10. 无刷电机速度环控制（BLDC）¶
前面我们学习了无刷电机简单的6步PWM控制。但是我们在实际使用中并不是只是简单的PWM控制就能满足应用要求， 通常我们还需要对速度进行控制控制，如前面章节中讲到的为什么使用PID一节中列举的小车控制一样， 如果不对速度进行控制可能系统运行效果会不如预期那么好， 本章节中我们就通过速度环的PID控制来实现直流无刷电机的速度控制。
本章通过我们前面学习的位置式PID和增量式PID两种控制方式分别来实现速度环的控制， 如果还不知道什么是位置式PID和增量式PID，请务必先学习前面PID算法的通俗解说这一章节。
10.1. 硬件设计¶
关于详细的硬件分析在直流无刷电机章节中已经讲解过，这里不再做分析， 如有不明白请参考前面章节，这里只给出接线表。
电机主控板与无刷电机驱动板连接见下表所示。
电机 |
无刷电机驱动板 |
|---|---|
粗黄 |
U |
粗绿 |
V |
粗蓝 |
W |
细红 |
+（编码器电源） |
细黑 |
-（编码器电源） |
细黄 |
HIU |
细绿 |
HIV |
细蓝 |
HIW |
无刷电机驱动板与主控板连接见下表所示。
无刷电机驱动板 |
主控板 |
|---|---|
5V_IN |
5V |
GND |
GND |
U+ |
PE10 |
U- |
PE13 |
V+ |
PE11 |
V- |
PE14 |
W+ |
PE12 |
W- |
PE15 |
HU |
PB06 |
HV |
PB07 |
HW |
PA10 |
SD |
PB15 |
推荐使用配套的牛角排线直接连接驱动板和主控板。连接开发板的那端，请连接在“无刷电机驱动接口1”上。
10.2. 直流无刷电机速度环控制-位置式PID实现¶
10.2.1. 软件设计1¶
这里只讲解核心的部分代码，有些变量的设置，头文件的包含等并没有涉及到， 还有一些在前章节章节分析过的代码在这里也不在重复讲解，完整的代码请参考本章配套的工程。 本章代码在野火电机驱动例程中:\base_code\improve_part\6T2\直流无刷电机-速度环控制-位置式PID目录下。
10.2.1.1. 编程要点1¶
FSP库的定时器、外部中断配置
定时器、外部中断模块初始化
根据电机的换相表编写换相中断回调函数
根据定时器定义电机控制相关函数
配置基本定时器可以产生定时中断来执行PID运算
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
编写串口控制代码
10.2.2. 软件分析1¶
FSP库的配置，在编程要点中的1和2在前章节已经讲解过，这里就不在详细讲解， 如果不明白请先学习前面相关章节的内容。这里主要讲解速度的获取方法和分析PID算法的控制实现部分。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 | void set_pwm_pulse(uint16_t pulse)
{
timer_callback_args_t *p_args;
p_args->event = TIMER_EVENT_CAPTURE_B;
/* 设置定时器通道输出 PWM 的占空比 */
bldcm_pulse = pulse;
if ((motor_drive.enable_flag == 1))
time1_callback(p_args); // 执行一次换相
}
|
该函数用于设置pwm输出的占空比，本函数只是将占空比存放在了bldcm_pulse变量中， 而真正设置正空比是在time1_callback()函数中， 所以在电机使能时需要调用time1_callback()设置pwm输出的占空比。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 | void update_motor_speed(uint32_t time)
{
float speed_x;
static uint32_t now_time;
static uint32_t last_time;
now_time = time + (overflow_times * period);
data_time = now_time - last_time;
speed_x = (float)((data_time / 120000000.0) / 3.0);
speed_x = (float)((1.0f / 12.0f) / (speed_x / 60.0f));
motor_drive.speed = speed_x * dir;
last_time = time;
overflow_times = 0;
}
|
该函数用于更新电机的当前速度，其中形参time传入的是霍尔传感器有变化时定时器捕获到的值， 通过time就可以计算出一次换相的时间为(1.0/(120000000.0) * time)秒，电机旋转一圈共有12个变化信号， 所以电机的速度为：(1.0 / 12.0) / ((1.0 / (12000000.0 ) * time) / 60.0)RPM。 dir是电机的正反转方向，通过霍尔传感器去识别转子的正反转来获得 将计算得到的速度保存在motor_drive.speed中
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{
if(last_dir != 0 && (last_dir != dir_in)) //645132 623154
{
switch(dir_in)
{
case 1:
if(last_dir == 3)
{
dir = 1;
}
else
{
dir = -1;
}
break;
case 2:
if(last_dir == 6)
{
dir = 1;
}
else
{
dir = -1;
}
break;
case 3:
if(last_dir == 2)
{
dir = 1;
}
else
{
dir = -1;
}
break;
case 4:
if(last_dir == 5)
{
dir = 1;
}
else
{
dir = -1;
}
break;
case 5:
if(last_dir == 1)
{
dir = 1;
}
else
{
dir = -1;
}
break;
case 6:
if(last_dir == 4)
{
dir = 1;
}
else
{
dir = -1;
}
break;
}
}
last_dir = dir_in;
}
|
该函数用于更新电机的速度方向，使用当前读到的霍尔值，与上一次读到的霍尔值进行对比，来确定方向。
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{
uint8_t step = 0;
if(p_args->event != TIMER_EVENT_CYCLE_END)
{
step = Get_Hall_State();
}
if(p_args->event == TIMER_EVENT_CYCLE_END)
{
overflow_times++;
if(bldcm_pulse != 0) //防止在占空比减到0时，还在进行堵转判断
{
if (update++ >= 5) // 有多次次在产生更新中断前霍尔传感器没有捕获到值
{
update = 0;
LED1_ON; // 点亮LED1表示堵转超时停止
/* 堵转超时停止 PWM 输出 */
hall_disable(); // 禁用霍尔传感器接口
stop_pwm_output(); // 停止 PWM 输出
while(1);
}
}
else //占空比为0时，手动设置速度为0 因为速度的计算是通过霍尔中断进行 一旦停止转动 就会停在最后一刻的速度 而不会清0
{
data_time = 0;
}
return;
