8. 有刷电机多环控制实现¶
通过前面章节的学习，我们已经大致了解速度环、电流环、位置环等使用方法。通过简单的介绍，对各种反馈环节如何去选择也有了一定的了解。 在实际的生产生活中，单闭环控制系统并不是最常使用的，因为实际环节里，往往存在着许多的干扰等各种因素。
简单举例，汽车在爬坡过程中，想要汽车有足够的力量爬坡，又想速度又快又稳。 在类似的场景中，如果想要达到良好的调节效果，往往会使用多环控制。 以前面的举例来说，在整个控制闭环内，速度环的后级，再串上一个电流环，以前级的输出(这里指速度环的输出)， 作为后级的输入(这里指作为电流环的输入)，最终后级(电流环)的输出最终实现在执行机构上,以形成双反馈控制的效果。 下面框图可能可以帮助理解串级PID的组织结构。
野火提供的电机开发板配套例程中，有两环和三环的串级PID控制例程，串级PID的实现原理大同小异。 在本章中，我们通过前面学习的位置式PID和单环PID调整知识，来实现速度环、电流环、位置环三环串级PID控制， 如果还不知道什么是位置式PID和各种反馈环的实现D，请务必先学习前面的章节。 下面我们通过讲解如何使用位置环、速度环、电流环三环控制，来领略多环控制的魅力。
8.1. 硬件设计¶
本章实验需要连接开发板和驱动板，这里给出接线表。
8.1.1. MOS管搭建驱动板¶
电机与MOS管搭建驱动板连接见下表所示。
电机 |
MOS管搭建驱动板 |
|---|---|
M+ |
M+ |
5V |
编码器电源：+ |
GND |
编码器电源：- |
A |
A |
B |
B |
M- |
M- |
MOS管搭建驱动板与主控板连接见下表所示。
MOS管搭建驱动板 |
主控板 |
|---|---|
PWM1 |
PE11 |
PWM2 |
PE11 |
编码器A端 |
PB06 |
编码器B端 |
PB07 |
SD |
PB15 |
信号检测-电流 |
PA03 |
信号检测-电压 |
PA01 |
电源输入：5V |
5V |
电源输入：GND |
GND |
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。
8.2. 直流电机速度环、电流环、位置环三环串级PID控制-位置式PID实现¶
8.2.1. 编程要点¶
在串级PID控制中，最外环一般选择期望控制的参数的环节，例如对应速度快慢的速度环、位置的位置环、电流大小的电流环大小， 本代码的选择位置环作为最外环，位置作为控制量，期望控制电机实际位置。在主函数中，可以看出这点。
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
编写位置环、速度环、电流环控制函数
增加上位机曲线观察相关代码
编写按键控制代码
8.2.2. 软件设计¶
8.2.2.1. 新建工程¶
我们直接在提高部分的直流有刷章节的 “208_Motor_BDC_PID_Location_Positional” 例程的基础上修改程序。
- 对于 e2 studio 开发环境：
拷贝一份我们之前的 e2s 工程 “208_Motor_BDC_PID_Location_Positional”， 然后将工程文件夹重命名为 210_Motor_BDC_PID_Three_Ring，最后再将它导入到我们的 e2 studio 工作空间中。
- 对于 Keil 开发环境：
拷贝一份我们之前的 Keil 工程 “208_Motor_BDC_PID_Location_Positional”， 然后将工程文件夹重命名为 210_Motor_BDC_PID_Three_Ring，并进入该文件夹里面双击 Keil 工程文件，打开该工程。
工程文件结构如下。
210_Motor_BDC_PID_Three_Ring
├─ ......
