第10章 直流有刷电机速度环控制实现
本章我们主要来学习直流有刷电机速度环PID控制的原理，并实现速度环PID控制的实验。
本章分为如下几个小节：
10.1 速度环PID控制原理
10.2 硬件设计
10.3 程序设计
10.4 下载验证
10.1 速度环PID控制原理
速度环PID控制的原理非常简单，我们只需要把PID控制流程中的控制对象换成电机速度即可，如图10.1.1所示：
图10.1.1速度环PID控制流程
图10.1.1中，我们先设置目标转速，系统会计算出偏差e，然后将偏差输入到PID控制的三个环节中，PID计算后的输出值用于控制PWM的占空比，进而控制电机的速度。
10.2 硬件设计
1. 例程功能
1、本实验以电机开发板的直流有刷电机驱动接口1为例，基于编码器测速实验，加入速度环PID控制算法，对电机的速度进行闭环控制。
2、当按键0按下，就增大目标速度值；当按键1按下，就减小目标速度值。目标速度的绝对值大小决定电机的速度，它的正负决定电机的正反转方向。按下按键2则马上停止电机。
3、屏幕显示按键功能、占空比、目标转速以及实际转速。
4、串口1和上位机进行数据通信。
5、LED0闪烁指示程序运行。
2. 硬件资源
1）LED灯
LED0 – PE0
2）独立按键
KEY0 – PE12
KEY1 – PE13
KEY2 – PE14
3）定时器1、3、6
TIM1正常输出通道 PA8
TIM1互补输出通道 PB13
TIM3 编码器A相输入通道 PA6
TIM3 编码器B相输入通道 PA7
4）SD（刹车）信号输出 PC13
5）串口1
USART1_TX PB6（发送）
USART1_RX PB7（接收）
3. 原理图
图10.2.1 直流有刷电机接口1原理图
图10.2.1就是我们DMG474电机开发板的直流有刷电机接口1原理图，本实验我们除了用到基础驱动所需的引脚，还需要用到PM1_ENCA（PA6）、PM1_ENCB（PA7）这两个引脚，它们分别用于连接编码器的A、B两相。
本实验的硬件接线部分和编码器测速实验一模一样，这里就不再赘述，大家可以回顾编码器测速实验的内容。
10.3 程序设计
本实验所用到的基础驱动、编码器测速的代码在前面实验都有介绍过了。我们在程序解析中只讲解速度环PID控制相关的函数，下面介绍一下速度环PID控制的配置步骤。
速度环PID控制的配置步骤
1）配置相关定时器
配置基础驱动、编码器测速相关的定时器，此部分内容和编码器测速实验一致。
2）初始化串口1
初始化串口1，开启串口接收中断，串口1在PID控制代码中用于上位机通信。
注意：在PID控制的代码中，串口1仅用于PID数据上传，尽量不要输出其他信息，否则有可能影响PID数据。
3）定义PID参数结构体变量
为了方便管理PID相关的控制量，我们需要定义一个PID参数结构体变量，方法如下：
PID_TypeDef g_speed_pid; /* 速度环PID参数结构体 */
4）初始化PID参数
把PID控制系统的目标速度值、期望输出值、累计偏差等清零，然后配置PID系数。
5）初始化上位机调试
调用debug_init函数初始化所需内存，为上位机的调试做准备。
6）编写中断服务函数
在定时器6的更新中断回调函数里面进行速度环PID计算，计算后的结果用于控制PWM的占空比。
10.3.1 程序流程图
图10.3.1.1 速度环PID控制程序流程图
10.3.2 程序解析
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。关于基础驱动、编码器测速以及上位机协议的代码，这里不再赘述，大家可以回顾相应的章节。首先我们看串口1的代码，该串口在PID控制代码中用于上位机通信。我们只看串口1中断服务函数，其在usart.c文件中，具体定义如下：
/**
* @brief 串口1中断服务函数
* @param 无
* @retval 无
*/
void USART_UX_IRQHandler(void)
{
uint8_t res;
/* 接收到数据 */
if ((__HAL_UART_GET_FLAG(&g_uart1_handle, UART_FLAG_RXNE) != RESET))
{
HAL_UART_Receive(&g_uart1_handle, &res, 1, 1000);
debug_handle(&res);
}
}
该函数非常简单，当上位机有数据下发时，我们直接调用debug_handle函数来解析上位机下发的数据。
下面我们看速度环PID控制的相关源码，其包括两个文件：pid.c和pid.h。
首先看pid.h头文件的几个宏定义：
/* PID相关参数 */
#define INCR_LOCT_SELECT 0 /* 0：位置式 ，1：增量式 */
#if INCR_LOCT_SELECT
/* 增量式PID参数相关宏 */
#define KP 8.50f /* P参数*/
#define KI 5.00f /* I参数*/
#define KD 0.10f /* D参数*/
#define SMAPLSE_PID_SPEED 50 /* 采样周期 单位ms*/
#else
/* 位置式PID参数相关宏 */
#define KP 10.0f /* P参数*/
#define KI 6.00f /* I参数*/
#define KD 0.5f /* D参数*/
#define SMAPLSE_PID_SPEED 50 /* 采样周期 单位ms*/
#endif
/* PID参数结构体 */
typedef struct
{
