• 直流无刷电机PID控制

    最近做了直流无刷减速电机的控制的项目，针对项目中遇到的问题做下总结。
    #PID_Control

    PID 代码（速度环 位置环 串级）

    STM32F407VET6

    STM32CubeMX

    更新记录

    V1.0.0 2022/8/5

    1. 完善了RTOS程序模板，包括RTT功能.
    2. 完成了位置PID 速度环控制.
    3. 增加了上位机串口通信协议，可用上位机调节PID参数.

    V1.0.1 2022/8/8

    1. 实现了通过M法测速 将单位时间内编码器的脉冲数转换为速度，
      速度分两个 a、电机转子的转速 b、减速器输出轴转速

    b = a / REDUCTION_RATIO(减速比).

    /* 转轴转速 = 单位时间内的计数值 / 编码器总分辨率 * 时间系数 */
    Shaft_Speed = ((float)(pitch_cfg.cnt)) / (((float)(ENCODER_TOTAL_RESOLUTION)) * 0.01f);

    2、需要理清楚几个概念：

    1、每转脉冲数 PPR 圆周分辨率，Pulse Per Revolution 或 PPR （分辨率）
    2、每转计数 CPR CPR = PPR * 4
    3、RPM 每分钟转速

    例如,某旋转编码器的分辨率为100PPR,表示每旋转一圈,该编码器可输出100个脉冲信号;
    同理,某旋转编码器的分辨率为256PPR,则表示每旋转一圈的脉冲数为256个.

    3、设置PID的目标值 为转轴转速 来实现调速，减速器输出轴转速太小了，上位机不支持.

    V1.0.2 2022/8/11

    1. 增加了对电机位置的控制，通过控制脉冲数控制电机位置
      /* 电机转一圈的脉冲数*/
      #define PULSE_SUM 124264=12672

    V1.0.3 2022/8/16

    1. 增加了串级PID，位置环和速度环
      /* 电机转一圈的脉冲数*/
      #define PULSE_SUM 12672 // htim3.Init.Prescaler = 0，理论上最多可转4圈
      #define PULSE_SUM_FOUR 3168 // htim3.Init.Prescaler = 4-1 ,相当于之前1us采集一次编码器脉冲，现在4us采集一次，总采集数为65535 一圈脉冲数为 3168，理论上最多可转20圈，而且速度按最大值进行旋转，所以位置PID速度不可控。
    /* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* 编码器接口倍频数 */
#define ENCODER_MODE                           TIM_ENCODERMODE_TI12
#define PITCH_TICK2DEG                     0.028869198  //TT电机
#define PITCH_MOTOR_MAX_OUTPUT             400          //扭矩
#define YAW_MOTOR_MAX_OUTPUT               400
#define DOWN_LIMIT_OFFSET                  -200
#define ENCODER_TIM_PERIOD                 65535   /*计数器最大值*/
/* 编码器物理分辨率 */
#define ENCODER_RESOLUTION                  12         //PPR
/* 减速电机减速比 */
#define REDUCTION_RATIO                     264
/* 电机转一圈的脉冲数*/
#define PULSE_SUM                           12672   // htim3.Init.Prescaler = 0，理论上最多可转4圈
#define PULSE_SUM_FOUR                      3168    // htim3.Init.Prescaler = 4-1 ,相当于之前1us采集一次编码器脉冲，现在4us采集一次，
                                                    // 总采集数为65535  一圈脉冲数为 3168，理论上最多可转20圈，而且速度按最大值进行旋转，所以位置PID速度不可控。
/* 经过倍频之后的总分辨率 */
#if (ENCODER_MODE == TIM_ENCODERMODE_TI12)
  #define ENCODER_TOTAL_RESOLUTION             (ENCODER_RESOLUTION * 4)  /* 4倍频后的总分辨率 CPR*/
#else
  #define ENCODER_TOTAL_RESOLUTION             (ENCODER_RESOLUTION * 2)  /* 2倍频后的总分辨率 */
#endif

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    /***
* @brief  bsp_motor_get_position
* @param  None
* @retval None
*/
int16_t bsp_motor_get_position(motor_id_e id)
{
  int32_t pos = 0;
  if(id == YAW_MOTOR)
  {
    pos = -(int16_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim4);
    //pos = (int16_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3);
  }
  else if(id == PITCH_MOTOR)
  {
    //pos = (int32_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2);
    pos = (int16_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim1);
  }
  return pos;
}

