使用增量式PID对直流电机进行简单的控制

ID:300212 · 发表于 2019-7-12 09:46

本帖最后由 kaixuan520 于 2019-7-12 10:04 编辑

位置式PID控制
位置式PID控制是指在积分环节，对从0时刻到当前时刻的所有偏差进行积分，是非递推式的全局积分。
增量式PID控制
和位置式PID控制不同，增量式PID控制将当前时刻的控制量和上一时刻的控制量做差，以差值为新的控制量，是一种递推式的算法。
增量式PID控制的主要优点为：
①算式中不需要累加。控制增量Δu(k)的确定仅与最近3次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果；
②计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响范围小、不会严重影响生产过程；
③手动—自动切换时冲击小。当控制从手动向自动切换时，可以作到无扰动切换[2] 。
由于增量式需要对控制量进行记忆，所以对于不带记忆装置的系统，只能使用位置式PID控制方式进行控制。

公式：

上代码：
使用定时器3作为PWM输出，频率为20KHz，调节占空比0-100%来改变电机速度
//TIM3初始化和输出GPIO初始化
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitTypeStruct;
GPIO_InitTypeStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitTypeStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
GPIO_InitTypeStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitTypeStruct);
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitTypeStruct;
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_Period = 99;
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_Prescaler = 35;             //20KHz
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_RepetitionCounter = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseInitTypeStruct);

TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitTypeStruct;
TIM_OCInitTypeStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitTypeStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OCInitTypeStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitTypeStruct.TIM_Pulse = DutyCycle;                                                             //占空比
TIM_OC1Init(TIM3,&TIM_OCInitTypeStruct);

TIM_OC1PreloadConfig(TIM3,TIM_OCPreload_Enable);

TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);

//使用定时器1作输入捕获，PWM输入模式，
//GPIO和定时器1初始化
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitTypeStruct;
GPIO_InitTypeStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_InitTypeStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitTypeStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitTypeStruct);

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1,ENABLE);

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitTypeStruct;
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_Period = TIM1_ARR;
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_Prescaler = TIM1_PSC;
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_RepetitionCounter = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM1,&TIM_TimeBaseInitTypeStruct);

TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitTypeStruct;
TIM_ICInitTypeStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
TIM_ICInitTypeStruct.TIM_ICFilter = 0x0f;//对输入的脉冲进行滤波
TIM_ICInitTypeStruct.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
TIM_ICInitTypeStruct.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
TIM_ICInitTypeStruct.TIM_ICSelection =  TIM_ICSelection_DirectTI;
TIM_PWMIConfig(TIM1,&TIM_ICInitTypeStruct);

TIM_SelectInputTrigger(TIM1,TIM_TS_TI1FP1);             //选择输入触发方式
TIM_SelectSlaveMode(TIM1,TIM_SlaveMode_Reset);       //设置从机模式
TIM_SelectMasterSlaveMode(TIM1,TIM_MasterSlaveMode_Enable);//

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitTypeStruct;
NVIC_InitTypeStruct.NVIC_IRQChannel = TIM1_CC_IRQn;//输入捕获中断线
NVIC_InitTypeStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_InitTypeStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
NVIC_InitTypeStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
NVIC_Init(&NVIC_InitTypeStruct);

TIM_ITConfig(TIM1,TIM_IT_CC1,ENABLE);//使能通道1捕获中断

TIM_ClearITPendingBit(TIM1,TIM_IT_CC1);

TIM_Cmd(TIM1,ENABLE);

//通过输入捕获中断函数来取得电机编码器的频率，占空比，周期，从而计算出速度
uint16_t IC1V;
uint16_t IC2V;
void TIM1_CC_IRQHandler(void)
{
TIM_ClearITPendingBit(TIM1,TIM_IT_CC1);

IC1V = TIM_GetCapture1(TIM1);//周期us
IC2V = TIM_GetCapture2(TIM1);//占空比
if(IC1V!=0)
{
      IC1V+=1;
      IC2V+=1;
      float d1 = ((float)IC1V/1000);
      float d2 = ((float)IC2V/1000);
      float f = (float)IC1V/1000000;
      DutyCycle = 100*d2/d1;//占空比
      Frequency = 1/f;       //计算出编码器的频率
      Period = (float)IC1V/1000;//周期ms
} else {
      Frequency = 0;
      DutyCycle = 0;
}
}