└─ src
├─ adc
│ ├─ motor_v_c_acquisition.c
│ └─ motor_v_c_acquisition.h
├─ beep
│ ├─ bsp_beep.c
│ └─ bsp_beep.h
├─ debug_uart
│ ├─ bsp_debug_uart.c
│ └─ bsp_debug_uart.h
├─ encoder
│ ├─ bsp_encoder.c
│ └─ bsp_encoder.h
├─ gpt
│ ├─ bsp_gpt_pwm_output.c
│ └─ bsp_gpt_pwm_output.h
│ ├─ bsp_gpt_timing.c
│ └─ bsp_gpt_timing.h
├─ key
│ ├─ bsp_key_irq.c
│ └─ bsp_key_irq.h
├─ led
│ ├─ bsp_led.c
│ └─ bsp_led.h
├─ motor_controls
│ ├─ bsp_motor_control.c
│ └─ bsp_motor_control.h
├─ pid
│ ├─ bsp_pid.c
│ └─ bsp_pid.h
├─ protocol
│ ├─ protocol.c
│ └─ protocol.h
└─ hal_entry.c
8.2.2.2. FSP配置¶
FSP配置只是将之前的内容添加进来，也就是ADC、DMAC，新添加的文件及FSP配置都在之前章节有所讲解，在这里不再赘述，详细配置可以查看配套例程。
8.2.2.3. 定时器中断函数¶
定时器如何配置前面章节多次提到，这边就略过不讲了，只展示部分不同的代码。如有疑问，之前的章节有详细讲解，代码也非常简单易懂。
该代码通过获取当前的脉冲计数周期 pulse_period 和上一次周期 last_pulse_period 的差值， 计算转轴速度 shaft_speed，其中乘以 40 是因为时间单位为 25ms（1秒=40个25ms）。 随后，根据实时采样的电流值 current，调用 motor_pid_control 函数， 将转轴方向计数 pulse_direction、转轴速度和电流值一并传入，用于电机位置环控制的调整。 最后，更新 last_pulse_period 以便为下一次周期计算准备数据。
/* GPT定时器中断回调函数 */
void gpt0_timing_callback(timer_callback_args_t *p_args)
{
static uint32_t last_pulse_period = 0; // 上一次的脉冲周期
static uint32_t new_period = 0; // 当前脉冲周期
static float shaft_speed = 0.00f; // 转轴速度
if (TIMER_EVENT_CYCLE_END == p_args->event) // 检查定时器周期结束事件
{
// 计算实际电流值
float current = GET_ADC_CURR_VAL(GET_ADC_VDC_VAL((float)(filtered_current)));
// 更新最近的脉冲周期
new_period = (pulse_period - last_pulse_period);
// 计算转轴速度（单位：转/秒）
shaft_speed = SHAFT_SPEED(new_period) * 40.0f;
motor_pid_control((float)pulse_direction,shaft_speed,current);
}
// 更新脉冲周期
last_pulse_period = pulse_period;
}
8.2.2.4. PID算法初始化¶
与前面章节不同的是，由于引入了三环控制(位置环、速度环、电流环)，所以在PID初始化时，对应的有三套PID参数，同理两环有两套。具体看代码。
从代码中，可以看到三套PID参数配置结构体，它们分别是位置环、速度环、电流环的PID参数配置， 每套 PID 参数均包括目标值、实际值、误差等变量的初始化，以及 Kp、Ki、Kd 系数的设置。 这三套配置，需要我们从内环到外环依次的调参。以本章工程为例，本章工程是位置环作为最外环， 电流环作为最内环，所以进行PID调参时，从电流环开始调参。
/**
* @brief PID参数初始化
* @note 无
* @retval 无
*/
void PID_param_init(void)
{
/* 位置相关初始化参数 */
pid_location.target_val=0.0;
pid_location.actual_val=0.0;
pid_location.err=0.0;
pid_location.err_last=0.0;
pid_location.integral=0.0;
pid_location.Kp = 0.015f;//0.0068
pid_location.Ki = 0.001f ;//0.01
pid_location.Kd = 0.0;
/* 速度相关初始化参数 */
pid_speed.target_val=50.0;
pid_speed.actual_val=0.0;
pid_speed.err=0.0;
pid_speed.err_last=0.0;
pid_speed.integral=0.0;
pid_speed.Kp = 5.0;
pid_speed.Ki = 0.03f;
pid_speed.Kd = 5.00;
/* 电流相关初始化参数 */
pid_curr.target_val=50.0f;
pid_curr.actual_val=0.0;
