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STM32编程实现直流电机位置速度PID双闭环控制 HAL库源程序

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ID:663189 发表于 2021-7-23 15:44 | 显示全部楼层 |阅读模式
双环闭环

单片机源程序如下:
  1. /**
  2.   ******************************************************************************
  3.   * 文件名程: main.c
  4.   * 作    者: 学习小组
  5.   * 功    能: GM37-545_位置速度闭环控制
  6.   ******************************************************************************
  7.   * 说明：
  8.   ******************************************************************************
  9.   */
  10. /* 包含头文件 ----------------------------------------------------------------*/
  11. #include "stm32f4xx_hal.h"
  12. #include "key.h"
  13. #include "encoder.h"
  14. #include "usartx.h"
  15. #include "BDCMotor.h"
  16. /* 私有类型定义 --------------------------------------------------------------*/
  17. typedef struct
  18. {
  19.   __IO int32_t  SetPoint;   //设定目标 Desired Value
  20.   __IO float    SumError;   //误差累计
  21.   __IO float    Proportion; //比例常数 Proportional Const
  22.   __IO float    Integral;   //积分常数 Integral Const
  23.   __IO float    Derivative; //微分常数 Derivative Const
  24.   __IO int      LastError;  //Error[-1]
  25.   __IO int      PrevError;  //Error[-2]
  26. }PID_TypeDef;

  28. /* 私有宏定义 ----------------------------------------------------------------*/
  29. #define SPEEDRATIO    270
  30. #define ENCODER_RESOLUTION    11
  31. #define PPR           ((SPEEDRATIO*ENCODER_RESOLUTION)*4) // Pulse/Round 每圈可捕获到的脉冲数

  33. /*************************************/
  34. // 定义PID相关宏
  35. // 这三个参数设定对电机运行影响非常大
  36. // PID参数跟采样时间息息相关
  37. /*************************************/
  38. #define  SPD_P_DATA     50.0f        // P参数
  39. #define  SPD_I_DATA     8.5f         // I参数
  40. #define  SPD_D_DATA     0.0f         // D参数
  41. #define  TARGET_SPEED   10.0f        // 目标速度    10r/m

  43. #define  LOC_P_DATA     0.01f       // P参数
  44. #define  LOC_I_DATA     0.0f       // D参数
  45. #define  LOC_D_DATA     0.08f       // D参数
  46. #define  TARGET_LOC     (3*PPR)    // 目标位置    11880 Pulse = 1r

  48. /* 私有变量 ------------------------------------------------------------------*/
  49. __IO uint8_t  Start_flag = 0;       // PID 开始标志
  50. uint32_t Motor_Dir = CW;             // 电机方向

  52. __IO int32_t tmpPWM_DutySpd = 0;
  53. __IO int32_t tmpPWM_Duty = 0;

  55. __IO int32_t Sample_Pulse;           // 编码器捕获值 Pulse
  56. __IO int32_t LastSample_Pulse;       // 编码器捕获值 Pulse
  57. __IO int32_t Spd_PPS;                // 速度值 Pulse/Sample
  58. __IO float Spd_RPM;                  // 速度值 r/m

  60. /* 扩展变量 ------------------------------------------------------------------ */
  61. extern __IO uint32_t uwTick;

  63. /* PID结构体 */
  64. PID_TypeDef  sPID,lPID;               // PID参数结构体

  66. /* 扩展变量 ------------------------------------------------------------------*/
  67. /* 私有函数原形 --------------------------------------------------------------*/
  68. void PID_ParamInit(void) ;
  69. int32_t SpdPIDCalc(float NextPoint);
  70. int32_t LocPIDCalc(int32_t NextPoint);
  71. /* 函数体 --------------------------------------------------------------------*/
  72. /**
  73.   * 函数功能: 系统时钟配置
  74.   * 输入参数: 无
  75.   * 返 回 值: 无
  76.   * 说    明: 无
  77.   */
  78. void SystemClock_Config(void)
  79. {
  80.   RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct;
  81.   RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct;

  83.   __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();                                     // 使能PWR时钟

  85.   __HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1);  // 设置调压器输出电压级别1

  87.   RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;      // 外部晶振，8MHz
  88.   RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;                        // 打开HSE
  89.   RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;                    // 打开PLL
  90.   RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;            // PLL时钟源选择HSE
  91.   RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 8;                                 // 8分频MHz
  92.   RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 336;                               // 336倍频
  93.   RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2;                     // 2分频，得到168MHz主时钟
  94.   RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 7;                                 // USB/SDIO/随机数产生器等的主PLL分频系数
  95.   HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct);

  97.   RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
  98.                               |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  99.   RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;       // 系统时钟：168MHz
  100.   RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;              // AHB时钟： 168MHz
  101.   RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4;               // APB1时钟：42MHz
  102.   RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;               // APB2时钟：84MHz
  103.   HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_5);

