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电机应用开发-直流有刷电机速度环控制实现_直流电机速度环设计

作者：酷酷是懒虫 | 2024-08-11 08:11:08

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直流电机速度环设计

目录

直流有刷电机速度环控制实现

硬件设计

直流电机速度环控制-位置式PID实现

编程要点

配置基本定时器6产生定时中断来执行PID运算

配置定时器1输出PWM控制电机

配置定时器3读取编码器的计数值

编写位置式PID算法

直流电机速度环控制-增量式PID实现

编程要点

配置基本定时器6产生定时中断来执行PID运算

配置定时器1输出PWM控制电机

配置定时器3读取编码器的计数值

编写增量式PID算法

直流有刷电机速度环控制实现

硬件设计

可选：L298N电机驱动板、野火MOS搭建的驱动板。

直流电机速度环控制-位置式PID实现

编程要点

配置基本定时器产生定时中断来执行PID运算

配置定时器输出PWM控制电机

配置定时器读取编码器的计数值

编写位置式PID算法

编写速度控制函数

增加上位机曲线观察相关代码

编写按键控制代码

配置基本定时器6产生定时中断来执行PID运算
  1. TIM_HandleTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
  2.  
  3. /**
  4.   * @brief  初始化基本定时器定时，默认50ms产生一次中断
  5.   * @param  无
  6.   * @retval 无
  7.   */
  8. void TIMx_Configuration(void)
  9. {
  10.     HAL_NVIC_SetPriority(TIM6_DAC_IRQn, 1, 3);
  11.     HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM6_DAC_IRQn);
  12. 	
  13. 	__TIM6_CLK_ENABLE();
  14. 	
  15. 	TIM_TimeBaseStructure.Instance = TIM6;
  16.     TIM_TimeBaseStructure.Init.Period = 50 * 50 - 1;
  17.     TIM_TimeBaseStructure.Init.Prescaler = 1680 - 1;
  18.     TIM_TimeBaseStructure.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  19.     TIM_TimeBaseStructure.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  20.     HAL_TIM_Base_Init(&TIM_TimeBaseStructure);
  21.  
  22.     // 开启定时器更新中断
  23.     HAL_TIM_Base_Start_IT(&TIM_TimeBaseStructure);
  24. 	
  25.     uint32_t temp = (__HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(&TIM_TimeBaseStructure) + 1) / 50.0;  // 计算周期，单位ms
  26.     set_computer_value(SEND_PERIOD_CMD, CURVES_CH1, &temp, 1);  					// 给通道 1 发送目标值
  27. }
  28.  
  29. /**
  30.   * @brief  定时器更新事件回调函数
  31.   * @param  无
  32.   * @retval 无
  33.   */
  34. void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
  35. {
  36.     if (htim == (&TIM_TimeBaseStructure))
  37.     {
  38.         motor_pid_control();	// 每50ms执行一次PID运算
  39.     }
  40. }

