目錄
直流有刷電機電流環控制實現
硬件設計
直流電機電流環控制-位置式PID實現
編程要點
配置ADC可讀取電流值
配置基本定時器6產生定時中斷讀取當前電路中驅動電機的電流值并執行PID運算
配置定時器1輸出PWM控制電機
ADC數據處理
編寫位置式PID算法
直流電機電流環控制-增量式PID實現
編程要點
配置ADC可讀取電流值
配置基本定時器6產生定時中斷讀取當前電路中驅動電機的電流值并執行PID運算
配置定時器1輸出PWM控制電機
ADC數據處理
編寫增量式PID算法
直流有刷電機電流環控制實現
利用直流有刷驅動板來完成對電流的采集,最終實現電流環的閉環控制。
在一些場景中想讓電機吊起超出電機能力的重物(即超載),但電機的能力有限,電機長期超載工作會嚴重損壞電機。如果想合理利用電機的性能,就需要控制電流的輸出,所以需要電流環的控制。
硬件設計
可選:L298N電機驅動板、野火MOS搭建的驅動板。
直流電機電流環控制-位置式PID實現
編程要點
配置ADC可讀取電流值
配置基本定時器產生定時中斷讀取當前電路中驅動電機的電流值并執行PID運算
配置定時器輸出PWM控制電機
編寫位置式PID算法
編寫電流控制函數
增加上位機曲線觀察相關代碼
編寫按鍵控制代碼
配置ADC可讀取電流值
#define VBUS_MAX 14 // 電壓最大值
#define VBUS_MIN 10 // 電壓最小值#define VBUS_HEX_MAX ((VBUS_MAX/37.0+1.24)/VREF*65536) // 電壓最大值(測量電壓是電源電壓的1/37)
#define VBUS_HEX_MIN ((VBUS_MIN/37.0+1.24)/VREF*65536) // 電壓最小值(測量電壓是電源電壓的1/37)__IO uint16_t ADC_ConvertedValue;
DMA_HandleTypeDef DMA_Init_Handle;
ADC_HandleTypeDef ADC_Handle;static uint16_t adc_buff[1024];
static uint16_t vbus_adc_mean = 0; // 電源電壓 ADC 采樣結果平均值
static uint32_t adc_mean_sum = 0; // 平均值累加
static uint32_t adc_mean_count = 0; // 累加計數/*** @brief 電流采集初始化* @param 無* @retval 無*/
void ADC_Init(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;__GPIOB_CLK_ENABLE();__DMA2_CLK_ENABLE();__ADC1_CLK_ENABLE();// PB1--電流GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_1;GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_NOPULL;HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);// PB0--電壓GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_0;HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);// ADC1使用DMA2,數據流0,通道0,這個是手冊固定死的DMA_Init_Handle.Instance = DMA2_Stream0;DMA_Init_Handle.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;DMA_Init_Handle.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;DMA_Init_Handle.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;DMA_Init_Handle.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD;DMA_Init_Handle.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD;DMA_Init_Handle.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;DMA_Init_Handle.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;DMA_Init_Handle.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;DMA_Init_Handle.Init.FIFOThreshold = DMA_FIFO_THRESHOLD_HALFFULL;DMA_Init_Handle.Init.MemBurst = DMA_MBURST_SINGLE;DMA_Init_Handle.Init.PeriphBurst = DMA_PBURST_SINGLE;// 選擇 DMA 通道,通道存在于流中DMA_Init_Handle.Init.Channel = DMA_CHANNEL_0;//初始化DMA流,流相當于一個大的管道,管道里面有很多通道HAL_DMA_Init(&DMA_Init_Handle);__HAL_LINKDMA(&ADC_Handle, DMA_Handle, DMA_Init_Handle);ADC_Handle.Instance = ADC1;ADC_Handle.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCKPRESCALER_PCLK_DIV4;ADC_Handle.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;ADC_Handle.Init.ScanConvMode = ENABLE;ADC_Handle.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;ADC_Handle.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;ADC_Handle.Init.NbrOfDiscConversion = 0;ADC_Handle.