电机控制进阶2——PID位置控制

上篇文章讲解了电机的速度环控制，可以控制电机快速准确地到达指定速度。

本篇来介绍电机的位置环控制，实现电机快速准确地转动到指定位置。

1 位置控制与速度控制的区别

回顾上篇，电机速度PID控制的结构图如下，目标值是设定的速度，通过编码器获取电机的转速作为反馈，实现电机转速的控制。

再来看电机位置PID控制，其结构图如下，目标值是设定的位置，通过编码器获取电机累计转动的脉冲数作为反馈，实现电机位置的控制。

所以：对比两张图，速度控制与位置控制的主要区别，就是控制量的不同。

2 核心程序

了解了速度控制与位置控制的区别后，下面就可以修改程序。

2.1 编码器相关

2.1.1 电机与编码器参数

编码器部分，需要根据自己电机的实际参数进行设定，比如我用到的电机：

编码器一圈的物理脉冲数为11

定时器编码器模式通过设置倍频来实现4倍频

电机的减速齿轮的减速比为1：34

所以，电机转一圈总的脉冲数，即定时器能读到的脉冲数为11*4*34= 1496。

#define ENCODER_RESOLUTION 11  

/*编码器一圈的物理脉冲数*/

#define ENCODER_MULTIPLE 4    

/*编码器倍频，通过定时器的编码器模式设置*/

#define MOTOR_REDUCTION_RATIO 34 

/*电机的减速比*/

​

/*电机转一圈总的脉冲数(定时器能读到的脉冲数) = 编码器物理脉冲数*编码器倍频*电机减速比 */

/* 11*4*34= 1496*/

#define TOTAL_RESOLUTION ( ENCODER_RESOLUTION*ENCODER_MULTIPLE*MOTOR_REDUCTION_RATIO ) 

想要了解更多关于编码器的使用，可参照之前的文章: ( http://www.elecfans.com/d/1639052.html )

2.1.2 定时器编码器模式配置

用于编码器捕获的定时器的一些宏定义。

#define ENCODER_TIM_PSC  0     

/*计数器分频*/

#define ENCODER_TIM_PERIOD  65535  

/*计数器最大值*/

#define CNT_INIT 0         

/*计数器初值*/

配置主要关注重装载值，倍频，溢出中断设置。

/* TIM4通道1通道2 正交编码器 */
void TIMx_encoder_init(void)                      
{ 
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;            /*GPIO*/
	TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStruct; /*时基*/
	TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct;          /*输入通道*/
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;         /*中断*/
    
    /*GPIO初始化*/    
	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE); /*使能GPIO时钟 AHB1*/                    
	GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);        
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; 
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;        /*复用功能*/
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;	 /*速度100MHz*/
	GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;   
	GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;        
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct); 
	
	GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource6,GPIO_AF_TIM4); 
	GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource7,GPIO_AF_TIM4); 

	/*时基初始化*/
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);   /*使能定时器时钟 APB1*/
	TIM_DeInit(TIM4);  
	TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStruct);    
	TIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler = ENCODER_TIM_PSC;       /*预分频 */        
	TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period = ENCODER_TIM_PERIOD;       /*周期(重装载值)*/
	TIM_TimeBaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;      
	TIM_TimeBaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  /*连续向上计数模式*/  
	TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStruct); 

	/*编码器模式配置：同时捕获通道1与通道2(即4倍频)，极性均为Rising*/
	TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12,TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising); 
	TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStruct);        
	TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0;   /*输入通道的滤波参数*/
	TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStruct); /*输入通道初始化*/
	TIM_SetCounter(TIM4, CNT_INIT);      /*CNT设初值*/
	TIM_ClearFlag(TIM4,TIM_IT_Update);   /*中断标志清0*/
	TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE); /*中断使能*/
	TIM_Cmd(TIM4,ENABLE);                /*使能CR寄存器*/
	
	/*中断配置*/
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM4_IRQn; //定时器4中断
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0x01; //抢占优先级1
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0x01; //子优先级1
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
} 

想要了解更多关于定时器编码器模式配置的详细介绍，可参照之前的文章：

2.1.3 读取编码器的值

读取值，这里直接读取原始值即可，读取后也不需要再设置计数初值，因为使用的溢出中断。

uint32_t read_encoder(void)
{
	uint32_t encoderNum = 0;
	encoderNum = (TIM4->CNT); 
	return encoderNum;
}

