【STM32F4系列】【HAL库】电机控制(转速和角度)(PID实战1)

项目目标

实现电机最常使用的两个功能,转速控制和位置控制

使用PID闭环控制(控制线性系统最简单快捷的控制方法)

硬件搭建

为了实现控制电机转动和闭环控制

需要:

1. 电机(废话)
2. 编码器(霍尔编码器或者光电编码器均可)
3. 电机驱动(这里选的是l298n模块)

千万注意黑色的地线,单片机的地要与12V的地(L298n的地)连接

HAL初始化

定时器

PWM

使用硬件PWM输出,定时器1,输出两路PWM分别代表PWM1和PWM2

设置频率为2.4KHz(约417us),最大占空比5000

使用通道1和2,其余均默认设置

定时器1初始化设置(生成的代码),里开启定时器与PWM输出

HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1);
HAL_TIM_Base_Start(&htim1);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_2);

编码器

使用定时器的编码器模式,双边沿计数,默认设置就可

定时器2的初始化设置里加入,开启编码器模式和定时器

  HAL_TIM_Encoder_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_ALL); //开启编码器模式
  HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);
  HAL_TIM_Base_Start(&htim2);

定时器中断

每10ms触发一次中断,用于计算PID

注意要打开中断

开启定时器中断

  HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);
  HAL_TIM_Base_Start(&htim3);

串口

用于调试,默认设置就可,使用printf重定向,无需开启中断

基础驱动

获取速度

定时10ms读取一次编码器的计数值并清零,计算速度

电机是15线霍尔传感器,34:1减速比

详情看这个博客,传送门

float Get_Speed()
{
    int16_t zj;
    float Speed = 0;
    zj = __HAL_TIM_GetCounter(&Encoder_TIM_Handle);
    __HAL_TIM_SetCounter(&Encoder_TIM_Handle, 0);
    Speed = (float)zj / (4 * 15 * 34) * 100 * 60;

    return Speed;
}

获取角度

间隔一段时间读取编码器的计数值(清零操作交由速度获取函数处理)

调用时需要将函数的输出值进行累加

float Get_Angle()
{
    int16_t zj;
    float angle = 0;
    zj = __HAL_TIM_GetCounter(&Encoder_TIM_Handle);
    angle = (float)zj / (4 * 15 * 34) * 360;
    return angle;
}

电机控制

通过更改PWM的占空比来控制电机转速

void motor(int16_t Speed)
{
    if (Speed == 0)
    {
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&Motor_TIM_Handle, Motor_TIM_Channel1, Motor_MAX_Duty + 1);
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&Motor_TIM_Handle, Motor_TIM_Channel2, Motor_MAX_Duty + 1);
    }
    else if (Speed > 0)
    {
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&Motor_TIM_Handle, Motor_TIM_Channel1, Speed);
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&Motor_TIM_Handle, Motor_TIM_Channel2, 0);
    }
    else if (Speed < 0)
    {
        Speed *= -1;
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&Motor_TIM_Handle, TIM_CHANNEL_1, 0);
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&Motor_TIM_Handle, TIM_CHANNEL_2, Speed);
    }
}

PID

使用增量式PID

PID原理请看,传送门

typedef struct __PID_Increment_Struct
{
    float Kp, Ki, Kd;  //系数
    float Error_Last1; //上次误差
    float Error_Last2; //上次误差
    float Out_Last;    //上次输出
} PID_Increment_Struct;

float PID_Increment(PID_Increment_Struct *PID, float Current, float Target)
{
    float err,                                                                                                       //误差
        out,                                                                                                         //输出
        proportion,                                                                                                  //比例
        differential;                                                                                                //微分
    err = (float)Target - (float)Current;                                                                            //计算误差
    proportion = (float)err - (float)PID->Error_Last1;                                                               //计算比例项
    differential = (float)err - 2 * (float)PID->Error_Last1 + (float)PID->Error_Last2;                               //计算微分项
    out = (float)PID->Out_Last + (float)PID->Kp * proportion + (float)PID->Ki * err + (float)PID->Kd * differential; //计算PID
    PID->Error_Last2 = PID->Error_Last1;                                                                             //更新上上次误差
    PID->Error_Last1 = err;                                                                                          //更新误差
    PID->Out_Last = out;                                                                                             //更新上此输出
    return out;
}

