【STM32F4系列】【HAL库】电机控制(转速和角度)(PID实战1)

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【STM32F4系列】【HAL库】电机控制(转速和角度)(PID实战1)

2024-07-12 10:33| 来源: 网络整理| 查看: 265

文章目录项目目标硬件搭建HAL初始化定时器PWM编码器定时器中断串口基础驱动获取速度获取角度电机控制PID 速度环速度环设计速度环调参调试顺序P(比例)I(积分)总结位置环位置环设计位置环调参P调参成品

项目目标

实现电机最常使用的两个功能,转速控制和位置控制

使用PID闭环控制(控制线性系统最简单快捷的控制方法)

硬件搭建

为了实现控制电机转动和闭环控制

需要:

电机(废话)编码器(霍尔编码器或者光电编码器均可)电机驱动(这里选的是l298n模块)

在这里插入图片描述

千万注意黑色的地线,单片机的地要与12V的地(L298n的地)连接

HAL初始化定时器 PWM

使用硬件PWM输出,定时器1,输出两路PWM分别代表PWM1和PWM2

设置频率为2.4KHz(约417us),最大占空比5000

使用通道1和2,其余均默认设置

在这里插入图片描述

定时器1初始化设置(生成的代码),里开启定时器与PWM输出

HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1); HAL_TIM_Base_Start(&htim1); HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1); HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_2); 编码器

使用定时器的编码器模式,双边沿计数,默认设置就可

在这里插入图片描述

定时器2的初始化设置里加入,开启编码器模式和定时器

HAL_TIM_Encoder_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_ALL); //开启编码器模式 HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2); HAL_TIM_Base_Start(&htim2); 定时器中断

每10ms触发一次中断,用于计算PID

在这里插入图片描述

注意要打开中断

开启定时器中断

HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3); HAL_TIM_Base_Start(&htim3); 串口

用于调试,默认设置就可,使用printf重定向,无需开启中断

在这里插入图片描述

基础驱动获取速度

定时10ms读取一次编码器的计数值并清零,计算速度

电机是15线霍尔传感器,34:1减速比

详情看这个博客,传送门

float Get_Speed() { int16_t zj; float Speed = 0; zj = __HAL_TIM_GetCounter(&Encoder_TIM_Handle); __HAL_TIM_SetCounter(&Encoder_TIM_Handle, 0); Speed = (float)zj / (4 * 15 * 34) * 100 * 60; return Speed; } 获取角度

间隔一段时间读取编码器的计数值(清零操作交由速度获取函数处理)

调用时需要将函数的输出值进行累加

float Get_Angle() { int16_t zj; float angle = 0; zj = __HAL_TIM_GetCounter(&Encoder_TIM_Handle); angle = (float)zj / (4 * 15 * 34) * 360; return angle; } 电机控制

通过更改PWM的占空比来控制电机转速

void motor(int16_t Speed) { if (Speed == 0) { __HAL_TIM_SET_COMPARE(&Motor_TIM_Handle, Motor_TIM_Channel1, Motor_MAX_Duty + 1); __HAL_TIM_SET_COMPARE(&Motor_TIM_Handle, Motor_TIM_Channel2, Motor_MAX_Duty + 1); } else if (Speed > 0) { __HAL_TIM_SET_COMPARE(&Motor_TIM_Handle, Motor_TIM_Channel1, Speed); __HAL_TIM_SET_COMPARE(&Motor_TIM_Handle, Motor_TIM_Channel2, 0); } else if (Speed float Kp, Ki, Kd; //系数 float Error_Last1; //上次误差 float Error_Last2; //上次误差 float Out_Last; //上次输出 } PID_Increment_Struct; float PID_Increment(PID_Increment_Struct *PID, float Current, float Target) { float err, //误差 out, //输出 proportion, //比例 differential; //微分 err = (float)Target - (float)Current; //计算误差 proportion = (float)err - (float)PID->Error_Last1; //计算比例项 differential = (float)err - 2 * (float)PID->Error_Last1 + (float)PID->Error_Last2; //计算微分项 out = (float)PID->Out_Last + (float)PID->Kp * proportion + (float)PID->Ki * err + (float)PID->Kd * differential; //计算PID PID->Error_Last2 = PID->Error_Last1; //更新上上次误差 PID->Error_Last1 = err; //更新误差 PID->Out_Last = out; //更新上此输出 return out; } 速度环速度环设计

