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標題: 使用增量式PID對直流電機進行簡單的控制 [打印本頁]

作者: kaixuan520 時間: 2019-7-12 09:46
標題: 使用增量式PID對直流電機進行簡單的控制
本帖最后由 kaixuan520 于 2019-7-12 10:04 編輯

位置式PID控制
位置式PID控制是指在積分環(huán)節(jié)，對從0時刻到當前時刻的所有偏差進行積分，是非遞推式的全局積分。
增量式PID控制
和位置式PID控制不同，增量式PID控制將當前時刻的控制量和上一時刻的控制量做差，以差值為新的控制量，是一種遞推式的算法。
增量式PID控制的主要優(yōu)點為：
①算式中不需要累加。控制增量Δu(k)的確定僅與最近3次的采樣值有關(guān)，容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果；
②計算機每次只輸出控制增量，即對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)位置的變化量，故機器發(fā)生故障時影響范圍小、不會嚴重影響生產(chǎn)過程；
③手動—自動切換時沖擊小。當控制從手動向自動切換時，可以作到無擾動切換[2] 。
由于增量式需要對控制量進行記憶，所以對于不帶記憶裝置的系統(tǒng)，只能使用位置式PID控制方式進行控制。

公式：

上代碼：
使用定時器3作為PWM輸出，頻率為20KHz，調(diào)節(jié)占空比0-100%來改變電機速度
//TIM3初始化和輸出GPIO初始化
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitTypeStruct;
GPIO_InitTypeStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitTypeStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
GPIO_InitTypeStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitTypeStruct);
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitTypeStruct;
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_Period = 99;
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_Prescaler = 35;             //20KHz
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_RepetitionCounter = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseInitTypeStruct);

TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitTypeStruct;
TIM_OCInitTypeStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitTypeStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OCInitTypeStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitTypeStruct.TIM_Pulse = DutyCycle;                                                             //占空比
TIM_OC1Init(TIM3,&TIM_OCInitTypeStruct);

TIM_OC1PreloadConfig(TIM3,TIM_OCPreload_Enable);

TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);

//使用定時器1作輸入捕獲，PWM輸入模式，
//GPIO和定時器1初始化
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitTypeStruct;
GPIO_InitTypeStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_InitTypeStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitTypeStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitTypeStruct);

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1,ENABLE);

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitTypeStruct;
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_Period = TIM1_ARR;
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_Prescaler = TIM1_PSC;
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_RepetitionCounter = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM1,&TIM_TimeBaseInitTypeStruct);

TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitTypeStruct;
TIM_ICInitTypeStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
TIM_ICInitTypeStruct.TIM_ICFilter = 0x0f;//對輸入的脈沖進行濾波
TIM_ICInitTypeStruct.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
TIM_ICInitTypeStruct.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
TIM_ICInitTypeStruct.TIM_ICSelection =  TIM_ICSelection_DirectTI;
TIM_PWMIConfig(TIM1,&TIM_ICInitTypeStruct);

TIM_SelectInputTrigger(TIM1,TIM_TS_TI1FP1);             //選擇輸入觸發(fā)方式
TIM_SelectSlaveMode(TIM1,TIM_SlaveMode_Reset);       //設(shè)置從機模式
TIM_SelectMasterSlaveMode(TIM1,TIM_MasterSlaveMode_Enable);//

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitTypeStruct;
NVIC_InitTypeStruct.NVIC_IRQChannel = TIM1_CC_IRQn;//輸入捕獲中斷線
NVIC_InitTypeStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_InitTypeStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
NVIC_InitTypeStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
NVIC_Init(&NVIC_InitTypeStruct);

TIM_ITConfig(TIM1,TIM_IT_CC1,ENABLE);//使能通道1捕獲中斷

TIM_ClearITPendingBit(TIM1,TIM_IT_CC1);

TIM_Cmd(TIM1,ENABLE);

//通過輸入捕獲中斷函數(shù)來取得電機編碼器的頻率，占空比，周期，從而計算出速度
uint16_t IC1V;
uint16_t IC2V;
void TIM1_CC_IRQHandler(void)
{
TIM_ClearITPendingBit(TIM1,TIM_IT_CC1);

IC1V = TIM_GetCapture1(TIM1);//周期us
IC2V = TIM_GetCapture2(TIM1);//占空比
if(IC1V!=0)
{
      IC1V+=1;
      IC2V+=1;
      float d1 = ((float)IC1V/1000);
      float d2 = ((float)IC2V/1000);
      float f = (float)IC1V/1000000;
      DutyCycle = 100*d2/d1;//占空比
      Frequency = 1/f;       //計算出編碼器的頻率
      Period = (float)IC1V/1000;//周期ms
} else {
      Frequency = 0;
      DutyCycle = 0;
}
}

//再使用一個100ms的定時器來每秒10次的數(shù)據(jù)采集和控制，定時器初始化就不貼了，具體看附件

float M_PWM = 0;
float M_Speed = 0;
uint8_t xi=0;
void TIM2_IRQHandler(void)//100ms定時器中斷
{
if(TIM_GetITStatus(TIM2,TIM_IT_Update)!=RESET)
{
      //if(Frequency!=0) {
      GPIOB->ODR ^= GPIO_Pin_5;
      M_Speed = Frequency;
      M_Speed /= 20;
            Frequency = 0;

      int value = Compute_PID((uint16_t)(M_Speed*100));//進行PID計算，返回PWM占空比
            int y = value;
      float n = value/100;
      M_PWM += n;