__IO float SetPoint; /* 设定目标 */
__IO float ActualValue; /* 期望输出值 */
__IO float SumError; /* 误差累计 */
__IO float Proportion; /* 比例常数 P */
__IO float Integral; /* 积分常数 I */
__IO float Derivative; /* 微分常数 D */
__IO float Error; /* Error[1] */
__IO float LastError; /* Error[-1] */
__IO float PrevError; /* Error[-2] */
} PID_TypeDef;
extern PID_TypeDef g_speed_pid; /* 速度环PID参数结构体 */
可以把上面的宏定义分成两部分，第一部分是PID计算方式以及PID系数的宏定义，我们可以通过改变INCR_LOCT_SELECT这个宏的值来选择相应的PID计算方式，第二部分则是PID参数相关的结构体，这个结构体用于管理PID控制所需要的控制量，本实验中我们定义了速度环PID参数的结构体变量g_speed_pid。
下面看pid.c的程序，这里我们只介绍PID初始化函数，关于PID闭环控制的函数介绍请回顾8.3章节，PID初始化函数定义如下：
/**
* @brief pid初始化
* @param 无
* @retval 无
*/
void pid_init(void)
{
g_speed_pid.SetPoint = 0; /* 设定目标值 */
g_speed_pid.ActualValue = 0.0; /* 期望输出值 */
g_speed_pid.SumError = 0.0; /* 积分值 */
g_speed_pid.Error = 0.0; /* Error[1] */
g_speed_pid.LastError = 0.0; /* Error[-1] */
g_speed_pid.PrevError = 0.0; /* Error[-2] */
g_speed_pid.Proportion = KP; /* 比例常数 Proportional Const */
g_speed_pid.Integral = KI; /* 积分常数 Integral Const */
g_speed_pid.Derivative = KD; /* 微分常数 Derivative Const */
}
该函数主要是将PID控制系统的目标速度值、期望输出值、累计偏差等清零，然后配置PID系数。
最后要介绍的是定时器的更新中断回调函数，它在dcmotor_time.c中实现，具体的定义如下：
/**
* @brief 定时器更新中断回调函数
* @param htim:定时器句柄指针
* @note 此函数会被定时器中断函数共同调用的
* @retval 无
*/
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
static uint8_t val = 0;
/* 定时器3相关程序 */
if (htim->Instance == TIM3)
{
/* 判断CR1的DIR位 */
if(__HAL_TIM_IS_TIM_COUNTING_DOWN(&g_timx_encode_chy_handle))
{
g_timx_encode_count--; /* DIR位为1，也就是递减计数 */
}
else
{
g_timx_encode_count++; /* DIR位为0，也就是递增计数 */
}
}
/* 定时器6相关程序 */
else if (htim->Instance == TIM6)
{
int Encode_now = gtim_get_encode(); /* 获取编码器值，用于计算速度 */
speed_computer(Encode_now, 5); /* 5ms计算一次速度 */
if (val % SMAPLSE_PID_SPEED == 0) /* 50ms进行一次pid计算 */
{
if (g_run_flag) /* 判断电机是否启动了*/
{
/* PID计算，输出比较值（占空比） */
g_motor_data.motor_pwm = increment_pid_ctrl(&g_speed_pid,
g_motor_data.speed);
/* 限制输出 */
if (g_motor_data.motor_pwm >= 8200)
{
g_motor_data.motor_pwm = 8200;
}
else if (g_motor_data.motor_pwm <= -8200)
{
g_motor_data.motor_pwm = -8200;
}
#if DEBUG_ENABLE /* 发送基本参数*/
/* 选择通道1，发送实际速度（波形显示）*/
debug_send_wave_data( 1 ,g_motor_data.speed);
/* 选择通道2，发送目标速度（波形显示）*/
debug_send_wave_data( 2 ,g_speed_pid.SetPoint);
/* 选择通道3，发送占空比（波形显示）*/
debug_send_wave_data( 3 ,g_motor_data.motor_pwm * 100 / 8400);
#endif
motor_pwm_set(g_motor_data.motor_pwm); /* 设置电机转速 */
}
val = 0;
}
val ++;
}
}
该函数我们只介绍定时器6相关的程序，进入更新中断回调函数后，所执行的代码逻辑如下：