//再使用一个100ms的定时器来每秒10次的数据采集和控制，定时器初始化就不贴了，具体看附件

float M_PWM = 0;
float M_Speed = 0;
uint8_t xi=0;
void TIM2_IRQHandler(void)//100ms定时器中断
{
if(TIM_GetITStatus(TIM2,TIM_IT_Update)!=RESET)
{
      //if(Frequency!=0) {
      GPIOB->ODR ^= GPIO_Pin_5;
      M_Speed = Frequency;
      M_Speed /= 20;
            Frequency = 0;

      int value = Compute_PID((uint16_t)(M_Speed*100));//进行PID计算，返回PWM占空比
            int y = value;
      float n = value/100;
      M_PWM += n;

      if(xi==0) {//没500ms向串口发送一次数据
                     printf("当前转速：%0.2f\r\n",M_Speed);
                     printf("目标转速：%d\r\n",(uint16_t)PID_Struct->SetPoint/100);
         printf("P:%0.4f,I:%0.4f,D:%0.4f,LE:%d,PE:%d,VO:%d,MO:%d\r\n",//PID相关参数信息，
                     PID_Struct->Proportion,PID_Struct->Integral,PID_Struct->Derivaltive,
                     PID_Struct->LastError,PID_Struct->PreError,y,(int)M_PWM);
         printf("Period:%0.4fms, Frequency:%0.4fHz, DutyCycle:%0.4f%%\r\n",Period,Frequency,DutyCycle);//PWM输出的周期，频率，占空比
         printf("\r\n\r\n");
      }
      xi++;
      xi%= 5;
      if(M_PWM>100)M_PWM = 100;             //防止越过最大和最小控制量
      if(M_PWM<0)M_PWM = 0;
      TIM_SetCompare1(TIM3,(uint16_t)M_PWM);
      //}
      TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update);
}
}

PID算法结构体
typedef struct {
int SetPoint;                      //设定值
long SumError;                      //累计误差

double Proportion;             //比例
double Integral;             //积分
double Derivaltive;             //微分

int LastError;                      //上次误差
int PreError;                      //上上次误差
} PID_S;

static PID_S PID_Struct_;
static PID_S *PID_Struct = &PID_Struct_;

//main：
/PID参数整定方法请转各大论坛查找教程，这里不详细介绍
PID_Struct->Proportion = 1.92;
PID_Struct->Integral = 1.65;
PID_Struct->Derivaltive = 0.116;
PID_Struct->SetPoint = 80*100;

//PID计算
int Compute_PID(uint16_t nowValue)
{
register int iError,Ouk;
iError = PID_Struct->SetPoint - nowValue;//当前误差
// PID_Struct ->SumError += iError;

Ouk = (PID_Struct->Proportion * iError)
      - (PID_Struct->Integral * PID_Struct->LastError)
      + (PID_Struct->Derivaltive *PID_Struct->PreError);

PID_Struct->PreError = PID_Struct->LastError;

PID_Struct->LastError = iError;
return Ouk;
}

电路方面制作
电机使用12V扫地机器人的电机，编码器使用每圈20次脉冲的光电编码器
使用LM393电压比较器对光电编码器输出进行稳定和优化
电路图：

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2019-7-12 09:16 上传

P90712-091716(1).jpg (1.76 MB, 下载次数: 115)

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P90712-091725(1).jpg (1.6 MB, 下载次数: 100)

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2019-7-12 09:18 上传

编码器输出波形图：

P90712-092253(1).jpg (2.05 MB, 下载次数: 108)

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波形还是比较完美的

电机驱动使用L298N，连接图:

1562895548198.jpg (2.62 MB, 下载次数: 113)

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串口打印数据：

b.PNG (67.89 KB, 下载次数: 92)

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2019-7-12 09:38 上传

视频演示PWM输出效果：https://share.weiyun.com/5idpKLF

增大阻力和调节速度都能快速回到设定值以下为附件信息
STM32源码： PID_直流调速.rar (349.35 KB, 下载次数: 157)

2019-7-12 09:42 上传
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PID学习资料： PID算法.zip (1.81 MB, 下载次数: 113)

2019-7-12 09:46 上传
点击文件名下载附件
下载积分: 黑币 -5

ID:492516 · 发表于 2019-7-14 20:52

VO:%d,MO:%d这两个参数表示pid的啥

ID:492516 · 发表于 2019-7-14 20:52

求大佬解释

ID:300212 · 发表于 2019-7-15 15:05

小林大哥哥发表于 2019-7-14 20:52
VO:%d,MO:%d这两个参数表示pid的啥

VO是PID计算出的结果，MO是当前输出PWM的占空比

ID:380985 · 发表于 2019-7-16 17:17

很好的学习资料，在学习平衡小车，研究下

ID:380985 · 发表于 2019-7-17 17:43

电路图提供一下呗

ID:300212 · 发表于 2019-7-20 19:41

18239311863 发表于 2019-7-17 17:43
电路图提供一下呗

没有电路图，电路自己设计的只有编码器那块的，电路图在贴子中，别的连接都是杜邦线直接连的

ID:573864 · 发表于 2019-8-1 10:03

没有PID.c文件

ID:300212 · 发表于 2019-9-20 13:24

13958988573 发表于 2019-8-1 10:03
没有PID.c文件

没用到，代码都在main.c里

ID:553615 · 发表于 2020-3-8 17:40

请问大佬，程序里用于捕获的定时器只使能了通道1，为什么还能用通道2采集占空比呢？

ID:693716 · 发表于 2020-3-16 11:24

学习了，谢谢大佬分享

ID:717071 · 发表于 2020-5-4 14:36

资源不错

ID:717071 · 发表于 2020-5-4 19:36

楼主，输入捕获中断函数里面的ICV1和ICV2为什么分别是周期和占空比啊

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使用增量式PID对直流电机进行简单的控制

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