STM32F103C8T6实现直流电机速度PID控制

CHANBAEK 2023-06-15 5021

描述

01 前言

前面完成了基于STM32F103C8T6+L298N+MG513P30直流电机的PWM控制和两种方法的编码器实时速度反馈，拿到这个反馈值后我们就可以使用经典的PID算法，对电机的转速进行准确的控制了，这篇文章主要分享PID基本原理和Keil5的PID编程。

02 PID的基本原理

PID算法是上个世纪30年代左右提出的控制算法，大至航空航天、小至家庭温度调控都可以使用PID算法，虽然PID算法从提出到现在已经历经了快一个世纪，其后也出现了很多现代的智能算法，比如蒙特卡洛、智能控制等等，但现在PID仍然经久不衰，可以说目前80%以上的控制仍然使用PID算法。

PID算法是自动控制原理课程学习的一部分，但在课程中老师讲解的是最基本的原理，没有任何拓展，更别提应用了，首先，先简单说一下PID控制算法的原理。

直流电机

上图为PID算法的控制框图，在我们控制电机速度时，期望输入就是电机的期望速度值，期望输入与由编码器测得的实际速度作差，求出的误差值传给PID的控制部分，算出需要输出的控制信号，将该控制信号传给控制器，也就是输出给电机驱动板L298N，这样形成一个循环，就实现了对电机速度的精准控制。

中间PID的控制部分的连续型公式如下：

直流电机

但是在计算机中计算机很难实现连续型变量的积分或者微分操作，因此在计算机中，我们使用离散型的积分和微分，就是取时间间隔T为1，离散型PID公式如下：

直流电机

各个项的主要作用及效果如下：

P：增加快速性，过大会引起震荡和超调，P单独作用会一直有静态误差
I：减少静态误差，过大会引起震荡
D：减小超调，过大会使响应速度变慢

在实际的应用中，有可能不需要PID同时使用，比如在速度控制中一般只使用PI控制就够了

03变式PID

PID算法有很多进化版本，分类别的简单阐述一下

增量式PID

在电机的速度PID控制算法中，因为我们一般使用PI算法就够了，所以我们可以使用增量式PID算法，这样可以让我们的公式和代码更加简洁。

直流电机

积分限幅

因为积分的效果是累加，随着时间的推移，积分项的值会升到很高，积分本来的作用是用来减小静态误差，但积分项过大会引起过大的震荡，所以我们可以加一个判断函数if，当积分项的值达到一定值后，就让积分项保持这个值，避免引起更大的震荡。

积分分离

如果刚开始的误差比较大，那么积分项则会在刚开始就累计到了一个很大的数值，那么当第一次实际输出达到期望值时，不会立刻停止，而是会产生一个很大的过冲。这时就需要用到积分分离，就是当误差值过大时，我们就不使用积分项，只让PD项单独作用，当误差值较小后，再加入积分项，以减小静态误差。

04 Keil5程序

为了使用方便，我们先定一个PID结构体，结构体储存左右轮的PID参数、限幅值、误差等参数。

typedefstruct
{
//相关速度PID参数
floatVelcity_Kp;
floatVelcity_Ki;
floatVelcity_Kd;
floatUr;//限幅值

u8PID_is_Enable;//PID使能
intUn;//期望输出值
intEn_1;//上一次的误差值
intEn_2;//上上次的误差值
intPWM;//输出PWM值

}PID_InitDefStruct;

在程序初始化部分，定义一个初始化函数，对其中的参数进行初始化配置。

voidPID_Init(PID_InitDefStruct*p)
{
p- >Velcity_Kp=5;
p- >Velcity_Ki=0.5;
p- >Velcity_Kd=0;
p- >Ur=7100;
p- >PID_is_Enable=1;
p- >Un=0;
p- >En_1=0;
p- >En_2=0;
p- >PWM=0;
}

当编码器的定时器，每隔10ms反馈一次编码器测出的实际速度后，调用PID函数，求解输出给电机驱动板的PWM值，然后通过Set_Pwm函数进行设置，以此控制电机转速。

voidVelocity_PID(intTargetVelocity,intCurrentVelocity,PID_InitDefStruct*p)
{
if(p- >PID_is_Enable==1)
{
intEn=TargetVelocity-CurrentVelocity;//误差值

p- >Un+=p- >Velcity_Kp*(En-p- >En_1)+p- >Velcity_Ki*En+p- >Velcity_Kd*(En-2*p- >En_1+p- >En_2);//增量式PID

p- >En_2=p- >En_1;
p- >En_1=En;

p- >PWM=p- >Un;

/*输出限幅*/
if(p- >PWM >p- >Ur)p- >PWM=p- >Ur;
if(p- >PWM< -p- >Ur)p- >PWM=-p- >Ur;
}
else
{
PID_Init(p);
}

}

测试给电机输入理想转速为1500mm/s，随便设置了一组PI参数，得到实验结果如下：

直流电机

可以通过上位机看一下波形，可以看到在稳定状态的静差是比较小的。

直流电机

05 总结

对于PID算法这才是万里长征的第一步吧，想要调出完美的控制程序，还需要复杂的PID参数整定，这里可以配合上位机进行调试。

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