}
if((p_args->event == TIMER_EVENT_CAPTURE_A) || (p_args->event == TIMER_EVENT_CAPTURE_B))
{
update_speed_dir(step);
update = 0;
if(get_bldcm_direction() == MOTOR_FWD)
{
switch(step)
{
case 1: /* U+ W- */
GPT_PWM_SetDuty(&motor_v_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_13, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_w_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_14, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_u_ctrl, bldcm_pulse, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_15, BSP_IO_LEVEL_HIGH);
break;
case 2: /* V+ U- */
GPT_PWM_SetDuty(&motor_u_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_14, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_w_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_15, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_v_ctrl, bldcm_pulse, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_13, BSP_IO_LEVEL_HIGH);
break;
case 3: /* V+ W- */
GPT_PWM_SetDuty(&motor_u_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_14, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_w_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_13, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_v_ctrl, bldcm_pulse, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_15, BSP_IO_LEVEL_HIGH);
break;
case 4: /* W+ V- */
GPT_PWM_SetDuty(&motor_u_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_13, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_v_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_15, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_w_ctrl, bldcm_pulse, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_14, BSP_IO_LEVEL_HIGH);
break;
case 5: /* U+ V- */
GPT_PWM_SetDuty(&motor_v_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_13, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_w_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_15, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_u_ctrl, bldcm_pulse, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_14, BSP_IO_LEVEL_HIGH);
break;
case 6: /* W+ U- */
GPT_PWM_SetDuty(&motor_u_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_15, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_v_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_14, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_w_ctrl, bldcm_pulse, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_13, BSP_IO_LEVEL_HIGH);
break;
}
}
else
{
switch(step)
{
case 1: /* W+ U- */
GPT_PWM_SetDuty(&motor_v_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_15, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_u_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_14, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_w_ctrl, bldcm_pulse, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_13, BSP_IO_LEVEL_HIGH);
break;
case 2: /* U+ V- */
GPT_PWM_SetDuty(&motor_v_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_13, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_w_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_15, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_u_ctrl, bldcm_pulse, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_14, BSP_IO_LEVEL_HIGH);
break;
case 3: /* W+ V- */
