2.3 STM32电机PID速度控制
之前的文章，完成了直流减速电机的PWM控制、电机测速。本篇文章，将实现电机的速度闭环控制。 在公众号：小白学移动机器人，发送：速度PID，即可获得本篇文章的STM32工程文件以及相关资料。
2.3.1 解决的问题
解决带编码器直流电机的速度闭环问题。
2.3.2 PID理论
将偏差的比例、积分、微分，通过线性组合构成控制量，用控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称为PID控制器。在连续空间中，我们通常探讨模拟PID的控制原理，如图所示：
我们这里用电机速度控制为例，讲解PID控制系统。r(t)为设定电机速度、y(t)为实际电机速度、e(t)=y(t)-r(t)为速度差值作为PID控制器的输入、u(t)为PID控制器的输出，作用到被控对象电机上。根据模拟PID控制器，科学家们也得出了模拟PID控制的公式，如图所示：
其中Kp、Ti、Td，分别为控制器的比例系数、积分系数、微分系数。该理论用在控制的例子比比皆是。但是模拟PID控制系统是在连续空间的上描述的，无法在计算机上用代码实现。于是就有数字PID控制理论，将连续空间的PID控制系统在离散空间上描述。积分变成了求和、微分变成了求斜率，于是就出现数字PID控制系统的理论公式，如图所示：
其中Kp、Ti、Td和上面描述的一样，T为采用周期，ek是本次差值，ek-1上一次的差值，直接通过模拟PID转化的数字PID又叫做位置式PID，该方式的PID的输出直接是控制量，非常不适合经常出现异常的系统，另外一种方式是增量式PID，每次只输出一个正向或者反向的调节量，就算出现异常，也不会产生巨大的影响。具体数学公式如下所示：该方法较多的应用于生产生活中，本论文中电机的速度PID控制当然也不例外。
有了上面的理论基础，开始代码实现的介绍。首先就是明确增量式PID系统的输入、输出、控制对象。将速度的设定值和速度的测得值作为PID控制器的输入参数，PID的输出参数为对PWM的调节偏差，控制对象PWM进而驱动电机达到设定速度。以上内容确定之后，就是PID控制器的代码部分了。其实仔细看看增量式PID就只有一个公式，所以使用代码实现并不困难。如下所示核心代码就这一句。
完成上面的代码，只是完成速度PID的一部分，剩下的是尤为重要的PID参数整定。该整定方法丰富多样，最为准确的是模型计算，但是对于我们做机器人多使用试凑法。虽然需要调节一段时间，但是不需要对机器人进行建模。试凑法一般按照P、I、D的顺序进行调节。 初始时刻将Ki和Kd都设置成0，按照经验设置Kp的初始值，就这样将系统投入运行，由小到大调节Kp。求得满意的曲线之后，若要引入积分作用，将Kp设置成之前的5/6,然后Ki由小到大开始调节。达到满意效果之后，若要引入微分作用，将Kd按照经验调节即可。经过有规律的试凑，最终达到一个我们满意的就行。
2.3.3 代码分享
关于PWM控制、以及电机测速的代码，这里就不在展示了，看之前的文章都可以找到。 （1）pid.h
#include "pid.h"
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程序功能：双路电机速度PID
程序编写：公众号：小白学移动机器人
其他 ：如果对代码有任何疑问，可以私信小编，一定会回复的。
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struct pid_uint pid_Task_Letf;
struct pid_uint pid_Task_Right;
/****************************************************************************
*函数名称：PID_Init(void)
*函数功能：初始化PID结构体参数
****************************************************************************/
void PID_Init(void)
{
//乘以1024原因避免出现浮点数运算，全部是整数运算，这样PID控制器运算速度会更快
/***********************左轮速度pid****************************/
pid_Task_Letf.Kp = 1024 * 0.5;//0.4
pid_Task_Letf.Ki = 1024 * 0;
pid_Task_Letf.Kd = 1024 * 0.08;
pid_Task_Letf.Ur = 1024 * 4000;
pid_Task_Letf.Adjust = 0;
pid_Task_Letf.En = 1;
pid_Task_Letf.speedSet = 0;
pid_Task_Letf.speedNow = 0;
reset_Uk(&pid_Task_Letf);
/***********************右轮速度pid****************************/
pid_Task_Right.Kp = 1024 * 0.35;//0.2
pid_Task_Right.Ki = 1024 * 0; //不使用积分
pid_Task_Right.Kd = 1024 * 0.06;
pid_Task_Right.Ur = 1024 * 4000;
pid_Task_Right.Adjust = 0;
pid_Task_Right.En = 1;
pid_Task_Right.speedSet = 0;
pid_Task_Right.speedNow = 0;
reset_Uk(&pid_Task_Right);
}
/***********************************************************************************************
函 数 名：void reset_Uk(PID_Uint *p)
功 能：初始化U_kk,ekk,ekkk
说 明：在初始化时调用，改变PID参数时有可能需要调用
入口参数：PID单元的参数结构体 地址
************************************************************************************************/
void reset_Uk(struct pid_uint *p)
{
p->U_kk=0;
p->ekk=0;
p->ekkk=0;
}
/***********************************************************************************************
函 数 名：s32 PID_commen(int set,int jiance,PID_Uint *p)
功 能：PID计算函数
说 明：求任意单个PID的控制量
入口参数：期望值，实测值，PID单元结构体
返 回 值：PID控制量
************************************************************************************************/
s32 PID_common(int set,int jiance,struct pid_uint *p)