速度环

速度环设计

速度环就是让电机保持固定转速的PID控制系统

逻辑框图如下,

通过编码器获得转速送到输入作为反馈

输出通过控制PWM(正负和占空比)来控制电机转速

输入的是目标的转速

注意:PID的系数与间隔时间有关,PID需要间隔固定的时间进行调用

那编程的思路就很明显了,我们使用一个定时器中断,在固定的时间(10ms)调用计算一次PID

在这个定时器中断里,我们首先读取转速,之后压入PID进行计算,再将PWM给到电机就行

为了便于观察,这里加上了使用Printf通过串口发送给上位机显示的功能

这里的PID的参数是我调好的

PID_Increment_Struct PID_Speed = {3, 0.6, 0.6};
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    float Speed = 0;
    int16_t set_speed = 0;
    if (htim == &htim2)
    {
    }
    else if (htim == &htim3)
    {//10ms中断
        Speed = Get_Speed();//获取转速
        mb_speed = 3000;
        set_speed = PID_Increment(&PID_Speed, Speed, mb_speed);//PID

        if (set_speed > 5000)
            set_speed = 5000;
        else if (set_speed < -5000)
            set_speed = -5000;//限幅

        if (set_speed > 500 || set_speed < -500)//死区控制,改善电机异响
            motor(set_speed);
        
        printf("%f,%f\r\n", Speed,mb_speed);//打印当前和目标转速
    }
}

速度环调参

调试顺序

这个是我用的电机,从某个车模上拆的,带有15线霍尔传感器,34:1减速比,额定电压12V,额定转速350 r/min

速度环是PID控制器,

我们的调整顺序是P->I->D

下面的图.横轴是时间,红线代表的是当前转速,绿线代表目标转速

P(比例)

比例部分是绝对的主力

如果P的极性错误,则电机会反相开到最大转速

我们从小向大调

Kp=1,Ki=0

我们可以看到,电机不转动,只有异响,说明Kp过小(至少一个数量级)

我们增大Kp,令Kp=10,Ki=0

可以看到,电机已经开始转动,但是距离需要的转速过远(Kp在同等数量级了)

我们继续增大Kp,令Kp=30,Ki=0

这时发现,转速已经达到了目标转速的2/3以上

这时我们继续增大Kp

Kp增大到80

发现并没有继续接近目标值很多了

这时再增加Kp也不会更接近目标值了

我们需要引入Ki了

这里放个Kp过大的现象,Kp=700

这种是电机来不及反应造成的

I(积分)

积分项是用于消除静态偏差(也就是Kp在合理范围内变大也无法继续接近目标值的现象)

我们让Kp=30开始调Ki

如果Ki的极性错误,则会出现如下图,即电机来回震荡运动

Kp=80,Ki=1

发现已经可以达到目标值了,回正速度比较慢,我们继续增大Ki(同一数量级)

Kp=80,Ki=5

这时就已经比较完美了,符合了我的要求了

如果自己的要求更高,可以减少步进值慢慢调一下

总结

到了这里,速度环PID我们已经调完了

转速已经可以稳定了

这是调节位置环的前提

位置环

位置环设计

位置环是建立在速度环之上的

使用串级PID进行控制,内环是速度环,外环是位置环

可以加快收敛速度,提高抗干扰能力

我们的策略是当误差大于一圈(>360°或<-360°)时让电机自己以300r/min旋转,不引入PID控制

当误差在一圈内时,使用PID控制

加入位置环的代码如下

PID_Increment_Struct PID_Speed = {3, 0.6, 0.6};
PID_Increment_Struct PID_Angle = {3.1, 0, 0.06};

float angle;//角度
int aa = 0;//目标角度
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    float Speed = 0;
    int16_t set_speed = 0;
    float mb_speed;//目标速度
    if (htim == &htim2)
    {
    }
    else if (htim == &htim3)
    {
        angle += Get_Angle();
        Speed = Get_Speed();
        mb_speed = (int16_t)PID_Increment(&PID_Angle, angle, aa);

        if (PID_Angle.Error_Last1 > 360)
            mb_speed = 300;
        else if (PID_Angle.Error_Last1 < -360)
            mb_speed = -300;
        // mb_speed = 300;
        set_speed = PID_Increment(&PID_Speed, Speed, mb_speed);

        if (set_speed > 5000)
            set_speed = 5000;
        else if (set_speed < -5000)
            set_speed = -5000;

        if (set_speed > 500 || set_speed < -500)//改善死区
            motor(set_speed);
        //printf("%f\r\n", Speed);
        Speed = aa;
        printf("%f,%f\r\n", angle, Speed);//输出当前和目标角度
    }
}

位置环调参

只使用了P即可达到要求

注意,再位置环调整之前,要将速度环调整完毕

下图的横坐标是时间,红线是当前转动角度,绿线是目标角度

P调参

Kp=1时,设置的目标值是4000

前面的直线部分是误差大于一圈的,以固定转速旋转

最后的误差很小了

Kp=3

目标值每隔2s从-400到400

成品

GitHub

电机位置环，串级pid

电机速度环和位置环PID调参教程