STM32——直流电机PI调速

Posted 2021-10-23 浪客小子

所需元件
  STM32F103开发板、L298N一个、带编码器的直流电机一个（如下图所示，淘宝上有很多）

系统框图

  通过系统框图，我们需要做两件事，一是要测速，二是要调节。测速目前流行的就是通过编码器测速，调节器我采用的时PI调节，PI调节器调节的参数少，而且能够消除静差，当然用PID调节器也行。
编码器
  编码器的结构简化如下图：

  在电机转轴上安装了一个磁环，在磁环的下方有一个霍尔传感器，在磁环转动过程中就在霍尔传感器的附近产生了变化的磁场，于是霍尔传感器就输出了脉冲信号。我所用的这个直流电机是1：48的减速电机，电机转轴每转动1圈，编码器输出13个脉冲信号，也就是说输出转轴转动1圈，编码器输出13x48=624个脉冲，再通过STM32编码器接口 4 倍频就是 624x4=2496 个脉冲信号，通过STM32定时器的计数值除以2496就是输出转轴转动的圈数。
  所谓4倍频，如下图：

  编码器中有两个线路，即A相和B相。我们以A相或B相为例，1个上升沿或者下降沿代表1个脉冲信号，由图中可知有2个上升沿或2个下降沿，即2个脉冲信号。而所谓的4倍频，就是把A、B相的上升沿和下降沿都加起来，一共8个，与之前的2个脉冲信号就是4倍，而所以要加起来做成4倍频，可以提高测量转速的精度。另外A、B相之间相差90度，从而可以判断电机的转向。如果电机正转，A相比B相先90度，也就是说A相已经上升沿了B还是低电平。
PI调节器
  关于PID算法，可参考STM32——PID恒温控制
  这里贴两张速度曲线图：
  1、

  2、

  图1中设定目标值为400，从图上可以看出超调量还是比较小的，调节时间也比较短，调节的效果还是可以的。图2中，目标值每隔一段时间增加100，加到400后又设为100，整体的调节效果还是蛮不错的。（我程序中的PID参数套用的时候可能达不到图中的效果，这与电机以及编码器之间的差别有关，可适当在做调节）
主要程序
TIM_Encoder.c

#include "TIM_Encoder.h"

float RPM_1=0;            //存储上一次测速结果

void TIM_Encoder_Init(void)
{
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;  
    TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;  
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);        //使能定时器4的时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);       //使能PB端口时钟
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;	    //端口配置
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;       //浮空输入
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);					    //根据设定参数初始化GPIOB
    
    TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0x0;                  // 预分频器 
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 65535;                   //设定计数器自动重装值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;     //选择时钟分频：不分频
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上计数  
    TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);
    TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);//使用编码器模式3
    TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 10;
    TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStructure);
    TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update);                       //清除TIM的更新标志位
    TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE);
    //Reset counter
    TIM_SetCounter(TIM4,0);
    TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);  
}

int GetTIMCounter(void)          //获取计数值
{
    int count=TIM_GetCounter(TIM4);
    return count;
}

float GetRPM(int count)           //计算转速
{
//   int RPM=count/2496*2000+0.5;//30ms计算一次（pid.T=30），60000ms为1min,也就是1min计算了2000次，2496=13*4*48表示转动一圈的脉冲数，48表示1：48的减速比
    float RPM=count*0.8f+0.5f;   //等同于上式，2000/2496约等于0.8
    if(RPM>1000)                 //过滤掉不合理的结果，仍然使用上次的速度，在按键设定速度的时候或者在减速为0时会有非常的大的错误测速结果，具体原因还未查清    {
    {
        return RPM_1;
    }
    RPM_1=RPM;                   //更新
    return RPM;
}

PID.c

#include "PID.h"

PID pid;
//int time=0;

void PID_Init()
{           
    pid.Sv=400;         //用户设定转速400
	pid.Kp=0.3;         //比例
    pid.Ki=0.015;       //积分
	pid.Kd=0;           //微分
	pid.pwmcycle=100;   //pwm周期100us
    pid.T=30;           //PID计算周期30ms
	pid.OUT0=0;
	pid.C1ms=0;
    pid.SEk=0;
    pid.Ek=0;
    pid.Ek_1=0;
    pid.DelEk=0;
    pid.Dout=0;
    pid.Iout=0;
    pid.Pout=0;
}

void PID_Calc(float data)        //pid计算
{
	float out;
    pid.Pv=data;
 	pid.Ek=pid.Sv-pid.Pv;       //得到当前的偏差值
 	pid.Pout=pid.Kp*pid.Ek;     //比例输出
 	pid.SEk+=pid.Ek;            //历史偏差总和
    if(pid.SEk<(-50))
    {
        pid.SEk=(-50);
    }
 	pid.DelEk=pid.Ek-pid.Ek_1;  //最近两次偏差之差
    pid.Iout=pid.Ki*pid.SEk;    //积分输出
    if(pid.Iout<(-10))
    {
        pid.Iout=(-10);
    }
    pid.Dout=pid.Kd*pid.DelEk;  //微分输出
 	out= pid.Pout+ pid.Iout+ pid.Dout;
 	if(out>pid.pwmcycle)
 	{
  		pid.OUT=pid.pwmcycle;
 	}
 	else if(out<=0)
 	{
		pid.OUT=pid.OUT0; 
 	}
 	else 
 	{
  		pid.OUT=out+0.5f;       //四舍五入
 	}
 	pid.Ek_1=pid.Ek;            //更新偏差
 	pid.C1ms=0;
}

工程链接
链接：https://pan.baidu.com/s/1dSXgPf0gzSvTdjlMHyOZ7w
提取码：f8h1

  PID调参比较麻烦，这里推荐一个ST官方的软件StmStdio,这个软件网上有很多教程，使用也比较简单。
链接：https://pan.baidu.com/s/1etsrBL80rCe_LouNEE1XEg
提取码：ckve