配置定时器1输出PWM控制电机
  1. TIM_HandleTypeDef  DCM_TimeBaseStructure;
  2.  
  3. /**
  4.   * @brief  初始化控制通用定时器
  5.   * @param  无
  6.   * @retval 无
  7.   */
  8. void Motor_TIMx_Configuration(void)
  9. {
  10.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  11.     TIM_OC_InitTypeDef  TIM_OCInitStructure;
  12.  
  13. 	__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
  14.     __TIM1_CLK_ENABLE();
  15.  
  16. 	// PA8--PWM_TIM_CH1
  17. 	GPIO_InitStruct.Pin 		= GPIO_PIN_8;
  18.     GPIO_InitStruct.Mode 		= GPIO_MODE_AF_PP;
  19.     GPIO_InitStruct.Speed 		= GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
  20.     GPIO_InitStruct.Alternate 	= PWM_TIM_GPIO_AF;
  21.     HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
  22.  
  23. 	// PA9--PWM_TIM_CH2
  24.     GPIO_InitStruct.Pin 		= GPIO_PIN_9;
  25.     HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
  26.  
  27. 	// TIM1 66.7us一次周期
  28.     DCM_TimeBaseStructure.Instance = TIM1;
  29.     DCM_TimeBaseStructure.Init.Period = 5600 - 1;
  30.     DCM_TimeBaseStructure.Init.Prescaler = 1 - 1;
  31.     DCM_TimeBaseStructure.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  32.     DCM_TimeBaseStructure.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  33.     HAL_TIM_PWM_Init(&DCM_TimeBaseStructure);
  34.  
  35.     /*PWM模式配置*/
  36.     TIM_OCInitStructure.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
  37.     TIM_OCInitStructure.Pulse = 0;
  38.     TIM_OCInitStructure.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
  39.     TIM_OCInitStructure.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_HIGH;
  40.     TIM_OCInitStructure.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_SET;
  41.     TIM_OCInitStructure.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET;
  42.  
  43.     /*配置PWM通道*/
  44.     HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&DCM_TimeBaseStructure, &TIM_OCInitStructure, TIM_CHANNEL_1);
  45.     /*开始输出PWM*/
  46.     HAL_TIM_PWM_Start(&DCM_TimeBaseStructure, TIM_CHANNEL_1);
  47.  
  48.     /*配置PWM通道*/
  49.     HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&DCM_TimeBaseStructure, &TIM_OCInitStructure, TIM_CHANNEL_2);
  50.     /*开始输出PWM*/
  51.     HAL_TIM_PWM_Start(&DCM_TimeBaseStructure, TIM_CHANNEL_2);
  52. }
  53.  
  54. /**
  55.   * @brief  设置TIM通道的占空比
  56. 	* @param  channel		通道	（1,2,3,4）
  57. 	* @param  compare		占空比
  58. 	*	@note 	无
  59.   * @retval 无
  60.   */
  61. void TIM1_SetPWM_pulse(uint32_t channel, int compare)
  62. {
  63.     switch (channel)
  64.     {
  65.         case TIM_CHANNEL_1:
  66.             __HAL_TIM_SET_COMPARE(&DCM_TimeBaseStructure, TIM_CHANNEL_1, compare);
  67.             break;
  68.  
  69.         case TIM_CHANNEL_2:
  70.             __HAL_TIM_SET_COMPARE(&DCM_TimeBaseStructure, TIM_CHANNEL_2, compare);
  71.             break;
  72.  
  73.         case TIM_CHANNEL_3:
  74.             __HAL_TIM_SET_COMPARE(&DCM_TimeBaseStructure, TIM_CHANNEL_3, compare);
  75.             break;
  76.  
  77.         case TIM_CHANNEL_4:
  78.             __HAL_TIM_SET_COMPARE(&DCM_TimeBaseStructure, TIM_CHANNEL_4, compare);
  79.             break;
  80.     }
  81. }

配置定时器3读取编码器的计数值
  1. /* 定时器溢出次数 */
  2. __IO int16_t Encoder_Overflow_Count = 0;
  3.  
  4. TIM_HandleTypeDef TIM_EncoderHandle;
