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电机控制进阶2
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上篇文章电机控制进阶——PID速度控制讲解了电机的速度环控制，可以控制电机快速准确地到达指定速度。 本篇来介绍电机的位置环控制，实现电机快速准确地转动到指定位置。 1 位置控制与速度控制的区别回顾上篇，电机速度PID控制的结构图如下，目标值是设定的速度，通过编码器获取电机的转速作为反馈，实现电机转速的控制。
再来看电机位置PID控制，其结构图如下，目标值是设定的位置，通过编码器获取电机累计转动的脉冲数作为反馈，实现电机位置的控制。
所以：对比两张图，速度控制与位置控制的主要区别，就是控制量的不同。 2 核心程序了解了速度控制与位置控制的区别后，下面就可以修改程序。 2.1 编码器相关
编码器部分，需要根据自己电机的实际参数进行设定，比如我用到的电机： 编码器一圈的物理脉冲数为11定时器编码器模式通过设置倍频来实现4倍频电机的减速齿轮的减速比为1：34所以，电机转一圈总的脉冲数，即定时器能读到的脉冲数为11*4*34= 1496。 #define ENCODER_RESOLUTION 11 /*编码器一圈的物理脉冲数*/ #define ENCODER_MULTIPLE 4 /*编码器倍频，通过定时器的编码器模式设置*/ #define MOTOR_REDUCTION_RATIO 34 /*电机的减速比*/ /*电机转一圈总的脉冲数(定时器能读到的脉冲数) = 编码器物理脉冲数*编码器倍频*电机减速比 */ /* 11*4*34= 1496*/ #define TOTAL_RESOLUTION ( ENCODER_RESOLUTION*ENCODER_MULTIPLE*MOTOR_REDUCTION_RATIO )想要了解更多关于编码器的使用，可参照之前的文章：编码器计数原理与电机测速原理——多图解析 2.1.2 定时器编码器模式配置用于编码器捕获的定时器的一些宏定义。 #define ENCODER_TIM_PSC 0 /*计数器分频*/ #define ENCODER_TIM_PERIOD 65535 /*计数器最大值*/ #define CNT_INIT 0 /*计数器初值*/配置主要关注重装载值，倍频，溢出中断设置。 /* TIM4通道1通道2 正交编码器 */ void TIMx_encoder_init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; /*GPIO*/ TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStruct; /*时基*/ TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct; /*输入通道*/ NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; /*中断*/ /*GPIO初始化*/ RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE); /*使能GPIO时钟 AHB1*/ GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct); GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF; /*复用功能*/ GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; /*速度100MHz*/ GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct); GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource6,GPIO_AF_TIM4); GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource7,GPIO_AF_TIM4); /*时基初始化*/ RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE); /*使能定时器时钟 APB1*/ TIM_DeInit(TIM4); TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStruct); TIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler = ENCODER_TIM_PSC; /*预分频 */ TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period = ENCODER_TIM_PERIOD; /*周期(重装载值)*/ TIM_TimeBaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; TIM_TimeBaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; /*连续向上计数模式*/ TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStruct); /*编码器模式配置：同时捕获通道1与通道2(即4倍频)，极性均为Rising*/ TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12,TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising); TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStruct); TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0; /*输入通道的滤波参数*/ TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStruct); /*输入通道初始化*/ TIM_SetCounter(TIM4, CNT_INIT); /*CNT设初值*/ TIM_ClearFlag(TIM4,TIM_IT_Update); /*中断标志清0*/ TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE); /*中断使能*/ TIM_Cmd(TIM4,ENABLE); /*使能CR寄存器*/ /*中断配置*/ NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM4_IRQn; //定时器4中断 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0x01; //抢占优先级1 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0x01; //子优先级1 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE; NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); }想要了解更多关于定时器编码器模式配置的详细介绍，可参照之前的文章：电机控制基础——定时器编码器模式使用与转速计算