第一步，判断是不是定时器6的寄存器基地址，如果是则获取编码器的计数总值，然后每隔5ms计算一次电机速度。
第二步，每隔50ms进行一次PID计算，在计算PID之前，需要判断g_run_flag是否为1，如果是则说明电机已经启动，可以开始PID计算。
第三步，进行速度环PID计算，返回的输出存放在g_motor_data.motor_pwm这个成员中，该成员用于设置PWM的占空比，除此之外，我们还需要对返回的输出进行限制，这一点非常重要。
第四步，发送实际速度、目标速度以及占空比的波形数据到上位机，最后设置PWM的占空比，进而控制电机的转速。
在main.c里面编写如下代码：
int main(void)
{
uint8_t key;
uint16_t t;
uint8_t debug_cmd = 0;
HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */
sys_stm32_clock_init(85, 2, 2, 4, 8); /* 设置时钟,170Mhz */
delay_init(170); /* 延时初始化 */
usart_init(115200); /* 串口初始化为115200 */
led_init(); /* 初始化LED */
lcd_init(); /* 初始化LCD */
key_init(); /* 初始化按键 */
pid_init(); /* 初始化PID参数 */
/* 170 000 000 / 1 = 170 000 000 170Mhz的计数频率，计数8500次为50us */
atim_timx_cplm_pwm_init(8500 - 1, 0);
dcmotor_init(); /* 初始化电机 */
gtim_timx_encoder_chy_init(0XFFFF - 1, 0); /* 编码器定时器初始化，不分频 */
btim_timx_int_init(1000 - 1 , 170 - 1); /* 基本定时器初始化，1ms计数周期*/
#if DEBUG_ENABLE /* 开启调试 */
debug_init(); /* 初始化调试 */
debug_send_motorcode(DC_MOTOR); /* 上传电机类型（直流有刷电机） */
debug_send_motorstate(IDLE_STATE); /* 上传电机状态（空闲） */
/* 同步数据（选择第1组PID,目标速度地址,P,I,D参数）到上位机 */
debug_send_initdata(TYPE_PID1, (float*)(&g_speed_pid.SetPoint),KP,KI,KD);
#endif
lcd_show_string(10, 10, 200, 24, 24, "DcMotor Test", RED);
lcd_show_string(10, 40, 200, 24, 24, "KEY0:Forward", RED);
lcd_show_string(10, 70, 200, 24, 24, "KEY1:Backward", RED);
lcd_show_string(10, 100, 200, 24, 24, "KEY2:Stop", RED);
while (1)
{
key = key_scan(0); /* 按键扫描 */
if(key == KEY0_PRES) /* 当key0按下 */
{
g_run_flag = 1; /* 标记电机启动 */
g_speed_pid.SetPoint += 30;
if (g_speed_pid.SetPoint == 0)
{
dcmotor_stop(); /* 停止则立刻响应 */
g_motor_data.motor_pwm = 0;
motor_pwm_set(g_motor_data.motor_pwm); /* 设置电机转速 */
}
else
{
dcmotor_start(); /* 开启电机 */
if (g_speed_pid.SetPoint >= 300) /* 限速 */
{
g_speed_pid.SetPoint = 300;
}
#if DEBUG_ENABLE
debug_send_motorstate(RUN_STATE); /* 上传电机状态 */
#endif
}
}
else if(key == KEY1_PRES) /* 当key1按下 */
{
g_run_flag = 1; /* 标记电机启动 */
g_speed_pid.SetPoint -= 30;
if (g_speed_pid.SetPoint == 0)
{
dcmotor_stop(); /* 停止则立刻响应 */
g_motor_data.motor_pwm = 0;
motor_pwm_set(g_motor_data.motor_pwm); /* 设置电机转速*/
}
else
{
dcmotor_start(); /* 开启电机 */
if (g_speed_pid.SetPoint <= -300) /* 限速 */
{
g_speed_pid.SetPoint = -300;
}
#if DEBUG_ENABLE
debug_send_motorstate(RUN_STATE); /* 上传电机状态 */
#endif
}
}
else if(key == KEY2_PRES) /* 当key2按下 */
{
dcmotor_stop(); /* 停止电机 */
pid_init(); /* 重置pid参数 */
g_run_flag = 0; /* 标记电机停止 */
g_motor_data.motor_pwm = 0;