  5.  
  6. /**
  7.   * @brief  编码器接口初始化
  8.   * @param  无
  9.   * @retval 无
  10.   */
  11. void Encoder_Init(void)
  12. {
  13.     GPIO_InitTypeDef 		GPIO_InitStruct = {0};
  14. 	TIM_Encoder_InitTypeDef Encoder_ConfigStructure;
  15.  
  16.     __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
  17. 	__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();
  18.  
  19. 	// PC6--TIM3_CH1
  20.     GPIO_InitStruct.Pin 		= GPIO_PIN_6;
  21.     GPIO_InitStruct.Mode 		= GPIO_MODE_AF_OD;
  22.     GPIO_InitStruct.Pull 		= GPIO_PULLUP;
  23.     GPIO_InitStruct.Speed 		= GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
  24.     GPIO_InitStruct.Alternate 	= GPIO_AF2_TIM3;
  25.     HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
  26.  
  27. 	// PC7--TIM3_CH2
  28.     GPIO_InitStruct.Pin 		= GPIO_PIN_7;
  29.     HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
  30. 	
  31. 	// TIM3 0.78ms一个周期
  32.     TIM_EncoderHandle.Instance 					= TIM3;
  33.     TIM_EncoderHandle.Init.Prescaler 			= 0;
  34.     TIM_EncoderHandle.Init.CounterMode 			= TIM_COUNTERMODE_UP;
  35.     TIM_EncoderHandle.Init.Period 				= 65535;
  36.     TIM_EncoderHandle.Init.ClockDivision 		= TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  37.     TIM_EncoderHandle.Init.AutoReloadPreload 	= TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
  38.  
  39.     /* 设置编码器倍频数 */
  40.     Encoder_ConfigStructure.EncoderMode 		= TIM_ENCODERMODE_TI12;
  41.     Encoder_ConfigStructure.IC1Polarity 		= TIM_ICPOLARITY_RISING;
  42.     Encoder_ConfigStructure.IC1Selection 		= TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
  43.     Encoder_ConfigStructure.IC1Prescaler 		= TIM_ICPSC_DIV1;
  44.     Encoder_ConfigStructure.IC1Filter 			= 0;
  45.     Encoder_ConfigStructure.IC2Polarity 		= TIM_ICPOLARITY_RISING;
  46.     Encoder_ConfigStructure.IC2Selection		= TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
  47.     Encoder_ConfigStructure.IC2Prescaler		= TIM_ICPSC_DIV1;
  48.     Encoder_ConfigStructure.IC2Filter 			= 0;
  49.     HAL_TIM_Encoder_Init(&TIM_EncoderHandle, &Encoder_ConfigStructure);
  50.  
  51.     /* 清零计数器 */
  52.     __HAL_TIM_SET_COUNTER(&TIM_EncoderHandle, 0);
  53.  
  54.     /* 清零中断标志位 */
  55.     __HAL_TIM_CLEAR_IT(&TIM_EncoderHandle, TIM_IT_UPDATE);
  56.     /* 使能定时器的更新事件中断 */
  57.     __HAL_TIM_ENABLE_IT(&TIM_EncoderHandle, TIM_IT_UPDATE);
  58.     /* 设置更新事件请求源为：计数器溢出 */
  59.     __HAL_TIM_URS_ENABLE(&TIM_EncoderHandle);
  60.  
  61.     /* 设置中断优先级 */
  62.     HAL_NVIC_SetPriority(TIM3_IRQn, 0, 1);
  63.     /* 使能定时器中断 */
  64.     HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM3_IRQn);
  65.  
  66.     /* 使能编码器接口 */
  67.     HAL_TIM_Encoder_Start(&TIM_EncoderHandle, TIM_CHANNEL_ALL);
  68. }
  69.  
  70. /**
  71.   * @brief  定时器更新事件回调函数
  72.   * @param  无
  73.   * @retval 无
  74.   */
  75. void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
  76. {
  77.     if (htim == (&TIM_EncoderHandle))
  78.     {
  79.         /* 判断当前计数器计数方向 */
  80.         if (__HAL_TIM_IS_TIM_COUNTING_DOWN(&TIM_EncoderHandle)) 
  81.         {	/* 下溢 */
  82.             Encoder_Overflow_Count--;
  83.         }
  84.         else    
  85.         {	/* 上溢 */
  86.             Encoder_Overflow_Count++;
  87.         }
  88.     }
  89. }