pid_curr.err=0.0;
pid_curr.err_last=0.0;
pid_curr.integral=0.0;
pid_curr.Kp = 0.0;
pid_curr.Ki = 3.5f;//5.5
pid_curr.Kd = 0.00;
float pid_temp[3] = {pid_location.Kp, pid_location.Ki, pid_location.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_temp[0] = pid_speed.Kp;
pid_temp[1] = pid_speed.Ki;
pid_temp[2] = pid_speed.Kd;
set_computer_value(SEND_P_I_D_CMD, CURVES_CH2, pid_temp, 3); // 给通道 2 发送 P I D 值
int temp = (int)pid_speed.target_val;
pid_temp[0] = pid_curr.Kp;
pid_temp[1] = pid_curr.Ki;
pid_temp[2] = pid_curr.Kd;
set_computer_value(SEND_P_I_D_CMD, CURVES_CH3, pid_temp, 3); // 给通道 3 发送 P I D 值
}
8.2.2.5. 位置环PID算法实现¶
代码的实现与前面章节基本相似，只是添加了一些特殊的计算。
因为使用PID控制，实际的控制过程中常常会遇到一些问题，例如积分饱和、死区处理。 这就要求我们要在PID运算中，对计算过程加以干预，防止控制效果达不到预期。 进行常见的数据处理方式有许多。这里只讲本工程中遇到的两种问题处理的方法。
闭环死区，是指执行机构的最小控制量，无法满足控制需求产生的。 举个例子，假设有个水池，你期望控制水龙头让水从水池以1.5L每秒的流速流出， 但是你买的水龙头流量太大了，水龙头按最小刻度拧一下都会让流速增加1L每秒。 最终流速只能控制在1L每秒或2L每秒，始终无法达到预设值。这1.5L小数点后的范围内，就是闭环死区，系统是无法控制的。 如果不限定闭环，因为始终无法达到目标值，误差会一直存在，容易发生震荡现象。一般情况下要是系统要求的精确度不高， 就可以设定闭环死区来解决。还是以上面为例，如果说水1L或2L每秒的流速流出也是能接受的，就可以认为只要实际值和目标值的误差在2分之一升以内， 就没有误差，将目标值与实际值之差赋值为0，这就限定了闭环死区。
积分饱和的处理。积分饱和，就是执行机构达到极限输出能力了，仍无法到达目标值， 在很长一段时间内无法消除静差造成的。简单举例，就是电机满功率运行，仍达不到期望转速，在一段时间内没有到达目标值， 这时候PID的积分项累计了很大的数值，如果这时候到达了目标值或者重新设定了目标值，由于积分由于累计的误差很大， 系统并不能马上稳定到目标值，并会造成严重的超调或失调的现象。 解决办法有很多，代码中使用了积分分离的方法，在累计误差大于一定值后去掉积分项的作用。
/**
* @brief 位置PID算法实现
* @param actual_val:实际值
* @note 无
* @retval 通过PID计算后的输出
*/
float location_pid_realize(_pid *pid, float actual_val)
{
/*计算目标值与实际值的误差*/
pid->err = pid->target_val - actual_val;
/* 限定闭环死区 */
if((pid->err >= -20) && (pid->err <= 20))
{
pid->err = 0;
pid->integral = 0;
}
/* 积分分离，偏差较大时去掉积分作用 */
if (pid->err > -1500 && pid->err < 1500)
{
pid->integral += pid->err; // 误差累积
/* 限定积分范围，防止积分饱和 */
if (pid->integral > 4000)
pid->integral = 4000;
else if (pid->integral < -4000)
pid->integral = -4000;
}
/*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;
}
8.2.2.6. 速度环PID算法实现¶
由于编码器精度原因，当实际值和目标值的偏差小于编码区能测量得到的最小精度时，就认为目标值与实际值没有偏差，pid->err为0。 其他部分与之前的计算方法没有什么不同。
/**
* @brief 速度PID算法实现
* @param actual_val:实际值
* @note 无
* @retval 通过PID计算后的输出
*/
float speed_pid_realize(_pid *pid, float actual_val)
{
/*计算目标值与实际值的误差*/
pid->err = pid->target_val - actual_val;
if((pid->err<0.2f ) && (pid->err>-0.2f))
pid->err = 0.0f;
pid->integral += pid->err; // 误差累积
/*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;
}
8.2.2.7. 电流环PID算法实现¶
由于ADC采集电流精度原因，当实际值和目标值的偏差小于ADC能测量得到的最小精度时，就认为目标值与实际值没有偏差，pid->err为0。