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_NONE;ADC_Handle.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;ADC_Handle.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_LEFT;ADC_Handle.Init.NbrOfConversion = 2;ADC_Handle.Init.DMAContinuousRequests = ENABLE;ADC_Handle.Init.EOCSelection = ADC_EOC_SINGLE_CONV;HAL_ADC_Init(&ADC_Handle);ADC_ChannelConfTypeDef ADC_Config;ADC_Config.Channel = ADC_CHANNEL_9;ADC_Config.Rank = 1;ADC_Config.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;ADC_Config.Offset = 0;HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC_Handle, &ADC_Config);/** Configure the analog watchdog*/ADC_AnalogWDGConfTypeDef AnalogWDGConfig = {0};AnalogWDGConfig.WatchdogMode = ADC_ANALOGWATCHDOG_SINGLE_REG;AnalogWDGConfig.HighThreshold = VBUS_HEX_MAX;AnalogWDGConfig.LowThreshold = VBUS_HEX_MIN;AnalogWDGConfig.Channel = ADC_CHANNEL_8;AnalogWDGConfig.ITMode = ENABLE;if (HAL_ADC_AnalogWDGConfig(&ADC_Handle, &AnalogWDGConfig) != HAL_OK){while (1);}/** Configure for the selected ADC regular channel its corresponding rank in the sequencer and its sample time.*/ADC_Config.Channel = ADC_CHANNEL_8;ADC_Config.Rank = 2;ADC_Config.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;ADC_Config.Offset = 0;if (HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC_Handle, &ADC_Config) != HAL_OK){while (1);}// 外設中斷優先級配置和使能中斷配置HAL_NVIC_SetPriority(DMA2_Stream0_IRQn, 4, 0);HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA2_Stream0_IRQn);HAL_NVIC_SetPriority(ADC_IRQn, 3, 0);HAL_NVIC_EnableIRQ(ADC_IRQn);HAL_ADC_Start_DMA(&ADC_Handle, (uint32_t *)&adc_buff, 1024);
}
配置基本定時器6產生定時中斷讀取當前電路中驅動電機的電流值并執行PID運算
TIM_HandleTypeDef TIM_TimeBaseStructure;/*** @brief 初始化基本定時器定時,默認50ms產生一次中斷* @param 無* @retval 無*/
void TIMx_Configuration(void)
{HAL_NVIC_SetPriority(TIM6_DAC_IRQn, 1, 3);HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM6_DAC_IRQn);__TIM6_CLK_ENABLE();TIM_TimeBaseStructure.Instance = TIM6;TIM_TimeBaseStructure.Init.Period = 50 * 50 - 1;TIM_TimeBaseStructure.Init.Prescaler = 1680 - 1;TIM_TimeBaseStructure.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;TIM_TimeBaseStructure.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;HAL_TIM_Base_Init(&TIM_TimeBaseStructure);// 開啟定時器更新中斷HAL_TIM_Base_Start_IT(&TIM_TimeBaseStructure);uint32_t temp = (__HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(&TIM_TimeBaseStructure) + 1) / 50.0; // 計算周期,單位msset_computer_value(SEND_PERIOD_CMD, CURVES_CH1, &temp, 1); // 給通道 1 發送目標值
}/*** @brief 定時器更新事件回調函數* @param 無* @retval 無*/
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{if (htim == (&TIM_TimeBaseStructure)){motor_pid_control(); // 每50ms執行一次PID運算}
}
配置定時器1輸出PWM控制電機
TIM_HandleTypeDef DCM_TimeBaseStructure;/*** @brief 初始化控制通用定時器* @param 無* @retval 無*/