速度环就是让电机保持固定转速的PID控制系统

逻辑框图如下,

通过编码器获得转速送到输入作为反馈

输出通过控制PWM(正负和占空比)来控制电机转速

输入的是目标的转速

注意:PID的系数与间隔时间有关,PID需要间隔固定的时间进行调用

在这里插入图片描述

那编程的思路就很明显了,我们使用一个定时器中断,在固定的时间(10ms)调用计算一次PID

在这个定时器中断里,我们首先读取转速,之后压入PID进行计算,再将PWM给到电机就行

为了便于观察,这里加上了使用Printf通过串口发送给上位机显示的功能

这里的PID的参数是我调好的

PID_Increment_Struct PID_Speed = {3, 0.6, 0.6}; void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { float Speed = 0; int16_t set_speed = 0; if (htim == &htim2) { } else if (htim == &htim3) {//10ms中断 Speed = Get_Speed();//获取转速 mb_speed = 3000; set_speed = PID_Increment(&PID_Speed, Speed, mb_speed);//PID if (set_speed > 5000) set_speed = 5000; else if (set_speed 500 || set_speed I->D

下面的图.横轴是时间,红线代表的是当前转速,绿线代表目标转速

P(比例)

比例部分是绝对的主力

如果P的极性错误,则电机会反相开到最大转速

我们从小向大调

Kp=1,Ki=0

我们可以看到,电机不转动,只有异响,说明Kp过小(至少一个数量级)

在这里插入图片描述

我们增大Kp,令Kp=10,Ki=0

可以看到,电机已经开始转动,但是距离需要的转速过远(Kp在同等数量级了)

在这里插入图片描述

我们继续增大Kp,令Kp=30,Ki=0

这时发现,转速已经达到了目标转速的2/3以上

这时我们继续增大Kp

在这里插入图片描述

Kp增大到80

发现并没有继续接近目标值很多了

这时再增加Kp也不会更接近目标值了

我们需要引入Ki了

在这里插入图片描述

这里放个Kp过大的现象,Kp=700

这种是电机来不及反应造成的

在这里插入图片描述

I(积分)

积分项是用于消除静态偏差(也就是Kp在合理范围内变大也无法继续接近目标值的现象)

我们让Kp=30开始调Ki

如果Ki的极性错误,则会出现如下图,即电机来回震荡运动

在这里插入图片描述

Kp=80,Ki=1

发现已经可以达到目标值了,回正速度比较慢,我们继续增大Ki(同一数量级)

在这里插入图片描述

Kp=80,Ki=5

这时就已经比较完美了,符合了我的要求了

如果自己的要求更高,可以减少步进值慢慢调一下

在这里插入图片描述

总结

到了这里,速度环PID我们已经调完了

转速已经可以稳定了

这是调节位置环的前提

位置环位置环设计

位置环是建立在速度环之上的

使用串级PID进行控制,内环是速度环,外环是位置环

可以加快收敛速度,提高抗干扰能力

我们的策略是当误差大于一圈(>360°或3.1, 0, 0.06}; float angle;//角度 int aa = 0;//目标角度 void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { float Speed = 0; int16_t set_speed = 0; float mb_speed;//目标速度 if (htim == &htim2) { } else if (htim == &htim3) { angle += Get_Angle(); Speed = Get_Speed(); mb_speed = (int16_t)PID_Increment(&PID_Angle, angle, aa); if (PID_Angle.Error_Last1 > 360) mb_speed = 300; else if (PID_Angle.Error_Last1 5000) set_speed = 5000; else if (set_speed 500 || set_speed

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