编写位置式PID算法
  1. typedef struct
  2. {
  3.     float target_val;	// 目标值
  4.     float actual_val;	// 实际值
  5.     float err;       	// 定义偏差值
  6.     float err_last;  	// 定义上一个偏差值
  7.     float Kp,Ki,Kd;  	// 定义比例、积分、微分系数
  8.     float integral;  	// 定义积分值
  9. }_pid;					// 位置式PID
  10. _pid pid;
  11.  
  12. /**
  13.   * @brief  PID参数初始化
  14. 	*	@note 	无
  15.   * @retval 无
  16.   */
  17. void PID_param_init(void)
  18. {
  19.     /* 初始化参数 */
  20.     pid.target_val 	= 100.0;
  21.     pid.actual_val 	= 0.0;
  22.     pid.err 		= 0.0;
  23.     pid.err_last 	= 0.0;
  24.     pid.integral 	= 0.0;
  25.     pid.Kp 			= 5.0;
  26.     pid.Ki 			= 2.0;
  27.     pid.Kd 			= 0.0;
  28. 	
  29.     float pid_temp[3] = {pid.Kp, pid.Ki, pid.Kd};
  30.     set_computer_value(SEND_P_I_D_CMD, CURVES_CH1, pid_temp, 3);     // 给通道 1 发送 P I D 值
  31. }
  32.  
  33. /**
  34.   * @brief  设置目标值
  35.   * @param  val		目标值
  36. 	*	@note 	无
  37.   * @retval 无
  38.   */
  39. void set_pid_target(float temp_val)
  40. {
  41.     pid.target_val = temp_val;	// 设置当前的目标值
  42. }
  43.  
  44. /**
  45.   * @brief  获取目标值
  46.   * @param  无
  47. 	*	@note 	无
  48.   * @retval 目标值
  49.   */
  50. float get_pid_target(void)
  51. {
  52.     return pid.target_val;		// 设置当前的目标值
  53. }
  54.  
  55. /**
  56.   * @brief  设置比例、积分、微分系数
  57.   * @param  p：比例系数 P
  58.   * @param  i：积分系数 i
  59.   * @param  d：微分系数 d
  60. 	*	@note 	无
  61.   * @retval 无
  62.   */
  63. void set_p_i_d(float p, float i, float d)
  64. {
  65.     pid.Kp = p;    // 设置比例系数 P
  66.     pid.Ki = i;    // 设置积分系数 I
  67.     pid.Kd = d;    // 设置微分系数 D
  68. }
  69.  
  70. /**
  71.   * @brief  PID算法实现
  72.   * @param  actual_val:实际值
  73.   *	@note 	无
  74.   * @retval 通过PID计算后的输出
  75.   */
  76. float PID_realize(float actual_val)
  77. {
  78.     /*计算目标值与实际值的误差*/
  79.     pid.err = pid.target_val - actual_val;
  80. 	
  81.     /*误差累积*/
  82.     pid.integral += pid.err;
  83. 	
  84.     /*PID算法实现*/
  85.     pid.actual_val = pid.Kp * pid.err + pid.Ki * pid.integral + pid.Kd * (pid.err - pid.err_last);
  86. 	
  87.     /*误差传递*/
  88.     pid.err_last = pid.err;
  89. 	
  90.     /*返回当前实际值*/
  91.     return pid.actual_val;
  92. }
  93.  
  94. /**
  95.   * @brief  电机位置式 PID 控制实现(定时调用)
  96.   * @param  无
  97.   * @retval 无
  98.   */
  99. void motor_pid_control(void)
  100. {
  101.     if (is_motor_en == 1)     					// 电机在使能状态下才进行控制处理
  102.     {
  103.         float cont_val = 0;                     // 当前控制值
  104.         static __IO int32_t Capture_Count = 0;  // 当前时刻总计数值
  105.         static __IO int32_t Last_Count = 0;     // 上一时刻总计数值
  106.         int32_t actual_speed = 0;               // 实际测得速度
  107.  
  108.         /* 当前时刻总计数值 = 计数器值 + 计数溢出次数 * ENCODER_TIM_PERIOD  */
  109.         Capture_Count = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&TIM_EncoderHandle) + (Encoder_Overflow_Count * 65535);
  110.  
  111. 		// 编码器物理分辨率为16，初始化配置后为4倍，即16*4
  112. 		// 减速电机减速比为30，50为基本定时器周期
  113.         // 转速 = 里程/时间，单位为多少转/min。
  114.         /* 转轴转速 = 单位时间内的计数值 / 编码器总分辨率 * 时间系数  */
  115.         actual_speed = ((float)(Capture_Count - Last_Count) / 16 * 4 / 30) / (50 / 1000.0 / 60.0);
  116.  
  117.         /* 记录当前总计数值，供下一时刻计算使用 */
  118.         Last_Count = Capture_Count;
  119.  
  120.         cont_val = PID_realize(actual_speed);    // 进行 PID 计算
  121.  
  122.         if (cont_val > 0)    // 判断电机方向
  123.         {
  124.             set_motor_direction(MOTOR_FWD);
  125.         }
  126.         else
  127.         {
  128.             cont_val = -cont_val;
  129.             set_motor_direction(MOTOR_REV);
  130.         }
  131.  
  132.         cont_val = (cont_val > 5500) ? 5500: cont_val;    	                                // 速度上限处理
  133.         set_motor_speed(cont_val);                                                 			// 设置 PWM 占空比
  134.  
  135.         set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH1, &actual_speed, 1);                	// 给通道 1 发送实际值
  136.     }
  137. }