void Motor_TIMx_Configuration(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;TIM_OC_InitTypeDef TIM_OCInitStructure;__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();__TIM1_CLK_ENABLE();// PA8--PWM_TIM_CH1GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;GPIO_InitStruct.Alternate = PWM_TIM_GPIO_AF;HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);// PA9--PWM_TIM_CH2GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);// TIM1 66.7us一次周期DCM_TimeBaseStructure.Instance = TIM1;DCM_TimeBaseStructure.Init.Period = 5600 - 1;DCM_TimeBaseStructure.Init.Prescaler = 1 - 1;DCM_TimeBaseStructure.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;DCM_TimeBaseStructure.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;HAL_TIM_PWM_Init(&DCM_TimeBaseStructure);/*PWM模式配置*/TIM_OCInitStructure.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;TIM_OCInitStructure.Pulse = 0;TIM_OCInitStructure.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;TIM_OCInitStructure.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_HIGH;TIM_OCInitStructure.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_SET;TIM_OCInitStructure.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET;/*配置PWM通道*/HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&DCM_TimeBaseStructure, &TIM_OCInitStructure, TIM_CHANNEL_1);/*開始輸出PWM*/HAL_TIM_PWM_Start(&DCM_TimeBaseStructure, TIM_CHANNEL_1);/*配置PWM通道*/HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&DCM_TimeBaseStructure, &TIM_OCInitStructure, TIM_CHANNEL_2);/*開始輸出PWM*/HAL_TIM_PWM_Start(&DCM_TimeBaseStructure, TIM_CHANNEL_2);
}/*** @brief 設置TIM通道的占空比* @param channel 通道 (1,2,3,4)* @param compare 占空比* @note 無* @retval 無*/
void TIM1_SetPWM_pulse(uint32_t channel, int compare)
{switch (channel){case TIM_CHANNEL_1:__HAL_TIM_SET_COMPARE(&DCM_TimeBaseStructure, TIM_CHANNEL_1, compare);break;case TIM_CHANNEL_2:__HAL_TIM_SET_COMPARE(&DCM_TimeBaseStructure, TIM_CHANNEL_2, compare);break;case TIM_CHANNEL_3:__HAL_TIM_SET_COMPARE(&DCM_TimeBaseStructure, TIM_CHANNEL_3, compare);break;case TIM_CHANNEL_4:__HAL_TIM_SET_COMPARE(&DCM_TimeBaseStructure, TIM_CHANNEL_4, compare);break;}
}
ADC數據處理
static uint16_t flag_num = 0;
/*** @brief 常規轉換在非阻塞模式下完成回調* @param hadc: ADC 句柄.* @retval 無*/
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc)
{uint32_t adc_mean = 0;HAL_ADC_Stop_DMA(hadc); // 停止 ADC 采樣,處理完一次數據在繼續采樣/* 計算電流通道采樣的平均值 */for (uint32_t count = 0; count < 1024; count += 2){adc_mean += (uint32_t)adc_buff[count];}adc_mean_sum += adc_mean / (1024 / 2); // 保存平均值adc_mean_count++;adc_mean = 0;/* 計算電壓通道采樣的平均值 */for (uint32_t count = 1; count < 1024; count += 2){adc_mean += (uint32_t)adc_buff[count];}vbus_adc_mean = adc_mean / (1024 / 2); // 保存平均值HAL_ADC_Start_DMA(&ADC_Handle, (uint32_t *)&adc_buff, 1024); // 開始 ADC 采樣
}/*** @brief 在非阻塞模式模擬看門狗回調* @param hadc: ADC 句柄.* @retval 無*/
void HAL_ADC_LevelOutOfWindowCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc)
