STM32使用串级PID对编码器电机进行控制
STM32使用串级PID对编码器电机进行控制
本文介绍了一种使用STM32单片机通过串级PID控制编码器电机的方法。通过详细讲解PID控制原理、参数调整方法、硬件接线图以及具体的代码实现，帮助读者掌握电机控制技术。
设计目标：使电机以目标速度达到目标位置
1. PID的作用
1.1 PID应用概述
PID控制器是一种广泛应用于工业控制系统的反馈控制器，其名称来源于其三种基本控制规律：比例（Proportional）、积分（Integral）和微分（Derivative）。其基本原理是通过反馈实现控制，反馈来源是电机上安装的编码器，编码器种类有很多，常见的是霍尔式还有光电式，本文中使用的电机使用的就是霍尔式编码器电机。
普通电机上电后即可进行旋转运动，运动方向可以通过调节控制器的高低电平翻转来实现，而调节输出的电压，则可实现对电机的速度调节。在一个周期内，反复调节输出电压，即可实现调速，这是目前最常见的调速方式，即调整同一周期内通电的时间，同一周期内通电时间越长，等效电压越大，而等效电压越大，电机速度越快，考虑到电机的机械特性，每个电机的机械特性都不尽相同，如果只是单纯改变占空比，输出PWM，电机难以实现较为准确的速度控制，且很多场景中，运行路径是固定的，这就需要电机拥有重复定位的精确性，这就需要使用到编码器。
通过STM32单片机开启定时器读取编码器值，这个代码来自江协科技。通过读取的值可以获取到电机的运动状态。
在获取到编码器值后，需要将其保留下来，这就需要使用定时器中断，代码中是用定时器2，每隔10ms进入一次中断，进行一次编码器值的获取。
1.2 PID参数调整
本文使用的是速度位置串级PID，在调节时，理论上应当先调节速度环，再调节外环，速度环作为内环，其响应速度通常要求比位置环快，以确保系统能够快速响应速度变化，
调整速度环的比例增益（Kp），使其具有足够的增益来快速响应速度偏差，同时避免系统过冲或振荡。
调整微调积分增益（Ki）以消除稳态误差，但要防止积分饱和。
调整微分增益（Kd）可以帮助减少超调和振荡，提高系统的稳定性和响应速度。
实际上调试时，我并没调整速度环，我的速度环PID值没有调整，只调整位置环的PID，首先使位置环先超调，再使得位置环逼近目标值，最后调整这两个PID区间值，最后实现的效果还算不错。
p1_p=0.074,p1_i=0.5,p1_d=0.05;//位置环PID
s1_p=1,s1_i=0,s1_d=1;//速度环PID
1.3 实物
实物效果，在输出PWM为50时，能准确的实现位置定位。基本的目标已经实现
2.代码部分
2.1 定时器采样周期计算
STM32F103C8T6的主频T1是72Mhz,即72x10^6hz,定时器每隔10ms需要进行一次编码器值获取，定时器的中断周期为
计数周期T=主频/(目标中断周期的倒数)=
后面计算预分频值Prescaler
这意味着预分频器应该设置为999，这样定时器的计数频率将变为：
定时器频率=72,000,000/1000=72,000
自动重载寄存器值设置为71（因为从0开始计数，所以实际计数值为72），以便在72,000个计数后溢出。
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 72-1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler =1000-1;
2.2 编码器测速原理
选用的编码器为普通的霍尔编码器，减速比为30:1.当电机旋转一圈时，释放13个脉冲，STM32采用4倍频，因此，电机旋转一周，编码器读取的值为30x13x4=1560个脉冲数。
在知道旋转圈数使用的脉冲数后，可结合使用的轮子直径计算运行路程。
2.3 PID算法代码
#include "stm32f10x.h" // Device header
int16_t myabs(int a)
{
int temp;
if(a<0) temp=-a;
else temp=a;
return temp;
}
float pwm_control(float pwm) //pwm输出限幅
{
if(pwm>99)
pwm=99;
else if(pwm<-99)
pwm=-99;
return pwm;
}
float position_xianfu(int16_t now_position,float tar_psoition)//位置式PID位置误差限幅
{
if(tar_psoition-now_position<3)
{
now_position=tar_psoition;
}
return now_position;
}
float xianfu(float now,float tar)
{
if(now>tar)
now=tar;
if(now<-tar)
now=-tar;
return now;
}
//位置式PID
float p1_Err=0,p1_last_err=0,Integral1=0,p1_pwm=0,p1_p=0.074,p1_i=0.5,p1_d=0.05;//位置环PID
float p1_pid(int16_t now_position1,float tar_position1)
{
now_position1=myabs(now_position1);
p1_Err=tar_position1-now_position1;
p1_pwm=p1_p*p1_Err+p1_i*Integral1+p1_d*(p1_Err-p1_last_err);
p1_pwm=pwm_control(p1_pwm);
p1_last_err=p1_Err;
return p1_pwm+50;
}
//增量式PID
float s1_pid(int16_t Speed,int16_t tar_speed1)
{
float s1_Err,s1_p=1,s1_i=0,s1_d=1;//速度环PID
static float s1_last_err,Integral_bias1;
s1_Err=tar_speed1-Speed;
Integral_bias1+=s1_Err;
Speed=s1_p*s1_Err+s1_i*Integral_bias1+s1_d*(s1_Err-s1_last_err);
s1_last_err=s1_Err;
Speed=xianfu(Speed,tar_speed1);
return Speed;
}
3.实物接线
OLED SCL PB8
OLED SDA PB9
TB6612
EN-12V电源正极 PWMA --- STM32--PA0
GND-12V电源负极 AIN1------ STM32--PB0
AO1-电机正极 AIN2------ STM32--PB1
AO2-电机负极 STBY-----STM32---VCC
TB6612 其他引脚悬空
Motor
电机正极-TB6612--AO1
GND-STM32--GND
B-STM32--PA6
A-STM32--PA7
VCC-STM32--5V
电机负极-TB6612--AO2