【手把手带你用pid算法控制电机】——（2）PID速度环

目录

前言

 1. PID速度环原理

2. 代码

2.1 main.c

2.2 pid.c

2.4 pid.h

2.5 main.h

 3. pid调参

 按照我配置的定时器中断和PWM情况，将速度PID系数调成以下值得到的电机转动结果比较合适。

 Velocity_KP=4.5,Velocity_KI=0.1,Velocity_KD=0; 

 4. 小结

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前言

1、该系列教程是基于stm32f103c8t6最小系统板的hal库开发，用最通俗易懂的方式手把手带你学会使用Pid算法的速度环、位置环以及速度位置串级pid。

2、出这一期Pid系列教程的想法是前段时间我参加了一个比赛，要用到串级Pid的功能，可是我发现网上的教程要么是零零散散的，没有集中一起讲解这三个功能的，要么就是写的内容不够简单直接，基础没那么好的同学学起来会很吃力。为了用最直观的步骤和最简单的代码带大家一起掌握使用pid控制电机的能力，我打算出一期完整的、通俗易懂的系列教程，同时也作为对我前段时间学习内容的总结。

3、Pid算法涉及到的内容很多，值得我们去深入地研究去发现它的美，pid算法的学习不仅仅是理论上的理解，要去实践，实现把速度、位置控制好的功能。移植好pid算法以后的调参也是一门学问呢！哈哈哈，所以掌握pid并不是一件容易的事情，不过我已经把串级pid实现了，请相信我会带着大家一起从头到尾一点一点实现！

本章节要实现的功能是使用pid速度环控制电机，最终达到的效果是电机以设定的速度转动，且速度响应快，大小准确，抗干扰能力强。

大家会学会：

（1）使用PID速度环控制电机；

（2）如何调pid算法的参数；

学习本章前建议大家先学习完：【手把手带你用pid算法控制电机】——（1）编码器电机和0.96寸OLED显示屏的使用

本文内容是在前面代码的基础上进行编写的。

 1. PID速度环原理

速度环用的是增量式PID算法，什么是增量式PID在我的这篇文章：位置式Pid和增量式Pid的定义及应用

已经讲的比较清楚，这里不做多余阐述。

2. 代码

2.1 main.c

（1）为了方便调pid的参数，我们可以使用vofa上位机；cubmx配置一个串口，这边使用的是串口1，波特率配置的是115200，所以串口助手中我配置的波特率也是115200。

（2）我这里也将串口1重定向了，这样在上位机上打印数据比较方便。

/* USER CODE BEGIN PV */
int16_t  speed,encoder_counter;

//float Position_KP=0.18,Position_KI=0.002,Position_KD=0; //位置PID系数
float Velocity_KP=4.5,Velocity_KI=0.1,Velocity_KD=0; //速度PID系数
int Encoder,Target_Velocity=30;
int Moto,Position_Moto;//电机PWM变量
int limit_a;
//int Position,Target_Position=850; //位置和目标位置自己设定


/* USER CODE END PV */

/* USER CODE BEGIN 0 */

/**
 * @function: void GET_NUM(void)
 * @description: 使用STM32编码器模式，读取编码器产生的脉冲值
 * @param {*} 
 * @return {*}
 */
void GET_NUM(void)
{
	encoder_counter=(short) __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3);
	__HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim3,0);//将编码器模式的定时器清零
}

/**
 * @function:void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
 * @description: 定时器中断回调函数，0.1S中断一次并计算转速，将电机转速以及编码器产生的脉冲数显示在OLED屏上
 * @param {TIM_HandleTypeDef *htim} 
 * @return {*}
 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
	if(htim==&htim1)
	{
		//key_flag=1;
		GET_NUM();//得到所记录的脉冲数 
		//Position+=encoder_counter;
		//Position_Moto = Position_PID(Position,Target_Position);
		//limit_a=Xianfu(Position_Moto,myabs(Target_Velocity));
		//Moto = Incremental_PI(encoder_counter,limit_a);
		Moto = Incremental_PI(encoder_counter,Target_Velocity);
		
		Set_Pwm(Moto);
		
		//Key_scan();
		 //speed=(float)encoder_counter/2040/0.1;//转速为n，r/s  脉冲数转化为速度
		 //OLED_Showdecimal(0,4,speed,2,2,12,0);//在特定位置显示2位整数+2位小数的电机转速
	}
}

/*串口重定向*/
 #ifdef __GNUC__
     #define PUTCHAR_PROTOTYPE int _io_putchar(int ch)
 #else
     #define PUTCHAR_PROTOTYPE int fputc(int ch, FILE *f)
 #endif /* __GNUC__*/
 
 /******************************************************************
     *@brief  Retargets the C library printf  function to the USART.
     *@param  None
     *@retval None
 ******************************************************************/
 PUTCHAR_PROTOTYPE
 {
     HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch,1,0xFFFF);
     return ch;
 }
 
 
/* USER CODE END 0 */

/* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
		printf("%d,%d\n",encoder_counter,Target_Velocity);    //输出编码器的值(实际值)和目标值到vofa软件
  }

2.2 pid.c

#include "main.h"


/*******************
限幅函数
********************/
int Xianfu(int value,int Amplitude)
{
	int temp;
	if(value>Amplitude) temp = Amplitude;
	else if(value<-Amplitude) temp = -Amplitude;
	else temp = value;
	return temp;
}

/******************
函数功能：取绝对值
入口参数：int
返回值  ：int
******************/
int myabs(int a)
{
	int temp;
	if(a<0)  temp=-a;
	else temp=a;
	return temp;
}

//float Err=0,last_err=0,next_err=0,pwm=0,add=0,p=0.9,i=0.3,d=0;