2.1.4 编码器计数值溢出处理

溢出中断中，主要判断是向上溢出还是向下溢出，因为电机可以正反转，所以需要记录溢出的方向。

/* 定时器溢出次数 */
__IO int16_t EncoderOverflowCnt = 0;

//定时器4中断服务函数
void TIM4_IRQHandler(void)
{
	if(TIM_GetITStatus(TIM4,TIM_IT_Update)==SET) //溢出中断
	{
		if((TIM4->CR1 & TIM_CounterMode_Down) != TIM_CounterMode_Down)
		{
			EncoderOverflowCnt++;/*编码器计数值[向上]溢出*/
		}
		else
		{
			EncoderOverflowCnt--;/*编码器计数值[向下]溢出*/
		}
	}
	TIM_ClearITPendingBit(TIM4,TIM_IT_Update);  //清除中断标志位
}

2.2 PID计算相关

2.2.1 周期定时

定时器配置，通过设置自动重装载值和定时器分频实现指定周期的定时。

void TIMx_calcPID_init(u16 arr,u16 psc)
{
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM7,ENABLE);  ///使能TIM7时钟
	
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = arr;   //自动重装载值
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler=psc;  //定时器分频
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; //向上计数模式
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1; 
	TIM_TimeBaseInit(TIM7,&TIM_TimeBaseInitStructure);//初始化TIM7
	
	TIM_ITConfig(TIM7,TIM_IT_Update,ENABLE); //允许定时器6更新中断
	TIM_Cmd(TIM7,DISABLE); //初始化时先不开启定时器7
	
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM7_IRQn; //定时器6中断
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0x01; //抢占优先级1
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0x03; //子优先级3
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

TIMx_calcPID_init(100-1,8400-1);/*定时10ms,这句在主函数中调用*/

定时器中断中，每10ms进行1次PID计算

void TIM7_IRQHandler(void)
{
	if(TIM_GetITStatus(TIM7,TIM_IT_Update)==SET) //溢出中断
	{
		AutoReloadCallback();
	}
	TIM_ClearITPendingBit(TIM7,TIM_IT_Update);  //清除中断标志位
}

想要了解更多关于基础定时器的配置与使用，可参照之前的文章：( http://www.elecfans.com/d/1640145.html )

2.2.2 PID电机控制逻辑

周期定时器的回调函数中进行PID的计算，程序中被注释掉的两句是速度控制的代码，用于与位置控制进行对比，通过对比可以明显的看出，位置控制与速度控制的区别在于传入PID的控制量。

void AutoReloadCallback()
{
	static __IO int encoderNow = 0;    /*当前时刻总计数值*/
	static __IO int encoderLast = 0;   /*上一时刻总计数值*/
	int encoderDelta = 0; /*当前时刻与上一时刻编码器的变化量*/
	int res_pwm = 0; /*PID计算得到的PWM值*/

    /*【1】读取编码器的值*/
    encoderNow = read_encoder() + EncoderOverflowCnt*ENCODER_TIM_PERIOD;/*获取当前的累计值*/
    encoderDelta = encoderNow - encoderLast; /*得到变化值*/
    encoderLast = encoderNow;/*更新上次的累计值*/

    /*【2】PID运算，得到PWM控制值*/
    //res_pwm = pwm_val_protect((int)PID_realize(encoderDelta));/*传入编码器的[变化值]，实现电机【速度】控制*/
    res_pwm = pwm_val_protect((int)PID_realize(encoderNow));/*传入编码器的[总计数值]，实现电机【位置】控制*/

    /*【3】PWM控制电机*/
    set_motor_rotate(res_pwm);

    /*【4】数据上传到上位机显示*/
    //set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH1, &encoderDelta, 1); /*给通道1发送实际的电机【速度】值*/
    set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH1, &encoderNow, 1); /*给通道1发送实际的电机【位置】值*/

}

3 实验演示

实验中，指定目标值1496，可以实现电机正转1圈，再指定目标值-1496，因为是相对位置，电机会反转2圈。当指定14960转10圈时进行观察，若PID的参数不合适，会出现静态误差、或是持续抖动、或是误差消除慢等情况。通过不断的调整参数，可以实际感受到PID各项的调节作用。

审核编辑：汤梓红