【STM32】使用HAL库进行电机速度环PID控制，代码+调参

主控：STM32F103C8T6

1. 电机测速

在进行速度控制之前，我们首先需要进行速度采样，这里参见这篇博文

2. 电机驱动

​ 这里不细说电机驱动模块的选型和使用，而是说一个常见的误区。我们驱动电机要使用两路PWM，一般是一路给PWM信号，一路是纯低电平。但这其实是不好的，正确的做法是一路给PWM，另一路给纯高电平。此时PWM的占空比越低，电机的速度越快。

​ 如果大家使用的是类似于A4950或者DRV8870这样的电机驱动芯片，它们的数据手册中都会有这样的描述

​ 这是DRV8870的，明确说明了PWM加高电平是最佳控制方式。

这是A4950的，用曲线图的方式说明了PWM加高电平时电流会更加稳定。

​ 此外，如果使用PWM加高电平的控制方式，在设置速度为0时，两路信号都会输出纯高电平，此时会触发芯片的刹车模式，使得电机快速停止转动，避免我们制作的小车出现刹不住车的情况。

3. 速度环实现

​ PID的原理就不赘述了，我们直接看代码。

​ 现在我们已经在定时器中断中完成了电机的速度采样，得到了电机的速度，接下来我们需要进行PID计算，并输出相应占空比的PWM给电机。

​ 但是在此之前，我们需要编写PID的计算函数和进行相关初始化，下面是代码

PID.h部分

#ifndef _PID_H_
#define _PID_H_

#include "stm32f1xx.h"
#include "encoder.h"
#include 
#include "control.h"

//PID三个参数的值
#define KP_speed 2
#define KI_speed 0
#define KD_speed 0

typedef struct _PID//PID参数结构体
{
    float kp,ki,kd;
    float err,lastErr;
    float integral,maxIntegral; //积分值
    float output,maxOutput;
}PID;

void PID_Init(void);
float Speed_PID_Realize(PID* pid,float target,float feedback);//一次PID计算

PID.c部分

#include "pid.h"
PID pid_speed;

/**********************************
 * 功能：PID结构体参数初始化
 * 输入：无
 * 返回：无
 * *******************************/
void PID_Init(void)//PID参数初始化
{
    pid_speed.err = 0;
    pid_speed.integral = 0;
    pid_speed.maxIntegral = 1000; 
    pid_speed.maxOutput = __HAL_TIM_GetAutoreload(&PWM_TIM);
    pid_speed.lastErr = 0;
    pid_speed.output = 0;
    pid_speed.kp = KP_speed;
    pid_speed.ki = KI_speed;
    pid_speed.kd = KD_speed;
}

/****************************************
 * 作用：速度环PID计算
 * 参数：PID参数结构体地址；目标值；反馈值
 * 返回值：无
 * ****************************************/
float Speed_PID_Realize(PID* pid,float target,float feedback)//一次PID计算
{
    pid->err = target - feedback;
    if(pid->err < 0.3 && pid->err > -0.3) pid->err = 0;//pid死区
    pid->integral += pid->err;
    
    if(pid->ki * pid->integral < -pid->maxIntegral) pid->integral = -pid->maxIntegral / pid->ki;//积分限幅
    else if(pid->ki * pid->integral > pid->maxIntegral) pid->integral = pid->maxIntegral / pid->ki;

    if(target == 0) pid->integral = 0; // 刹车时清空i


    pid->output = (pid->kp * pid->err) + (pid->ki * pid->integral) + (pid->kd * (pid->err - pid->lastErr));//全量式PID

    //输出限幅
    if(target >= 0)//正转时
    {
        if(pid->output < 0) pid->output = 0;
        else if(pid->output > pid->maxOutput) pid->output = pid->maxOutput;
    }
    else if(target < 0)//反转时
    {
        if(pid->output < -pid->maxOutput) pid->output = -pid->maxOutput;
        else if(pid->output > 0) pid->output = 0;
    }

    pid->lastErr = pid->err;
    if(target == 0) pid->output = 0; // 刹车时直接输出0
    return pid->output;
}

​ 这里的速度环代码在一般的PID上加了点东西。首先是PID死区，即err值很小时认为err=0，让速度发生很小的抖动时，PID输出不会变化，避免大幅度震荡的产生；其次是当目标值为0的时候让积分部分和输出同时等于0，使刹车更加迅速。