GPT_PWM_SetDuty(&motor_u_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_15, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_v_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_13, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_w_ctrl, bldcm_pulse, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_14, BSP_IO_LEVEL_HIGH);
break;
case 4: /* V+ W- */
GPT_PWM_SetDuty(&motor_u_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_13, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_w_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_14, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_v_ctrl, bldcm_pulse, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_15, BSP_IO_LEVEL_HIGH);
break;
case 5: /* V+ U- */
GPT_PWM_SetDuty(&motor_u_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_14, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_w_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_15, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_v_ctrl, bldcm_pulse, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_13, BSP_IO_LEVEL_HIGH);
break;
case 6: /* U+ W- */
GPT_PWM_SetDuty(&motor_w_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_13, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_v_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_14, BSP_IO_LEVEL_LOW);
GPT_PWM_SetDuty(&motor_u_ctrl, bldcm_pulse, GPT_IO_PIN_GTIOCA);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_14_PIN_15, BSP_IO_LEVEL_HIGH);
break;
}
}
}
if(p_args->event == TIMER_EVENT_CAPTURE_A)
{
update_motor_speed(p_args->capture);
}
}
|
换相的实现在直流无刷电机章节已经讲过这个不在赘述，在上面第7行的**if**里面判断了触发的中断源，如果是超时， 就进行堵转检测，如果是通道中断，就进行换向、更新速度、方向，这里注意的是，速度的计算，是通过通道A 去进行的，计算的是每次转动到指定位置所需要的时间，而更新方向，是换向的顺序，每一次换向都可以驱动方向。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 | void PID_param_init()
{
/* 初始化参数 */
pid.target_val=0;
pid.actual_val=0.0;
pid.err = 0.0;
pid.err_last = 0.0;
pid.err_next = 0.0;
pid.Kp = 0.10f;
pid.Ki = 0.03f;
pid.Kd = 0.00f;
float pid_temp[3] = {pid.Kp, pid.Ki, pid.Kd};
set_computer_value(SEND_P_I_D_CMD, CURVES_CH1, pid_temp, 3); // 给通道 1 发送 P I D 值
}
|
PID_param_init()函数把结构体pid参数初始化，将目标、实际值、偏差值和积分项等初始化为0， 其中pid.Kp、pid.Ki和pid.Kd是我们配套电机运行效果相对比较好的参数，不同的电机该参数是不同的。 set_computer_value()函数用来同步上位机显示的PID值。
1 2 3 4 | void set_pid_target(float temp_val)
{
pid.target_val = temp_val; // 设置当前的目标值
}
|
设置目标值
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 | int PID_realize(void)
{
float speed_a;
speed_a = (float)get_motor_speed();; // 电机旋转的当前速度
/*计算目标值与实际值的误差*/
pid.err = pid.target_val - speed_a;
pid.integral += pid.err;
/*PID算法实现*/
pid.actual_val = pid.Kp * pid.err +
pid.Ki * pid.integral +
pid.Kd * (pid.err - pid.err_last);
/*误差传递*/
pid.err_last = pid.err;
/*返回当前实际值*/
return pid.actual_val;
}
|
这个函数主要实现了位置式PID算法，用传入的目标值减去实际值得到误差值得到比例项，在对误差值进行累加得到积分项， 用本次误差减去上次的误差得到微分项，然后通过前面章节介绍的位置式PID公式实现PID算法，并返回实际控制值。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 | void bldcm_pid_control(void)
{
if (bldcm_data.is_enable)
{
cont_val = PID_realize();
if (cont_val < 0)
{
cont_val = -cont_val;
bldcm_data.direction = MOTOR_REV;
}
else
{
bldcm_data.direction = MOTOR_FWD;
}
cont_val = (cont_val > MAX_SPEED) ? MAX_SPEED : cont_val; // 上限处理
set_bldcm_speed((uint16_t)cont_val);
}
}
|
该函数在定时器0的中断里定时调用默认是50毫秒调用一次，如果改变了周期那么PID三个参数也需要做相应的调整， PID的控制周期与控制效果是息息相关的。 调用PID_realize（）去进行计算，然后得出来速度。 根据运算结果的正负，设置电机的旋转方向。 最后对输出的结果做一个上限处理，最后用于PWM占空比的控制，最后将实际的速度值发送到上位机绘制变化的曲线。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 | /**
* @brief 接收的数据处理
* @param void
* @return -1：没有找到一个正确的命令.