直流电机速度环控制-增量式PID实现

编程要点

配置基本定时器产生定时中断来执行PID运算

配置定时器输出PWM控制电机

配置定时器读取编码器的计数值

编写增量式PID算法

编写速度控制函数

增加上位机曲线观察相关代码

编写按键控制代码

配置基本定时器6产生定时中断来执行PID运算

同上

配置定时器1输出PWM控制电机

同上

配置定时器3读取编码器的计数值

同上

编写增量式PID算法
  1. typedef struct
  2. {
  3. 	float target_val;	// 目标值
  4. 	float actual_val;	// 实际值
  5. 	float err;       	// 定义当前偏差值
  6. 	float err_next;  	// 定义下一个偏差值
  7. 	float err_last;  	// 定义最后一个偏差值
  8. 	float Kp, Ki, Kd;	// 定义比例、积分、微分系数
  9. }_pid;					// 速度环PID
  10. _pid pid;
  11.  
  12. /**
  13.   * @brief  PID参数初始化
  14. 	*	@note 	无
  15.   * @retval 无
  16.   */
  17. void PID_param_init()
  18. {
  19.     /* 初始化参数 */
  20.     pid.target_val 	= 100;
  21.     pid.actual_val 	= 0.0;
  22.     pid.err 		= 0.0;
  23.     pid.err_last 	= 0.0;
  24.     pid.err_next 	= 0.0;
  25.     pid.Kp 			= 6;
  26.     pid.Ki 			= 2.5;
  27.     pid.Kd 			= 0;
  28.  
  29.     float pid_temp[3] = {pid.Kp, pid.Ki, pid.Kd};
  30.     set_computer_value(SEND_P_I_D_CMD, CURVES_CH1, pid_temp, 3);     // 给通道 1 发送 P I D 值
  31. }
  32.  
  33. /**
  34.   * @brief  设置目标值
  35.   * @param  val		目标值
  36. 	*	@note 	无
  37.   * @retval 无
  38.   */
  39. void set_pid_target(float temp_val)
  40. {
  41.     pid.target_val = temp_val;    // 设置当前的目标值
  42. }
  43.  
  44. /**
  45.   * @brief  获取目标值
  46.   * @param  无
  47. 	*	@note 	无
  48.   * @retval 目标值
  49.   */
  50. float get_pid_target(void)
  51. {
  52.     return pid.target_val;    // 设置当前的目标值
  53. }
  54.  
  55. /**
  56.   * @brief  设置比例、积分、微分系数
  57.   * @param  p：比例系数 P
  58.   * @param  i：积分系数 i
  59.   * @param  d：微分系数 d
  60. 	*	@note 	无
  61.   * @retval 无
  62.   */
  63. void set_p_i_d(float p, float i, float d)
  64. {
  65.     pid.Kp = p;    // 设置比例系数 P
  66.     pid.Ki = i;    // 设置积分系数 I
  67.     pid.Kd = d;    // 设置微分系数 D
  68. }
  69.  
  70. /**
  71.   * @brief  PID算法实现
  72.   * @param  actual_val:实际值
  73. 	*	@note 	无
  74.   * @retval 通过PID计算后的输出
  75.   */
  76. float PID_realize(float actual_val)
  77. {
  78.     /*计算目标值与实际值的误差*/
  79.     pid.err = pid.target_val - actual_val;
  80. 	
  81.     /*PID算法实现*/
  82.     pid.actual_val += pid.Kp * (pid.err - pid.err_next) + pid.Ki * pid.err + pid.Kd * (pid.err - 2 * pid.err_next + pid.err_last);
  83.     
  84. 	/*传递误差*/
  85.     pid.err_last = pid.err_next;
  86.     pid.err_next = pid.err;
  87. 	
  88.     /*返回当前实际值*/
  89.     return pid.actual_val;
  90. }
  91.  
  92. /**
  93.   * @brief  电机增量式 PID 控制实现(定时调用)
  94.   * @param  无
  95.   * @retval 无
  96.   */
  97. void motor_pid_control(void)
  98. {
  99.     if (is_motor_en == 1)     					// 电机在使能状态下才进行控制处理
  100.     {
  101.         static float cont_val = 0;              // 当前控制值
  102.         static __IO int32_t Capture_Count = 0;  // 当前时刻总计数值
  103.         static __IO int32_t Last_Count = 0;     // 上一时刻总计数值
  104.         int32_t actual_speed = 0;               // 实际测得速度
  105.  
  106.         /* 当前时刻总计数值 = 计数器值 + 计数溢出次数 * ENCODER_TIM_PERIOD  */
  107.         Capture_Count = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&TIM_EncoderHandle) + (Encoder_Overflow_Count * 65535);
  108.  
  109.         // 编码器物理分辨率为16，初始化配置后为4倍，即16*4
  110. 		// 减速电机减速比为30，50为基本定时器周期
  111.         // 转速 = 里程/时间，单位为多少转/min。
  112.         /* 转轴转速 = 单位时间内的计数值 / 编码器总分辨率 * 时间系数  */
  113.         actual_speed = ((float)(Capture_Count - Last_Count) / 16 * 4  / 30) / (GET_BASIC_TIM_PERIOD() / 1000.0 / 60.0);
  114.  
  115.         /* 记录当前总计数值，供下一时刻计算使用 */
  116.         Last_Count = Capture_Count;
  117.  
  118.         cont_val = PID_realize(actual_speed);    // 进行 PID 计算
  119.  
  120.         if (cont_val > 0)    // 判断电机方向
  121.         {
  122.             set_motor_direction(MOTOR_FWD);
  123.         }
  124.         else
  125.         {
  126.             cont_val = -cont_val;
  127.             set_motor_direction(MOTOR_REV);
  128.         }
  129.  
  130.         cont_val = (cont_val > 5500) ? 5500: cont_val;                                  // 速度上限处理
  131.         set_motor_speed(cont_val);                                                 		// 设置 PWM 占空比
  132.  
  133.         set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH1, &actual_speed, 1);                // 给通道 1 发送实际值
  134.     }
  135. }

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