{float temp_adc;flag_num++; // 電源電壓超過閾值電壓temp_adc = get_vbus_val();if (temp_adc > VBUS_MIN && temp_adc < VBUS_MAX){flag_num = 0;}if (flag_num > 10) // 電源電壓超過閾值電壓10次{set_motor_disable();flag_num = 0;printf("電源電壓超過限制!請檢查原因,復位開發板在試!\r\n");while (1);}
}/*** @brief 獲取電流值(應定時調用)* @param 無* @retval 轉換得到的電流值*/
int32_t get_curr_val(void)
{static uint8_t flag = 0;static uint32_t adc_offset = 0; // 偏置電壓int16_t curr_adc_mean = 0; // 電流 ACD 采樣結果平均值curr_adc_mean = adc_mean_sum / adc_mean_count; // 保存平均值adc_mean_count = 0;adc_mean_sum = 0;if (flag < 17 && is_motor_en == 0) // 僅在電機未啟動時記錄{adc_offset = curr_adc_mean; // 多次記錄偏置電壓,待系統穩定偏置電壓才為有效值flag += 1;}if (curr_adc_mean >= adc_offset){curr_adc_mean -= adc_offset; // 減去偏置電壓}else{curr_adc_mean = 0;}float vdc = (float)curr_adc_mean/(float)65536 * 3.3f; // 獲取電壓值return (float)vdc / 8.0f / 0.02f * 1000.0f;
}/*** @brief 獲取電源電壓值* @param 無* @retval 轉換得到的電流值*/
float get_vbus_val(void)
{float vdc = (float)vbus_adc_mean/(float)65536 * 3.3f; // 獲取電壓值return ((float)vdc - (float)1.24) * (float)37.0; // 電源電壓值(測量電壓是電源電壓的1/37)
}
編寫位置式PID算法
typedef struct
{float target_val; // 目標值float actual_val; // 實際值float err; // 定義偏差值float err_last; // 定義上一個偏差值float Kp,Ki,Kd; // 定義比例、積分、微分系數float integral; // 定義積分值
}_pid;
_pid pid;/*** @brief PID參數初始化* @note 無* @retval 無*/
void PID_param_init()
{/* 初始化參數 */pid.target_val = 40.0;pid.actual_val = 0.0;pid.err = 0.0;pid.err_last = 0.0;pid.integral = 0.0;pid.Kp = 0;pid.Ki = 3.5;pid.Kd = 0;float pid_temp[3] = {pid.Kp, pid.Ki, pid.Kd};set_computer_value(SEND_P_I_D_CMD, CURVES_CH1, pid_temp, 3); // 給通道 1 發送 P I D 值
}/*** @brief 設置目標值* @param val 目標值* @note 無* @retval 無*/
void set_pid_target(float temp_val)
{pid.target_val = temp_val; // 設置當前的目標值
}/*** @brief 獲取目標值* @param 無* @note 無* @retval 目標值*/
float get_pid_target(void)
{return pid.target_val; // 設置當前的目標值
}/*** @brief 設置比例、積分、微分系數* @param p:比例系數 P* @param i:積分系數 i* @param d:微分系數 d* @note 無* @retval 無*/
void set_p_i_d(float p, float i, float d)
{pid.Kp = p; // 設置比例系數 Ppid.Ki = i; // 設置積分系數 Ipid.Kd = d; // 設置微分系數 D
}/*** @brief PID算法實現* @param actual_val:實際值* @note 無* @retval 通過PID計算后的輸出*/
float PID_realize(float actual_val)
{/* 限制電流幅值,野火電機空載時最大電流在100ma左右,如果過大容易積分飽和 */if (pid.target_val >= 120){pid.target_val = 120.0;}else if (pid.target_val <= 5){pid.target_val = 0.0;}/*計算目標值與實際值的誤差*/pid.err = pid.target_val - actual_val;/*誤差累積*/pid.integral += pid.err;/*PID算法實現*/pid.actual_val = pid.Kp * pid.err + pid.Ki * pid.integral + pid.Kd * (pid.err - pid.err_last);/*誤差傳遞*/pid.err_last = pid.err;/*返回當前實際值*/return pid.actual_val;
}/*** @brief 定時器每50ms產生一次中斷回調函數* @param htim:定時器句柄* @retval 無*/
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{if (htim == (&TIM_TimeBaseStructure)){motor_pid_control();}
}/*** @brief 電機位置式 PID 控制實現(定時調用)* @param 無* @retval 無*/
void motor_pid_control(void)