读取值，这里直接读取原始值即可，读取后也不需要再设置计数初值，因为使用的溢出中断。 uint32_t read_encoder(void) { uint32_t encoderNum = 0; encoderNum = (TIM4->CNT); return encoderNum; } 2.1.4 编码器计数值溢出处理溢出中断中，主要判断是向上溢出还是向下溢出，因为电机可以正反转，所以需要记录溢出的方向。 /* 定时器溢出次数 */ __IO int16_t EncoderOverflowCnt = 0; //定时器4中断服务函数 void TIM4_IRQHandler(void) { if(TIM_GetITStatus(TIM4,TIM_IT_Update)==SET) //溢出中断 { if((TIM4->CR1 & TIM_CounterMode_Down) != TIM_CounterMode_Down) { EncoderOverflowCnt++;/*编码器计数值[向上]溢出*/ } else { EncoderOverflowCnt--;/*编码器计数值[向下]溢出*/ } } TIM_ClearITPendingBit(TIM4,TIM_IT_Update); //清除中断标志位 } 2.2 PID计算相关 2.2.1 周期定时定时器配置，通过设置自动重装载值和定时器分频实现指定周期的定时。 void TIMx_calcPID_init(u16 arr,u16 psc) { TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure; NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM7,ENABLE); ///使能TIM7时钟 TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = arr; //自动重装载值 TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler=psc; //定时器分频 TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; //向上计数模式 TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1; TIM_TimeBaseInit(TIM7,&TIM_TimeBaseInitStructure);//初始化TIM7 TIM_ITConfig(TIM7,TIM_IT_Update,ENABLE); //允许定时器6更新中断 TIM_Cmd(TIM7,DISABLE); //初始化时先不开启定时器7 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM7_IRQn; //定时器6中断 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0x01; //抢占优先级1 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0x03; //子优先级3 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE; NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); } TIMx_calcPID_init(100-1,8400-1);/*定时10ms,这句在主函数中调用*/定时器中断中，每10ms进行1次PID计算 void TIM7_IRQHandler(void) { if(TIM_GetITStatus(TIM7,TIM_IT_Update)==SET) //溢出中断 { AutoReloadCallback(); } TIM_ClearITPendingBit(TIM7,TIM_IT_Update); //清除中断标志位 }想要了解更多关于基础定时器的配置与使用，可参照之前的文章：电机控制基础——定时器基础知识与PWM输出原理
周期定时器的回调函数中进行PID的计算，程序中被注释掉的两句是速度控制的代码，用于与位置控制进行对比，通过对比可以明显的看出，位置控制与速度控制的区别在于传入PID的控制量。 void AutoReloadCallback() { static __IO int encoderNow = 0; /*当前时刻总计数值*/ static __IO int encoderLast = 0; /*上一时刻总计数值*/ int encoderDelta = 0; /*当前时刻与上一时刻编码器的变化量*/ int res_pwm = 0; /*PID计算得到的PWM值*/ /*【1】读取编码器的值*/ encoderNow = read_encoder() + EncoderOverflowCnt*ENCODER_TIM_PERIOD;/*获取当前的累计值*/ encoderDelta = encoderNow - encoderLast; /*得到变化值*/ encoderLast = encoderNow;/*更新上次的累计值*/ /*【2】PID运算，得到PWM控制值*/ //res_pwm = pwm_val_protect((int)PID_realize(encoderDelta));/*传入编码器的[变化值]，实现电机【速度】控制*/ res_pwm = pwm_val_protect((int)PID_realize(encoderNow));/*传入编码器的[总计数值]，实现电机【位置】控制*/ /*【3】PWM控制电机*/ set_motor_rotate(res_pwm); /*【4】数据上传到上位机显示*/ //set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH1, &encoderDelta, 1); /*给通道1发送实际的电机【速度】值*/ set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH1, &encoderNow, 1); /*给通道1发送实际的电机【位置】值*/ } 3 实验演示实验中，指定目标值1496，可以实现电机正转1圈，再指定目标值-1496，因为是相对位置，电机会反转2圈。当指定14960转10圈时进行观察，若PID的参数不合适，会出现静态误差、或是持续抖动、或是误差消除慢等情况。通过不断的调整参数，可以实际感受到PID各项的调节作用。 视频：https://www.bilibili.com/video/BV1ZK4y1976i
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