      if(xi==0) {//沒500ms向串口發(fā)送一次數(shù)據(jù)
                     printf("當前轉(zhuǎn)速：%0.2f\r\n",M_Speed);
                     printf("目標轉(zhuǎn)速：%d\r\n",(uint16_t)PID_Struct->SetPoint/100);
         printf("P:%0.4f,I:%0.4f,D:%0.4f,LE:%d,PE:%d,VO:%d,MO:%d\r\n",//PID相關(guān)參數(shù)信息，
                     PID_Struct->Proportion,PID_Struct->Integral,PID_Struct->Derivaltive,
                     PID_Struct->LastError,PID_Struct->PreError,y,(int)M_PWM);
         printf("Period:%0.4fms, Frequency:%0.4fHz, DutyCycle:%0.4f%%\r\n",Period,Frequency,DutyCycle);//PWM輸出的周期，頻率，占空比
         printf("\r\n\r\n");
      }
      xi++;
      xi%= 5;
      if(M_PWM>100)M_PWM = 100;             //防止越過最大和最小控制量
      if(M_PWM<0)M_PWM = 0;
      TIM_SetCompare1(TIM3,(uint16_t)M_PWM);
      //}
      TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update);
}
}

PID算法結(jié)構(gòu)體
typedef struct {
int SetPoint;                      //設(shè)定值
long SumError;                      //累計誤差

double Proportion;             //比例
double Integral;             //積分
double Derivaltive;             //微分

int LastError;                      //上次誤差
int PreError;                      //上上次誤差
} PID_S;

static PID_S PID_Struct_;
static PID_S *PID_Struct = &PID_Struct_;

//main：
/PID參數(shù)整定方法請轉(zhuǎn)各大論壇查找教程，這里不詳細介紹
PID_Struct->Proportion = 1.92;
PID_Struct->Integral = 1.65;
PID_Struct->Derivaltive = 0.116;
PID_Struct->SetPoint = 80*100;

//PID計算
int Compute_PID(uint16_t nowValue)
{
register int iError,Ouk;
iError = PID_Struct->SetPoint - nowValue;//當前誤差
// PID_Struct ->SumError += iError;

Ouk = (PID_Struct->Proportion * iError)
      - (PID_Struct->Integral * PID_Struct->LastError)
      + (PID_Struct->Derivaltive *PID_Struct->PreError);

PID_Struct->PreError = PID_Struct->LastError;

PID_Struct->LastError = iError;
return Ouk;
}

電路方面制作
電機使用12V掃地機器人的電機，編碼器使用每圈20次脈沖的光電編碼器
使用LM393電壓比較器對光電編碼器輸出進行穩(wěn)定和優(yōu)化
電路圖：

a.PNG (27.65 KB, 下載次數(shù): 118)

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2019-7-12 09:16 上傳

P90712-091716(1).jpg (1.76 MB, 下載次數(shù): 116)

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2019-7-12 09:18 上傳

P90712-091725(1).jpg (1.6 MB, 下載次數(shù): 101)

下載附件

2019-7-12 09:18 上傳

編碼器輸出波形圖：

P90712-092253(1).jpg (2.05 MB, 下載次數(shù): 109)

下載附件

2019-7-12 09:23 上傳

波形還是比較完美的

電機驅(qū)動使用L298N，連接圖:

1562895548198.jpg (2.62 MB, 下載次數(shù): 114)

下載附件

2019-7-12 09:39 上傳

串口打印數(shù)據(jù)：

b.PNG (67.89 KB, 下載次數(shù): 97)

下載附件

2019-7-12 09:38 上傳

視頻演示PWM輸出效果：https://share.weiyun.com/5idpKLF

增大阻力和調(diào)節(jié)速度都能快速回到設(shè)定值以下為附件信息
STM32源碼： PID_直流調(diào)速.rar (349.35 KB, 下載次數(shù): 157)

2019-7-12 09:42 上傳
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PID學(xué)習(xí)資料： PID算法.zip (1.81 MB, 下載次數(shù): 113)

2019-7-12 09:46 上傳
點擊文件名下載附件
下載積分: 黑幣 -5

作者: 小林大哥哥 時間: 2019-7-14 20:52
VO:%d,MO:%d這兩個參數(shù)表示pid的啥

作者: 小林大哥哥 時間: 2019-7-14 20:52
求大佬解釋

作者: kaixuan520 時間: 2019-7-15 15:05

小林大哥哥發(fā)表于 2019-7-14 20:52
VO:%d,MO:%d這兩個參數(shù)表示pid的啥

VO是PID計算出的結(jié)果，MO是當前輸出PWM的占空比

作者: 18239311863 時間: 2019-7-16 17:17
很好的學(xué)習(xí)資料，在學(xué)習(xí)平衡小車，研究下

作者: 18239311863 時間: 2019-7-17 17:43
電路圖提供一下唄

作者: kaixuan520 時間: 2019-7-20 19:41

18239311863 發(fā)表于 2019-7-17 17:43
電路圖提供一下唄

沒有電路圖，電路自己設(shè)計的只有編碼器那塊的，電路圖在貼子中，別的連接都是杜邦線直接連的

作者: 13958988573 時間: 2019-8-1 10:03
沒有PID.c文件

作者: kaixuan520 時間: 2019-9-20 13:24

13958988573 發(fā)表于 2019-8-1 10:03
沒有PID.c文件

沒用到，代碼都在main.c里

作者: 1113877486 時間: 2020-3-8 17:40
請問大佬，程序里用于捕獲的定時器只使能了通道1，為什么還能用通道2采集占空比呢？

作者: hj08102 時間: 2020-3-16 11:24
學(xué)習(xí)了，謝謝大佬分享

作者: 小怪獸223 時間: 2020-5-4 14:36
資源不錯

作者: 小怪獸223 時間: 2020-5-4 19:36
樓主，輸入捕獲中斷函數(shù)里面的ICV1和ICV2為什么分別是周期和占空比啊

歡迎光臨 (http://www.raoushi.com/bbs/)