{
int ek=0,U_k=0;
ek=jiance - set;
U_k=p->U_kk + p->Kp*(ek - p->ekk) + p->Ki*ek + p->Kd*(ek - 2*p->ekk + p->ekkk);
p->U_kk=U_k;
p->ekkk=p->ekk;
p->ekk=ek;
if(U_k>(p->Ur))
U_k=p->Ur;
if(U_k<-(p->Ur))
U_k=-(p->Ur);
return U_k>>10;
}
/***********************************************************************************
** 函数名称 ：void Pid_Which(struct pid_uint *pl, struct pid_uint *pr)
** 函数功能 ：pid选择函数
***********************************************************************************/
void Pid_Which(struct pid_uint *pl, struct pid_uint *pr)
{
/**********************左轮速度pid*************************/
if(pl->En == 1)
{
pl->Adjust = -PID_common(pl->speedSet, pl->speedNow, pl);
}
else
{
pl->Adjust = 0;
reset_Uk(pl);
pl->En = 2;
}
/***********************右轮速度pid*************************/
if(pr->En == 1)
{
pr->Adjust = -PID_common(pr->speedSet, pr->speedNow, pr);
}
else
{
pr->Adjust = 0;
reset_Uk(pr);
pr->En = 2;
}
}
/*******************************************************************************
* 函数名：Pid_Ctrl(int *leftMotor,int *rightMotor)
* 描述 ：Pid控制
*******************************************************************************/
void Pid_Ctrl(int *leftMotor,int *rightMotor)
{
Pid_Which(&pid_Task_Letf, &pid_Task_Right);
*leftMotor += pid_Task_Letf.Adjust;
*rightMotor += pid_Task_Right.Adjust;
}
(2)main.c
#include "sys.h"
//====================自己加入的头文件===============================
#include "delay.h"
#include "led.h"
#include "encoder.h"
#include "usart3.h"
#include "timer.h"
#include "pwm.h"
#include "pid.h"
#include "motor.h"
#include <stdio.h>
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程序功能：直流减速电机的速度闭环控制测试
程序编写：公众号：小白学移动机器人
其他 ：如果对代码有任何疑问，可以私信小编，一定会回复的。
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int leftSpeedNow =0;
int rightSpeedNow =0;
int leftSpeeSet = -300;//mm/s
int rightSpeedSet = -300;//mm/s
int main(void)
{
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_Disable,ENABLE);
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable,ENABLE);//禁用JTAG 启用 SWD
MY_NVIC_PriorityGroupConfig(2); //=====设置中断分组
delay_init(); //=====延时函数初始化
LED_Init(); //=====LED初始化 程序灯
usart3_init(9600); //=====串口3初始化 蓝牙 发送调试信息
Encoder_Init_TIM2(); //=====初始化编码器1接口
Encoder_Init_TIM4(); //=====初始化编码器2接口
Motor_Init(7199,0); //=====初始化PWM 10KHZ，用于驱动电机 如需初始化驱动器接口
TIM3_Int_Init(50-1,7200-1); //=====定时器初始化 5ms一次中断
PID_Init(); //=====PID参数初始化
while(1)
{
//给速度设定值和实时值赋值
pid_Task_Letf.speedSet = leftSpeeSet;
pid_Task_Right.speedSet = rightSpeedSet;
pid_Task_Letf.speedNow = leftSpeedNow;
pid_Task_Right.speedNow = rightSpeedNow;
//执行PID控制函数
Pid_Ctrl(&motorLeft,&motorRight);
//根据PID计算的PWM数据进行设置PWM
Set_Pwm(motorLeft,motorRight);
//打印速度
printf("%d,%d\r\n",leftSpeedNow,rightSpeedNow);
}
}
//5ms 定时器中断服务函数
void TIM3_IRQHandler(void) //TIM3中断
{
if(TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) //检查指定的TIM中断发生与否
{
TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update); //清除TIMx的中断待处理位
Get_Motor_Speed(&leftSpeedNow,&rightSpeedNow);//计算电机速度
Led_Flash(100); //程序闪烁灯
}
}
2.3.4 总结
以上三篇内容，是关于直流减速电机的PWM控制、速度测量以及最后电机速度的闭环控制。现在对于电机的简单控制基本告一段落，对于做一个ROS小车的电机控制，这里基本是足够的。下面我们会介绍使用IIC+DMP获取MPU6050数据。
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