​ PID_Init()函数需要放在main.c的循环之前，Speed_PID_Realize()函数需要放在定时器中断的电机测速部分后面。

​ 所以现在的定时器中断函数如下

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)//定时器回调函数，用于计算速度和PID计算
{	
    if(htim->Instance==GAP_TIM.Instance)//间隔定时器中断，是时候计算速度了
    {
        /**********************************电机测速************************************/
        motor1.direct = __HAL_TIM_IS_TIM_COUNTING_DOWN(&ENCODER_TIM);//如果向上计数（正转），返回值为0，否则返回值为1
        motor1.totalCount = COUNTERNUM_1 + motor1.overflowNum * RELOADVALUE_1;//一个周期内的总计数值等于目前计数值加上溢出的计数值
        
        if(motor1.lastCount - motor1.totalCount > 19000) // 在计数值溢出时进行防溢出处理
        {
            motor1.overflowNum++;
            motor1.totalCount = COUNTERNUM_1 + motor1.overflowNum * RELOADVALUE_1;//一个周期内的总计数值等于目前计数值加上溢出的计数值
        }
        else if(motor1.totalCount - motor1.lastCount > 19000) // 在计数值溢出时进行防溢出处理
        {
            motor1.overflowNum--;
            motor1.totalCount = COUNTERNUM_1 + motor1.overflowNum * RELOADVALUE_1;//一个周期内的总计数值等于目前计数值加上溢出的计数值
        }
        
        motor1.speed = (float)(motor1.totalCount - motor1.lastCount) / (4 * MOTOR_SPEED_RERATIO * PULSE_PRE_ROUND) * 3000;//算得每秒多少转,除以4是因为4倍频
        motor1.speed = Speed_Low_Filter(motor1.speed,speed_Record);
        motor1.lastCount = motor1.totalCount; //记录这一次的计数值
        
        /***************************PID速度环**********************************/
        motor_Out = Speed_PID_Realize(&pid_speed,Target_Speed,motor1.speed);
        //Target_Speed是目标速度，自行定义就好
        if(motor_Out >= 0)
    	{
        __HAL_TIM_SetCompare(&MOTOR1_TIM, MOTOR1_CHANNEL_FORWARD, 1000);
        __HAL_TIM_SetCompare(&MOTOR1_TIM, MOTOR1_CHANNEL_BACKWARD, 1000-motor_Out);
    	}
    	else
    	{
        __HAL_TIM_SetCompare(&MOTOR1_TIM, MOTOR1_CHANNEL_BACKWARD, 1000);
        __HAL_TIM_SetCompare(&MOTOR1_TIM, MOTOR1_CHANNEL_FORWARD, 1000+motor_Out);
    	}
        /**********************************************************************/
    }
}

如果觉得定时器中断函数看起来很乱，可以将测速和PID分别封装成函数，定时器中断负责调用函数即可。

现在我们就已经能实现电机的速度环控制了，剩下的就是进行PID调参了。

4. 速度环调参

这里需要说明一下，我给电机测速加上了平均滤波，PID参数在滤波和不滤波的情况下会有比较大的区别

电机速度环比较好调，我的调参经验是这样：

1. 先让I=D=0，使P从很小值开始增加，直到电机的速度达到目标速度的一半左右。
2. 一点点增大I，使得电机的速度能够很快达到目标值，哪怕有点震荡、超调也没事。
3. 增大D，使超调和震荡逐步减小，还剩有一点点超调就行了。保留一点点超调是为了使达到稳定所需的时间比较短。

为了更好地进行PID调参，我们最好使用能画曲线的串口上位机，这里推荐VOFA+，使用VOFA+进行PID调参可以看这里

速度环调得好的效果应该是这样的：

上图中，绿线是电机的实际速度，红线是电机的目标速度。我们主要检查以下几点：

1. 从静止到正最大转速
2. 从正最大转速到反最大转速
3. 从正最大转速或反最大转速到静止

如果电机到正反最大转速所需时间较短，有一点点超调，没有震荡；到静止时所需时间很短，且没有震荡，那么就说明速度环调好了。

下图展示了速度环调好后电机速度稳定和停下来所需的时间

电机速度稳定需要60ms左右，而停下来只需要20ms左右

当然不同电机不同环境下情况会不一样，我这里只是一个参考。