*/
int8_t receiving_process(void)
{
uint8_t frame_data[128]; // 要能放下最长的帧
uint16_t frame_len = 0; // 帧长度
uint8_t cmd_type = CMD_NONE; // 命令类型
while(1)
{
cmd_type = protocol_frame_parse(frame_data, &frame_len);
switch (cmd_type)
{
case CMD_NONE:
{
return -1;
}
case SET_P_I_D_CMD:
{
uint32_t temp0 = COMPOUND_32BIT(&frame_data[13]);
uint32_t temp1 = COMPOUND_32BIT(&frame_data[17]);
uint32_t temp2 = COMPOUND_32BIT(&frame_data[21]);
float p_temp, i_temp, d_temp;
p_temp = *(float *)&temp0;
i_temp = *(float *)&temp1;
d_temp = *(float *)&temp2;
set_p_i_d(p_temp, i_temp, d_temp); // 设置 P I D
}
break;
case SET_TARGET_CMD:
{
actual_temp = COMPOUND_32BIT(&frame_data[13]); // 得到数据
set_pid_target(actual_temp); // 设置目标值
set_computer_value(SEND_TARGET_CMD, CURVES_CH1, &actual_temp, 1);
}
break;
case START_CMD:
{
set_bldcm_enable();
}
break;
case STOP_CMD:
{
motor_drive.speed = 0; //占空比为0时，手动设置速度为0 因为速度的计算是通过霍尔中断进行 一旦停止转动 就会停在最后一刻的速度 而不会清0
set_bldcm_disable();
set_computer_value(SEND_STOP_CMD, CURVES_CH1, NULL, 0);
}
break;
case RESET_CMD:
{
Reset_Handler();
}
break;
default:
return -1;
}
}
}
|
这函数用于处理上位机发下的数据，在主函数中循环调用，可以使用上位机调整PID参数，使用上位机可以非常方便的调整PID参数， 这样可以不用每次修改PID参数时都要改代码、编译和下载代码；可以使用上位机设置目标速度；可以启动和停止电机； 可以使用上位机复位系统；可以使用上位机设置定时器的周期；具体功能的实现请参考配套工程代码。
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{
int target_speed = 500;
/* TODO: add your own code here */
/* LED初始化 */
LED_Init();
Key_IRQ_Init();
/* 串口初始化 */
Debug_UART9_Init();
/* 协议初始化 */
protocol_init();
PID_param_init();
/* 电机初始化 */
bldcm_init();
basic_gpt0_Init();
set_computer_value(SEND_STOP_CMD, CURVES_CH1, NULL, 0); // 同步上位机的启动按钮状态
set_computer_value(SEND_TARGET_CMD, CURVES_CH1, &target_speed, 1); // 给通道 1 发送目标值
while(1)
{
/* 接收数据处理 */
receiving_process();
}
#if BSP_TZ_SECURE_BUILD
/* Enter non-secure code */
R_BSP_NonSecureEnter();
#endif
}
|
在主函数里面首先做了一些外设的初始化，然后在while中去检测串口是否收到数据， 并通过去解析上位机发来的数据，去进行相应的控制。
10.2.3. 下载验证1¶
我们按前面介绍的硬件连接好电机和驱动板。