  105.   HAL_RCC_EnableCSS();                                            // 使能CSS功能，优先使用外部晶振，内部时钟源为备用

  107.          // HAL_RCC_GetHCLKFreq()/1000    1ms中断一次
  108.         // HAL_RCC_GetHCLKFreq()/100000         10us中断一次
  109.         // HAL_RCC_GetHCLKFreq()/1000000 1us中断一次
  110.   HAL_SYSTICK_Config(HAL_RCC_GetHCLKFreq()/1000);                 // 配置并启动系统滴答定时器
  111.   /* 系统滴答定时器时钟源 */
  112.   HAL_SYSTICK_CLKSourceConfig(SYSTICK_CLKSOURCE_HCLK);

  114.   /* 系统滴答定时器中断优先级配置 */
  115.   HAL_NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0, 0);
  116. }

  118. /**
  119.   * 函数功能: 主函数.
  120.   * 输入参数: 无
  121.   * 返 回 值: 无
  122.   * 说    明: 无
  123.   */
  124. int main(void)
  125. {
  126.   /* 复位所有外设，初始化Flash接口和系统滴答定时器 */
  127.   HAL_Init();
  128.   /* 配置系统时钟 */
  129.   SystemClock_Config();
  130.   /* 串口初始化 */
  131.   MX_USARTx_Init();
  132.   /* 按键初始化 */
  133.   KEY_GPIO_Init();
  134.   /* 编码器初始化及使能编码器模式 */
  135.   ENCODER_TIMx_Init();

  137.         /* 高级控制定时器初始化并配置PWM输出功能 */
  138.   BDCMOTOR_TIMx_Init();

  140.   /* 启动定时器通道和互补通道PWM输出 */
  141.   PWM_Duty = 0;
  142.   __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htimx_BDCMOTOR,TIM_CHANNEL_1,PWM_Duty);  // 0%

  144.   /* PID 参数初始化 */
  145.   PID_ParamInit();
  146.   /* 无限循环 */
  147.   while (1)
  148.   {
  149.     /* 停止按钮 */
  150.     if(KEY1_StateRead()==KEY_DOWN)
  151.     {
  152.       if( lPID.Proportion < 0 )
  153.       {
  154.         Motor_Dir = CW;
  155.         BDDCMOTOR_DIR_CW();
  156.         PWM_Duty = -PWM_Duty;
  157.       }
  158.       else
  159.       {
  160.         Motor_Dir = CCW;
  161.         BDDCMOTOR_DIR_CCW();
  162.       }
  163.       __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htimx_BDCMOTOR,TIM_CHANNEL_1,0);  // 0%
  164.       Start_flag = 1;
  165.     }
  166.     if(KEY2_StateRead()==KEY_DOWN)
  167.     {
  168.       SHUTDOWN_MOTOR();
  169.       HAL_TIM_PWM_Stop(&htimx_BDCMOTOR,TIM_CHANNEL_1);
  170.       HAL_TIMEx_PWMN_Stop(&htimx_BDCMOTOR,TIM_CHANNEL_1);         // 停止输出
  171.     }
  172.     if(KEY3_StateRead()==KEY_DOWN)    // 圈数+1
  173.     {
  174.       lPID.SetPoint += PPR;
  175.     }
  176.     if(KEY4_StateRead()==KEY_DOWN)    // 圈数-1
  177.     {
  178.       lPID.SetPoint -= PPR;
  179.     }
  180.   }
  181. }

  183. /**
  184.   * 函数功能: 系统滴答定时器中断回调函数
  185.   * 输入参数: 无
  186.   * 返 回 值: 无
  187.   * 说    明: 每隔一定的时间就执行pid算法
  188.   */
  189. void HAL_SYSTICK_Callback(void)
  190. {
  191.   __IO int32_t ADC_Resul= 0;
  192.   __IO float Volt_Result = 0;

  194.   /* 位置环周期100ms */
  195.   if(uwTick % 100 == 0)
  196.   {
  197.     /* 获取当前位置值,编码器4倍频之后的数值 */
  198.     Sample_Pulse = (OverflowCount*CNT_MAX) + (int32_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htimx_Encoder);

  200.     /* 计算PID结果 */
  201.     if(Start_flag == 1)
  202.     {
  203.       tmpPWM_DutySpd = LocPIDCalc(Sample_Pulse);

  205.       /* 设定速度环的目标值 */
  206.       if(tmpPWM_DutySpd >= TARGET_SPEED)
  207.         tmpPWM_DutySpd = TARGET_SPEED;
  208.       if(tmpPWM_DutySpd <= -TARGET_SPEED)
  209.         tmpPWM_DutySpd = -TARGET_SPEED;
  210.     }
  211.   }
  212.   /* 速度环周期50ms */
  213.   if(uwTick % 50 == 0)
  214.   {
  215.     /* 获得当前速度 */
  216.     Sample_Pulse = (OverflowCount*CNT_MAX) + \
  217.                     (int32_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htimx_Encoder);
  218.     Spd_PPS = Sample_Pulse - LastSample_Pulse;
  219.     LastSample_Pulse = Sample_Pulse ;