{int32_t actual_current = get_curr_val(); // 讀取當前電流值if (is_motor_en == 1) // 電機在使能狀態下才進行控制處理{float cont_val = 0; // 當前控制值cont_val = PID_realize(actual_current); // 進行 PID 計算if (cont_val < 0){cont_val = 0; // 下限處理}else if (cont_val > 5500){cont_val = 5600; // 速度上限處理}set_motor_speed(cont_val); // 設置 PWM 占空比set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH1, &actual_current, 1); // 給通道 1 發送實際值}
}
直流電機電流環控制-增量式PID實現
編程要點
配置ADC可讀取電流值
配置基本定時器產生定時中斷讀取當前電路中驅動電機的電流值并執行PID運算
配置定時器輸出PWM控制電機
編寫增量式PID算法
編寫電流控制函數
增加上位機曲線觀察相關代碼
編寫按鍵控制代碼
配置ADC可讀取電流值
同上。
配置基本定時器6產生定時中斷讀取當前電路中驅動電機的電流值并執行PID運算
同上。
配置定時器1輸出PWM控制電機
同上。
ADC數據處理
同上。
編寫增量式PID算法
typedef struct
{float target_val; //目標值float actual_val; //實際值float err; //定義當前偏差值float err_next; //定義下一個偏差值float err_last; //定義最后一個偏差值float Kp, Ki, Kd; //定義比例、積分、微分系數
}_pid;
_pid pid;/*** @brief PID參數初始化* @note 無* @retval 無*/
void PID_param_init()
{/* 初始化參數 */pid.target_val = 80;pid.actual_val = 0.0;pid.err = 0.0;pid.err_last = 0.0;pid.err_next = 0.0;pid.Kp = 0;pid.Ki = 2.8;pid.Kd = 0;float pid_temp[3] = {pid.Kp, pid.Ki, pid.Kd};set_computer_value(SEND_P_I_D_CMD, CURVES_CH1, pid_temp, 3); // 給通道 1 發送 P I D 值
}/*** @brief 設置目標值* @param val 目標值* @note 無* @retval 無*/
void set_pid_target(float temp_val)
{pid.target_val = temp_val; // 設置當前的目標值
}/*** @brief 獲取目標值* @param 無* @note 無* @retval 目標值*/
float get_pid_target(void)
{return pid.target_val; // 設置當前的目標值
}/*** @brief 設置比例、積分、微分系數* @param p:比例系數 P* @param i:積分系數 i* @param d:微分系數 d* @note 無* @retval 無*/
void set_p_i_d(float p, float i, float d)
{pid.Kp = p; // 設置比例系數 Ppid.Ki = i; // 設置積分系數 Ipid.Kd = d; // 設置微分系數 D
}/*** @brief PID算法實現* @param actual_val:實際值* @note 無* @retval 通過PID計算后的輸出*/
float PID_realize(float actual_val)
{/*計算目標值與實際值的誤差*/pid.err = pid.target_val - actual_val;/*PID算法實現*/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);/* 限幅輸出,防止深度飽和 */if (pid.actual_val > 5600){pid.actual_val = 5600;}else if (pid.actual_val <= 0){pid.actual_val = 0;}/*傳遞誤差*/pid.err_last = pid.err_next;pid.err_next = pid.err;/*返回當前實際值*/return pid.actual_val;
}/*** @brief 定時器每50ms產生一次中斷回調函數* @param htim:定時器句柄* @retval 無*/
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{if (htim == (&TIM_TimeBaseStructure)){motor_pid_control();}
}/*** @brief 電機增量式 PID 控制實現(定時調用)* @param 無* @retval 無*/
void motor_pid_control(void)
{int32_t actual_current = get_curr_val(); // 讀取當前電流值if (is_motor_en == 1) // 電機在使能狀態下才進行控制處理{float cont_val = 0; // 當前控制值static __IO int32_t Capture_Count = 0; // 當前時刻總計數值static __IO int32_t Last_Count = 0; // 上一時刻總計數值cont_val = PID_realize(actual_current); // 進行 PID 計算if (cont_val > 0) // 判斷電機方向{//set_motor_direction(MOTOR_FWD);}else{cont_val = 0;// cont_val = -cont_val;//set_motor_direction(MOTOR_REV);}cont_val = (cont_val > PWM_MAX_PERIOD_COUNT) ? PWM_MAX_PERIOD_COUNT : cont_val; // 速度上限處理set_motor_speed(cont_val); // 設置 PWM 占空比set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH1, &actual_current, 1); // 給通道 1 發送實際值}
}