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    一、速度环PID

    /***
* @brief  pitch_test
* @param  None
* @retval None
*/
/* 电机转轴转速 */
__IO float Shaft_Speed = 0.0f;

void vPitch_Task(void const * argument)
{
  TickType_t xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();
	//set_p_i_d(15.0, 2.0, 0.0);
	//set_pid_target(30.0);
	static int count = 0;
  int test = 1;
	int pid_out = 0;
	
  pitch_cfg.pwm = 0;
  pitch_cfg.run2up = 1;

  while(test)
  {
    vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, pdMS_TO_TICKS(10));
 
    if(pitch_cfg.run2up)
    {
      bsp_motor_set_direction(PITCH_MOTOR, HD2UP);//向上运动
			//bsp_motor_set_speed(PITCH_MOTOR, &(pitch_cfg.pwm));
    }
    else
    {
      bsp_motor_set_direction(PITCH_MOTOR, HD2DOWN);//向上运动
    }
    
    pitch_cfg.cnt = bsp_motor_get_position(PITCH_MOTOR);
		DBG_Printf("%s: Encoder:%d \r\n", __FUNCTION__, pitch_cfg.cnt);
		/* 转轴转速 = 单位时间内的计数值 / 编码器总分辨率 * 时间系数  */
    Shaft_Speed = ((float)(pitch_cfg.cnt)) / (((float)(ENCODER_TOTAL_RESOLUTION)) * 0.01f);
		
		DBG_Printf("Speed of motor shaft:%f r/s \r\n", Shaft_Speed);  //电机转子的转速
		//DBG_Printf("SPeed of motor output shaft:%f r/s \r\n", Shaft_Speed / REDUCTION_RATIO);  //减速器输出轴的转速
		
		uint32_t speed_temp = 0;
		speed_temp = (uint32_t)Shaft_Speed;
#if (PID_ASSISTANT_EN)
	count++;
	if (count==8)
	{
		count = 0;
		set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH1, &speed_temp , 1); // 给通道 1 发送实际值
	}

#endif
	
		pid_out = (int)PID_realize(speed_temp);
		
		DBG_Printf("%s: PID_OUT:%d \r\n", __FUNCTION__, pid_out);
		pitch_cfg.pwm = pwm_val_protect(pid_out);
	  DBG_Printf("%s: PWM:%d \r\n", __FUNCTION__, pitch_cfg.pwm);
	  DBG_Printf("\r\n");
	  bsp_motor_set_speed(PITCH_MOTOR, &(pitch_cfg.pwm));
  }
}

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    二、位置环PID

    /***
* @brief
*   pitch_test
* @param  None
* @retval None
*/
/* 电机转轴转速 */
__IO float Shaft_Speed = 0.0f;
extern __IO int16_t EncoderOverflowCnt;

void vPitch_Task(void const * argument)
{
  TickType_t xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();
	 __IO int32_t encoderNow = 0;    /*当前时刻总计数值*/
	
	//set_p_i_d(15.0, 2.0, 0.0);
	//set_pid_target(30.0);
	static int count = 0;
  int test = 1;
	int pid_out = 0;
	
  pitch_cfg.pwm = 0;
  pitch_cfg.run2up = 1;

  while(test)
  {
    vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, pdMS_TO_TICKS(10));
 
		
    if(pitch_cfg.run2up)
    {
      bsp_motor_set_direction(PITCH_MOTOR, HD2UP);//向上运动
			//bsp_motor_set_speed(PITCH_MOTOR, &(pitch_cfg.pwm));
    }
    else
    {
      bsp_motor_set_direction(PITCH_MOTOR, HD2DOWN);//向上运动
    }
		DBG_Printf("\r\n");
    pitch_cfg.cnt = bsp_motor_read_encoder(PITCH_MOTOR);
		DBG_Printf("%s: Encoder:%d \r\n", __FUNCTION__,pitch_cfg.cnt);
		DBG_Printf("%s:flowCnt:%d \r\n", __FUNCTION__,EncoderOverflowCnt);
		/*【1】读取编码器的值*/
		encoderNow = pitch_cfg.cnt + EncoderOverflowCnt * ENCODER_TIM_PERIOD;/*获取当前的累计值*/
   
		DBG_Printf("%s: encoder_Now:%d \r\n", __FUNCTION__, encoderNow);
		/*【2】PID运算，得到PWM控制值*/
		pid_out = (int)PID_realize(encoderNow);
		DBG_Printf("%s: pid_out:%d \r\n", __FUNCTION__, pid_out);
		pitch_cfg.pwm = pwm_val_protect(pid_out);
		
	
		/*【3】PWM控制电机*/
		DBG_Printf("%s: pwm:%d \r\n", __FUNCTION__, pitch_cfg.pwm);
	  uint32_t value_tt = 0;
	if (pid.target_val > 0)
    {
		  bsp_motor_set_direction(PITCH_MOTOR, HD2UP);//向上运动
			bsp_motor_set_speed(PITCH_MOTOR, &(pitch_cfg.pwm));/*传入编码器的[总计数值]，实现电机【位置】控制*/
		}	
    else if (pid.target_val < 0)	
    {
		  bsp_motor_set_direction(PITCH_MOTOR, HD2DOWN);//向下运动
			bsp_motor_set_speed(PITCH_MOTOR, &(pitch_cfg.pwm));/*传入编码器的[总计数值]，实现电机【位置】控制*/
		}	
    else
    {
		  bsp_motor_set_speed(PITCH_MOTOR, &value_tt);
		}			
	  