  221.     /* 11线编码器,270减速比,一圈脉冲信号是11*270*4 PPR */
  222.     Spd_RPM = ((((float)Spd_PPS/(float)PPR)*20.0f)*(float)60);//单位是rpm

  224.     /* 计算PID结果 */
  225.     if(Start_flag == 1)
  226.     {
  227.       sPID.SetPoint = tmpPWM_DutySpd;
  228.       PWM_Duty = SpdPIDCalc(Spd_RPM);
  229.       if(PWM_Duty < 0)
  230.       {
  231.         Motor_Dir = CW;
  232.         BDDCMOTOR_DIR_CW();
  233.         PWM_Duty = -PWM_Duty;
  234.       }
  235.       else
  236.       {
  237.         Motor_Dir = CCW;
  238.         BDDCMOTOR_DIR_CCW();
  239.       }

  241.       __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htimx_BDCMOTOR,TIM_CHANNEL_1,PWM_Duty );

  243.     }
  244.     printf("LOC:%d Sped: %2.2f r/m \n",Sample_Pulse,
  245.            Spd_RPM );
  246.   }
  247. }

  249. /******************** PID 控制设计 ***************************/
  250. /**
  251.   * 函数功能: PID参数初始化
  252.   * 输入参数: 无
  253.   * 返 回 值: 无
  254.   * 说    明: 无
  255.   */
  256. void PID_ParamInit()
  257. {
  258.     sPID.LastError = 0;           // Error[-1]
  259.     sPID.PrevError = 0;           // Error[-2]
  260.     sPID.Proportion = SPD_P_DATA; // 比例常数 Proportional Const
  261.     sPID.Integral = SPD_I_DATA;   // 积分常数  Integral Const
  262.     sPID.Derivative = SPD_D_DATA; // 微分常数 Derivative Const
  263.     sPID.SetPoint = TARGET_SPEED; // 设定目标Desired Value

  265.     lPID.LastError = 0;           // Error[-1]
  266.     lPID.PrevError = 0;           // Error[-2]
  267.     lPID.Proportion = LOC_P_DATA; // 比例常数 Proportional Const
  268.     lPID.Integral = LOC_I_DATA;   // 积分常数  Integral Const
  269.     lPID.Derivative = LOC_D_DATA; // 微分常数 Derivative Const
  270.     lPID.SetPoint = TARGET_LOC;   // 设定目标Desired Value
  271. }


  274. /**
  275.   * 函数名称：速度闭环PID控制设计
  276.   * 输入参数：当前控制量
  277.   * 返 回 值：目标控制量
  278.   * 说    明：无
  279.   */
  280. int32_t SpdPIDCalc(float NextPoint)
  281. {
  282.   float iError,dError;
  283.   iError = sPID.SetPoint - NextPoint; //偏差

  285.   if((iError<0.2f )&& (iError>-0.2f))
  286.     iError = 0.0f;

  288.   sPID.SumError += iError; //积分
  289.     /* 设定积分上限 */
  290.   if(lPID.SumError >= TARGET_SPEED*10)
  291.     lPID.SumError = TARGET_SPEED*10;
  292.   if(lPID.SumError <= -TARGET_SPEED*10)
  293.     lPID.SumError = -TARGET_SPEED*10;

  295.   dError = iError - sPID.LastError; //微分
  296.   sPID.LastError = iError;
  297.   return (int32_t)(sPID.Proportion * (float)iError //比例项
  298.   + sPID.Integral * (float)sPID.SumError //积分项
  299.   + sPID.Derivative * (float)dError); //微分项
  300. }

  302. /**
  303.   * 函数名称：位置闭环PID控制设计
  304.   * 输入参数：当前控制量
  305.   * 返 回 值：目标控制量
  306.   * 说    明：无
  307.   */
  308. int32_t LocPIDCalc(int32_t NextPoint)
  309. {
  310.   int32_t iError,dError;
  311.   iError = lPID.SetPoint - NextPoint; //偏差
  312.   /* 设定闭环死区 */
  313.   if((iError >= -50) && (iError <= 50))
  314.   {
  315.     iError = 0;
  316.     lPID.SumError = 0;
  317.   }

  319.   /* 积分分离 */
  320.   if((iError >= -1000) && (iError <= 1000))
  321.   {
  322.     lPID.SumError += iError; //积分

  324.     /* 设定积分上限 */
  325.     if(lPID.SumError >= 1000)
  326.       lPID.SumError = 1000;
  327.     if(lPID.SumError <= -1000)
  328.       lPID.SumError = -1000;
  329.   }

  331.   dError = iError - lPID.LastError; //微分
  332.   lPID.LastError = iError;

  334.   return (int32_t)(lPID.Proportion * (float)iError //比例项
  335.   + lPID.Integral * (float)lPID.SumError //积分项
  336.   + lPID.Derivative * (float)dError);    //微分项
  337. }

  339. /**********************************END OF FILE****************************/
复制代码

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