过程时间持续越长，说明系统响应迟钝，难以实现快速变化的指令信号。稳定性和快速性反映了系统在控制过程中的性能。系统在跟踪过程中，被控量偏离给定值越小，偏离的时间越短，说明系统的动态精度偏高。
准确性：是指系统在动态过程结束后，其被控变量（或反馈量）对给定值的偏差而言，这一偏差即为稳态误差，它是衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。
在实践生产工程中，不同的控制系统对控制器效果的要求不一样。比如平衡车、倒立摆对系统的快速性要求很高，响应太慢会导致系统失控。智能家居里面的门窗自动开合系统，对快速性要求就不高，但是对稳定性和准确性的要求就很高，所以需要严格控制系统的超调量和静差。
总结
本文主要介绍了在电机的PID控制中常用的位置式PID和增量式PID。
上述代码见仓库链接：gitee-基于stm32的PID电机控制源码
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