		/*【4】数据上传到上位机显示*/
#if (PID_ASSISTANT_EN)
	count++;
	if (count==8)
	{
		count = 0;
		int Temp = encoderNow;
		set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH1, &Temp , 1); // 给通道 1 发送实际值
	}

#endif
  }
}

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    三、串级PID

    /***
* @brief  pitch_test
* @param  None
* @retval None
*/
/* 电机转轴转速 */

extern __IO int16_t EncoderOverflowCnt;

void vPitch_Task(void const * argument)
{
  TickType_t xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();
	int encoderNow = 0;    /*当前时刻总计数值*/
	static uint32_t location_timer = 0;    // 位置环周期
	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*/
	static int count = 0;
  int32_t actual_speed = 0.0f;
  int test = 1;
	uint32_t value_tt = 0;
	int actual_speed_int = 0;
	
  pitch_cfg.pwm = 0;
 
  while(test)
  {
    vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, pdMS_TO_TICKS(10));
 
		DBG_Printf("\r\n");
    pitch_cfg.cnt = bsp_motor_read_encoder(PITCH_MOTOR);
		DBG_Printf("%s: Encoder:%d \r\n", __FUNCTION__,pitch_cfg.cnt);
		DBG_Printf("%s:flowCnt:%d \r\n", __FUNCTION__,EncoderOverflowCnt);
		
		/*【1】读取编码器的值*/
		encoderNow = pitch_cfg.cnt + EncoderOverflowCnt * ENCODER_TIM_PERIOD;/*获取当前的累计值*/
		
    /* 计算速度环的传入值 */
		encoderDelta = encoderNow - encoderLast; /*得到变化值  速度环的传入值*/
	  encoderLast = encoderNow;/*更新上次的累计值*/
		
		DBG_Printf("%s: encoderNow:%d \r\n", __FUNCTION__, encoderNow);
		DBG_Printf("%s: encoderDelta:%d \r\n", __FUNCTION__, encoderDelta);
		/*【2】位置PID运算，得到速度目标值*/
		if ((location_timer++ % 2) == 0)
		{
		  float control_val = 0;   /*当前控制值*/
			/*位置PID计算*/
		  control_val = location_pid_realize(&pid_location, encoderNow);  
		  DBG_Printf("%s: speed_current:%.2f \r\n", __FUNCTION__, control_val);
      /*目标速度值限制*/
		  speed_val_protect(&control_val);

		  /*设定速度PID的目标值*/
		  set_pid_target(&pid_speed, control_val); 
			DBG_Printf("%s: pid_speed_target:%.2f \r\n", __FUNCTION__, control_val);
			
			#if defined(PID_ASSISTANT_EN)
			if ((location_timer % 16) == 8)
			{
				int temp_speed = 0;
				temp_speed = (int)control_val;
				set_computer_value(SEND_TARGET_CMD, CURVES_CH2, &temp_speed, 1);     // 给通道2发送速度目标值
			}
			#endif
		}
		
		/*【3】速度PID运算，得到PWM控制值*/
		actual_speed = (int32_t)((encoderDelta) / (ENCODER_TOTAL_RESOLUTION*0.01f));
		DBG_Printf("%s: actual_speed:%d \r\n", __FUNCTION__, actual_speed);
		
		actual_speed_int = actual_speed;
		pitch_cfg.pwm =  pwm_val_protect((int)speed_pid_realize(&pid_speed, actual_speed));

		DBG_Printf("%s: actual_pwm:%d \r\n", __FUNCTION__, pitch_cfg.pwm);
		if (pid_speed.target_val > 0)
    {
		  bsp_motor_set_direction(PITCH_MOTOR, HD2UP);//向上运动
			bsp_motor_set_speed(PITCH_MOTOR, &(pitch_cfg.pwm));/*传入编码器的[总计数值]，实现电机【位置】控制*/
		}	
    else if (pid_speed.target_val < 0)	
    {
		  bsp_motor_set_direction(PITCH_MOTOR, HD2DOWN);//向下运动
			bsp_motor_set_speed(PITCH_MOTOR, &(pitch_cfg.pwm));/*传入编码器的[总计数值]，实现电机【位置】控制*/
		}	
    else
    {
		  bsp_motor_set_speed(PITCH_MOTOR, &value_tt);
		}			
	  
		/*【4】数据上传到上位机显示*/
#if (PID_ASSISTANT_EN)
	count++;
	if(count%12 == 5)
	{
		set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH1, &encoderNow, 1);   /*给通道1发送实际的电机【位置】值*/
	}
	else if(count%12 == 10)
	{
		set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH2, &actual_speed_int, 1); /*给通道2发送实际的电机【速度】值*/
	}

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  }
}

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  • 原文地址：https://blog.csdn.net/qq_26972441/article/details/126547559