/**
* @brief 电流环PID算法实现
* @param actual_val:实际值
* @note 无
* @retval 通过PID计算后的输出
*/
float curr_pid_realize(_pid *pid, float actual_val)
{
/*计算目标值与实际值的误差*/
pid->err=pid->target_val-actual_val;
pid->integral += pid->err; // 误差累积
if (pid->err > -5 && pid->err < 5)
pid->err = 0;
/* 限定积分范围，防止积分饱和 */
if (pid->integral > 2000)
pid->integral = 2000;
else if (pid->integral < -2000)
pid->integral = -2000;
/*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;
}
8.2.2.8. 多环控制函数¶
代码的整体实现逻辑，是位置环作为三环控制的外环，它的PID输出作为中间环(即速度环)的输入，而速度环的PID输出，作为电流环(内环)的输入，以达到三环控制的目的。 增加了速度环、电流环，即增加了对速度、电流控制的期望，将速度、电流也纳入到了控制的环节中，这样一方面降低了干扰，另一方可以对速度、电流进行跟随，防止超调。
从代码中可以看到，在定时器调用的不同周期中(由louter_ring_timer控制)计算了各环的PID参数。 内环控制的周期要比外环周期短，因为内环控制着最终的输出，这个输出对应的就是实际场景中的控制量(本代码中最终的控制量是位置)，位置是无法突变，是需要时间积累的，所以内环输出尽可能快些。
在实际应用中，还是根据实际的场景设定内外环控制周期。控制的最终效果，还是要让内环跟随外环的变化趋势最终达到稳定效果。
/**
* @brief 电机 PID 控制实现（定时调用）
*
* 通过三环控制（位置环、速度环、电流环），根据电机的实际位置、速度和电流，
* 动态调整电机方向与 PWM 占空比，实现精准控制。
*
* @param[in] actual_location 当前电机实际位置
* @param[in] actual_speed 当前电机实际速度
* @param[in] actual_current 当前电机实际电流
* @retval 无
*/
void motor_pid_control(float actual_location, float actual_speed, float actual_current)
{
int32_t location = (int32_t)actual_location; // 将实际位置转换为整数类型
uint32_t speed = (uint32_t)actual_speed; // 将实际速度转换为整数类型
uint32_t current = (uint32_t)actual_current; // 将实际电流转换为整数类型
static uint32_t louter_ring_timer = 0; // 外环周期计数器（控制不同环的执行周期）
float cont_val = 0; // 当前控制值
// 限制实际电流最大值，避免过载
if (actual_current > TARGET_CURRENT_MAX)
{
actual_current = TARGET_CURRENT_MAX;
}
// 当电机处于启用状态时执行控制
if (motor_state == true)
{
/* 位置环计算（每 3 个周期执行一次） */
if (louter_ring_timer++ % 3 == 0)
{
// 通过位置 PID 计算目标速度
cont_val = location_pid_realize(&pid_location, actual_location);
// 根据计算结果调整电机方向
if (cont_val > 0)
{
motor_dir = true; // 正方向
}
else if (cont_val < 0)
{
cont_val = -cont_val;
motor_dir = false; // 反方向
}
// 限制目标速度的最大值
if (cont_val > TARGET_SPEED_MAX)
{
cont_val = TARGET_SPEED_MAX;
}
// 将目标速度传递给速度环
set_pid_target(&pid_speed, cont_val);
// 向上位机发送目标速度值（通道 2）
uint32_t temp = (uint32_t)cont_val;
set_computer_value(SEND_TARGET_CMD, CURVES_CH2, &temp, 1);
}
/* 速度环计算（每 2 个周期执行一次） */
if (louter_ring_timer % 2 == 0)
{
// 通过速度 PID 计算目标电流
cont_val = speed_pid_realize(&pid_speed, actual_speed);
// 限制目标电流的最大值
if (cont_val > TARGET_CURRENT_MAX)
{
cont_val = TARGET_CURRENT_MAX;
}
// 将目标电流传递给电流环
set_pid_target(&pid_curr, cont_val);
// 向上位机发送目标电流值（通道 3）
uint32_t temp = (uint32_t)cont_val;