motor_pwm_set(g_motor_data.motor_pwm); /* 设置电机速度*/
#if DEBUG_ENABLE
debug_send_motorstate(BREAKED_STATE); /* 上传电机状态 */
debug_send_initdata(TYPE_PID1, (float *)(&g_speed_pid.SetPoint),
KP, KI, KD); /* 同步数据 */
#endif
}
#if DEBUG_ENABLE
/* 查询接收PID助手的PID参数 */
debug_receive_pid(TYPE_PID1, (float*)&g_speed_pid.Proportion,
(float*)&g_speed_pid.Integral, (float*)&g_speed_pid.Derivative);
debug_set_point_range(300, -300, 300); /* 设置目标速度范围*/
debug_cmd = debug_receive_ctrl_code(); /* 读取上位机指令 */
if (debug_cmd == BREAKED) /* 电机刹车 */
{
dcmotor_stop(); /* 停止电机 */
pid_init(); /* 重置pid参数 */
g_run_flag = 0; /* 标记电机停止 */
g_motor_data.motor_pwm = 0;
motor_pwm_set(g_motor_data.motor_pwm); /* 设置电机转向速度*/
debug_send_motorstate(BREAKED_STATE); /* 上传电机状态 */
debug_send_initdata(TYPE_PID1, (float*)(&g_speed_pid.SetPoint),
KP, KI, KD);
}
else if (debug_cmd == RUN_CODE) /* 电机运行 */
{
dcmotor_start(); /* 开启电机 */
g_speed_pid.SetPoint = 30; /* 设置速度30RPM */
g_run_flag = 1; /* 标记电机启动 */
debug_send_motorstate(RUN_STATE); /* 上传电机状态 */
}
#endif
t++;
if(t % 20 == 0)
{
lcd_dis(); /* 显示数据 */
LED0_TOGGLE(); /* LED0(红灯)翻转*/
#if DEBUG_ENABLE
debug_send_speed(g_motor_data.speed); /* 发送速度 */
#endif
}
delay_ms(10);
}
}
main.c的代码逻辑如下：
第一步，初始化相关的定时器、串口，本实验需要利用串口1和上位机进行通讯。
第二步，初始化PID参数、上位机调试，它们分别调用的是pid_init和debug_init函数。
第三步，上传电机的状态（空闲）、类型（直流有刷电机）、PID参数到上位机，它们分别调用的是debug_send_motorcode、debug_send_motorstate以及debug_send_initdata函数。
第四步，在while循环里面检测按键是否按下，如果key0按下，则目标速度增加30，上传电机状态（运行）；如果key1按下，则目标速度减小30，上传电机状态（运行）；如果key2按下，则停止电机，重置PID参数，并重新上传电机状态（刹车）以及PID参数到上位机。
第五步，接收上位机下发的PID参数、设置目标速度的调节范围，它们分别调用的是debug_receive_pid以及debug_set_point_range函数。我们这里重点介绍一下后者，debug_set_point_range函数的第一、二个入口参数分别传入目标速度的最大值、最小值，它们的正负号代表电机的正反转方向，第三个入口参数传入的是电机速度的最大突变值。
第六步，调用debug_receive_ctrl_code函数，接收上位机下发的命令。如果上位机的命令为BREAKED（刹车），则停止电机，重置PID参数，并重新上传电机状态（刹车）以及PID参数到上位机；如果上位机的命令是RUN_CODE，则开启电机，设置目标速度为30RPM，上传电机状态（运行）到上位机。
第七步，每隔200ms更新一次数据到屏幕，调用debug_send_speed函数发送实际速度值到上位机。
10.4 下载验证
下载代码后，可以看到LED0在闪烁，说明程序已经正常在跑了，LCD上显示按键功能、占空比以及电机速度信息，当我们按下KEY0，目标速度将增大；按下KEY1，目标速度将减小；按下KEY2，电机将停止。目标速度为正数时，电机正转，反之电机反转。我们再打开PID调试助手，选择对应的串口端口，我这边是COM7，接着选择通道1和2，点击“开始”按钮，即可开始显示波形，如下图10.4.1所示：
图10.4.1 速度环PID控制波形
图10.4.1中，橙线代表目标速度，红线代表实际速度，当我们按下KEY0，目标速度增大，橙线先发生变化，而红线（实际速度）会逐渐靠近橙线（目标速度）；按下KEY1，目标速度将减小，曲线的变化同理；按下KEY2，电机将停止，目标速度将为0。
注意：1、本实验需要使用USB数据线连接开发板的串口1到电脑，并启动电机之后才会有波形变化；2、如果发现波形不对，请检查电机的M+和M-接线；3、PID系数并不是通用的，如果PID曲线不理想，大家需要根据自己的实际系统去调节。
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