//int16_t myabs(int a)  //绝对值函数，传入进来的a为测得的速度speed
//{ 		   
//	  int temp;
//		if(a<0)  temp=-a;  
//	  else temp=a;
//	  return temp;
//}

//void pwm_control()//pid限幅函数
//{
//    if(pwm>999)
//        pwm=999;
//    if(pwm<0)
//        pwm=0;
//}

//float pid1(int16_t speed1,float tar1)//pid算法
//{
//    speed1=myabs(speed1);
//    Err=tar1-speed1;
//    add=p*(Err-last_err)+i*(Err)+d*(Err+next_err-2*last_err);
//    pwm+=add;
//    pwm_control();
//    next_err=last_err;
//    last_err=Err;
//    return pwm;
//}


/**************************************************************
函数功能：增量PI控制器
入口参数：编码器测量值，目标速度
返回  值：电机PWM
根据增量式离散PID公式 
pwm+=Kp[e（k）-e(k-1)]+Ki*e(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
e(k)代表本次偏差 
e(k-1)代表上一次的偏差  以此类推 
pwm代表增量输出
在我们的速度控制闭环系统里面，只使用PI控制
pwm+=Kp[e（k）-e(k-1)]+Ki*e(k)
//增量式的pi控制应该如上所示
****************************************************************/
int Incremental_PI (int Encoder,int Target)
{ 	
	 static float Bias,Pwm,Last_bias,next_bias;//bias=Err
	Encoder=myabs(Encoder);
	 Bias=Target-Encoder;//计算偏差
	// Integral_bias+=Bias;
	// Integral_bias=Xianfu(Integral_bias,5000);  
	 Pwm+=(Velocity_KP*(Bias-Last_bias)+Velocity_KI*Bias+Velocity_KD*(Bias+next_bias-2*Last_bias));   //增量式PI控制器
	 next_bias = Last_bias;
	 Last_bias=Bias;	                                  
//	if(Pwm>999)Pwm=999;
//	if(Pwm<-999)Pwm=-999;
	Xianfu(Pwm,99);
	 return Pwm;                                          
}


/*********************************************************************
函数功能：位置式PID控制器
入口参数：编码器测量位置信息，目标位置
返回  值：电机PWM
根据位置式离散PID公式 
pwm=Kp*e(k)+Ki*∑e(k)+Kd[e（k）-e(k-1)]
e(k)代表本次偏差 
e(k-1)代表上一次的偏差  
∑e(k)代表e(k)以及之前的偏差的累积和;其中k为1,2,,k;
pwm代表输出
********************************************************************/
int Position_PID (int position,int target)
{ 	
	 static float Bias,Pwm,Integral_bias,Last_Bias;
	 Bias=target-position;                                
	 Integral_bias+=Bias;	                            
	 Integral_bias=Xianfu(Integral_bias,myabs(Target_Velocity));
	 Pwm=Position_KP*Bias+Position_KI*Integral_bias+Position_KD*(Bias-Last_Bias);//位置式PID控制器
	 Last_Bias=Bias;                                      
	
	if(Pwm>10000)Pwm=10000;
	if(Pwm<-10000)Pwm=-10000;
	return Pwm;                                           
}


void Set_Pwm(int moto)
{
	if(moto<0) 
	{MOTOR_BACK;}
	else      
	{MOTOR_GO;}
	PWM_SetCompare1(moto);
	
	
	
}

2.4 pid.h

#ifndef __PID_H
#define __PID_H

//float pid1(int16_t speed1,float tar1);
int Xianfu(int value,int Amplitude);
int myabs(int a);
int Incremental_PI (int Encoder,int Target);
int Position_PID (int position,int target);
void Set_Pwm(int moto);
#endif

2.5 main.h

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "oled.h"
#include "oledfont.h"
#include "pwm.h"
#include "pid.h"
#include "stdio.h"
/* USER CODE END Includes */

/* USER CODE BEGIN EFP */
extern float Position_KP,Position_KI,Position_KD;
extern float Velocity_KP,Velocity_KI,Velocity_KD;
extern int16_t encoder_counter;
extern int Target_Velocity,Target_Position;

#define MOTOR_GO HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, AIN1_Pin, GPIO_PIN_RESET); HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, AIN2_Pin, GPIO_PIN_SET)
#define MOTOR_BACK HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, AIN1_Pin, GPIO_PIN_SET); HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, AIN2_Pin, GPIO_PIN_RESET)
/* USER CODE END EFP */

 3. pid调参

步骤：

（1）速度环p、i、d各值先赋为0，先调p值（比例系数），整个过程只调p、i的值即可。将编码器获取到的脉冲数encoder_counter（实际值）和目标值Target_Velocity打印到vofa中去，观察encoder_counter值靠近Target_Velocity的趋势，响应太慢则加大p值，比例系数是构建输入与输出的线性关系的。

（2）当encoder_counter值靠近但不超过Target_Velocity时，p值就差不多调好了，此时通过调大i值来使encoder_counter值更加靠近Target_Velocity，i值一般以0.001为单位来加。

（3）结果：最后encoder_counter值可以比较快地响应到Target_Velocity值时，并且给轮子阻力时，轮子不会停止转动，则p、i两值就调的差不多了。

 按照我配置的定时器中断和PWM情况，将速度PID系数调成以下值得到的电机转动结果比较合适。

 Velocity_KP=4.5,Velocity_KI=0.1,Velocity_KD=0; 

具体调参的效果和教程大家可以阅读一下这篇文章：

图文详解PID调参

 4. 小结

pid就是一个控制算法，在掌握如何使用编码器电机以后，速度环的学习实际上就是在电机上加一个速度控制罢了，通俗的说就是加几行代码，难度不大。

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