set_computer_value(SEND_TARGET_CMD, CURVES_CH3, &temp, 1);
}
/* 电流环计算（每个周期执行一次） */
// 通过电流 PID 计算最终的 PWM 占空比
cont_val = curr_pid_realize(&pid_curr, actual_current);
// 限制 PWM 占空比的上下限
if (cont_val < 0)
{
cont_val = 0; // 下限处理
}
else if (cont_val > PWM_MAX_PERIOD_COUNT)
{
cont_val = PWM_MAX_PERIOD_COUNT; // 上限处理
}
// 设置电机方向和 PWM 占空比
Motor_Control_SetDirAndCount(motor_dir, cont_val);
// 向上位机发送当前实际值（通道 1、2、3 分别为位置、速度、电流）
set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH1, &location, 1); // 位置
set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH2, &speed, 1); // 速度
set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH3, ¤t, 1); // 电流
}
}
8.2.2.9. 上位机相关代码¶
最后修改上位机曲线观察相关代码，该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， 主要对三环所接收的目标值和P、I、D值部分进行修改。
/**
* @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
packet_head_t packet;
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:
{
type_cast_t temp_p, temp_i, temp_d;
packet.ch = frame_data[CHX_INDEX_VAL];
temp_p.i = COMPOUND_32BIT(&frame_data[13]);
temp_i.i = COMPOUND_32BIT(&frame_data[17]);
temp_d.i = COMPOUND_32BIT(&frame_data[21]);
if (packet.ch == CURVES_CH1)
{
set_p_i_d(&pid_location, temp_p.f, temp_i.f, temp_d.f); // 设置 P I D
}
else if (packet.ch == CURVES_CH2)
{
set_p_i_d(&pid_speed, temp_p.f, temp_i.f, temp_d.f); // 设置 P I D
}
else if (packet.ch == CURVES_CH3)
{
set_p_i_d(&pid_curr, temp_p.f, temp_i.f, temp_d.f); // 设置 P I D
}
}
break;
case SET_TARGET_CMD:
{
int target_temp = COMPOUND_32BIT(&frame_data[13]); // 得到数据
packet.ch = frame_data[CHX_INDEX_VAL];
/* 只设置位置的目标值，电流的目标置是由速度pid的输出决定的 */
if (packet.ch == CURVES_CH1)
{
set_pid_target(&pid_location, target_temp); // 设置目标值
}
else if (packet.ch == CURVES_CH2)
{
set_pid_target(&pid_speed, target_temp); // 设置目标值
}
else if (packet.ch == CURVES_CH3)
{
set_pid_target(&pid_curr, target_temp); // 设置目标值
}
}
break;
case START_CMD:
{
Motor_Control_Start(); //启动电机
}
break;
case STOP_CMD:
{
Motor_Control_Stop(); //关闭电机
}
break;
case RESET_CMD:
{
NVIC_SystemReset(); //复位系统
}
break;
case SET_PERIOD_CMD:
{
uint32_t temp = COMPOUND_32BIT(&frame_data[13]); // 周期数，单位毫秒
packet.ch = frame_data[CHX_INDEX_VAL];
SET_BASIC_TIM_PERIOD(temp); // 设置定时器周期1~1000ms
}
break;
default:
return -1;
}
}
}
8.2.3. 下载验证¶
下载程序到电机开发板，我们按下Key2和Key3键增加或减少电机位置，也可以通过上位机给PID算法输入目标值启动，开发板就能实时的通过PID运算并控制输出，见下图。
可以看到，电机按照设定的位置进行了转动。要是放大来看，可以看到实际值和目标值还是有一个小的偏差，由于精度的限制，代码中设置了死区，所以PID就不会对着点小偏差再进行PID调节了。