将程序编译下载后，使用Type-C数据线连接开发板到电脑USB，打开野火调试助手-PID调试助手来观察电机的运行效果。 在上位机中，按下启动按钮，然后可以去发送目标值，电机就会运行起来，可以通过上位机去看速度的曲线，也可以 给电机加上一些负载，看PID实际的效果。我们可以通过上位机来观察速度的变化情况，也可以通过上位机来控制电机。
10.3. 直流无刷电机速度环控制-增量式PID实现¶
10.3.1. 软件设计2¶
通过前面位置式PID控制的学习，大家应该对速度环PID控制有了更深刻的理解， 这里将只讲解核心的部分代码，有些变量的设置，头文件的包含等并没有涉及到， 还有一些在前章节章节分析过的代码在这里也不在重复讲解，完整的代码请参考本节配套的工程。 本章代码在野火电机驱动例程中:\base_code\improve_part\F407\直流无刷电机-速度环控制-增量式PID目录下。
10.3.1.1. 编程要点2¶
FSP库的定时器、外部中断配置
定时器、外部中断模块初始化
根据电机的换相表编写换相中断回调函数
根据定时器定义电机控制相关函数
配置基本定时器可以产生定时中断来执行PID运算
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
编写串口控制代码
10.3.2. 软件分析2¶
增量式PID实现的速度环控制和位置式PID现实的速度环控制其控制代码大部分都是一样的， 在上面的编程要点中只有第4项是不同的，其他代码均相同，所以这里将只讲解不一样的部分代码， 完整代码请参考本节配套工程。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 | void PID_param_init()
{
/* 初始化参数 */
pid.target_val=0;
pid.actual_val=0.0;
pid.err = 0.0;
pid.err_last = 0.0;
pid.err_next = 0.0;
pid.Kp = 0.10f;
pid.Ki = 0.03f;
pid.Kd = 0.00f;
float pid_temp[3] = {pid.Kp, pid.Ki, pid.Kd};
set_computer_value(SEND_P_I_D_CMD, CURVES_CH1, pid_temp, 3); // 给通道 1 发送 P I D 值
}
|
PID_param_init()函数把结构体pid参数初始化，将目标值、实际值、偏差值和上一次偏差值等初始化为0， 其中pid.err用来保存本次偏差值，pid.err_last用来保存上一次偏差值，pid.err_next用来保存上上次的偏差值； pid.Kp、pid.Ki和pid.Kd是我们配套电机运行效果相对比较好的参数，不同的电机该参数是不同的。 set_computer_value()函数用来同步上位机显示的PID值。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 | int PID_realize(void)
{
float speed_a;
speed_a = (float)get_motor_speed();; // 电机旋转的当前速度
/*计算目标值与实际值的误差*/
pid.err = pid.target_val - speed_a;
/*PID算法实现*/
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);
/*传递误差*/
pid.err_last = pid.err_next;
pid.err_next = pid.err;
/*返回当前实际值*/
return (int)pid.actual_val;
}
|
这个函数主要实现了增量式PID算法，用传入的目标值减去实际值得到误差值得到当前偏差值， 在第7~9行中实现了下面公式中的增量式PID算法。
然后进行误差传递，将本次偏差和上次偏差保存下来，供下次计算时使用。 在第7行中将计算后的结果累加到pid.actual_val变量，最后返回该变量，用于控制电机的PWM占空比。
10.3.3. 下载验证2¶
我们按前面介绍的硬件连接好电机和驱动板。
将程序编译下载后，使用Type-C数据线连接开发板到电脑USB，打开野火调试助手-PID调试助手来观察电机的运行效果。 在上位机中，按下启动按钮，然后可以去发送目标值，电机就会运行起来，可以通过上位机去看速度的曲线，也可以 给电机加上一些负载，看PID实际的效果。我们可以通过上位机来观察速度的变化情况，也可以通过上位机来控制电机。
注意
注意：电机正在运行时应该先停止电机再复位，而不建议直接复位开发板，因为这属于非正常操作，复位的瞬间电机还在继续运动，产生的反电动势有损坏硬件的风险。