第13章直流有刷电机三环控制实现
本章我们主要来学习直流有刷电机三环（电流环+速度环+位置环）PID控制的原理，并实现三环PID控制的实验。
本章分为如下几个小节：
13.1三环PID控制原理
13.2 硬件设计
13.3 程序设计
13.4 下载验证
13.1 三环PID控制原理
三环PID控制就是将三个PID控制系统（例如：电流环、速度环以及位置环）串联起来，然后对前一个系统（外环）的输出进行偏差的计算，计算结果作为后一个系统（内环）的输入，具体的控制流程如图13.1.1所示：
图13.1.1三环PID控制流程
图13.1.1中，电机位置是优先控制的对象，三环PID控制的流程如下：
① 首先设置目标位置，系统会计算出位置偏差，然后将偏差输入到位置环（最外环）；
② 位置环的输出和实际速度进行偏差的计算，计算后的偏差输入到速度环（次外环）；
③ 速度环的输出和实际电流进行偏差的计算，计算后的偏差输入到电流环（内环），电流环的输出用于控制PWM的占空比，进而控制电机的位置。
注意：多环PID控制系统的原理是相通的，大家掌握了三环PID控制的内容，其他的多环控制系统就可以迎刃而解了。
13.2 硬件设计
1. 例程功能
1、本实验以电机开发板的直流有刷电机驱动接口1为例，融合速度环、电流环以及位置环PID控制实验，加入三环PID控制算法，对电流、速度以及电机位置进行闭环控制。
2、当按键0按下，就增大目标位置值，电机正转到目标位置；当按键1按下，就减小目标位置值，电机反转到目标位置；当按键2按下，电机回到初始位置。
3、屏幕显示按键功能、占空比、目标位置以及实际位置。
4、串口1和上位机进行数据通信。
5、LED0闪烁指示程序运行。
2. 硬件资源
1）LED灯
LED0 – PE0
2）独立按键
KEY0 – PE2
KEY1 – PE3
KEY2 – PE4
3）定时器1、3、6
TIM1正常输出通道 PA8
互补输出通道 PB13
TIM3 编码器A相输入通道 PC6
TIM3 编码器B相输入通道PC7
4）ADC
ADC1通道8 PB0（电流）
5）SD（刹车）信号输出PF10
6）串口1
USART1_TX PB6（发送）
USART1_RX PB7（接收）
3. 原理图
图13.2.1 直流有刷电机接口原理图
图13.2.1就是我们DMF407电机开发板的直流有刷电机接口1原理图，本实验我们除了用到基础驱动所需的引脚，还需要用到PM1_ENCA（PC6）、PM1_ENCB（PC7）和PM1_AMPU（PB0）这3个引脚。PC6、PC7分别用于连接编码器的A、B两相，PB0用于检测电流采集电路对应的输出电压。
本实验的硬件接线部分和上一章节一致，这里不再赘述。
13.3 程序设计
本实验所用到的基础驱动、编码器测速以及电流采集的代码在前面实验都有介绍过了。我们在程序解析中只讲解三环PID控制相关的函数，下面介绍一下三环PID控制的配置步骤。
三环PID控制的配置步骤
1）配置相关定时器
配置基础驱动、编码器测速相关的定时器，实现基础驱动以及编码器测速功能。
2）配置相关ADC
配置电流采集相关ADC，实现电流采集功能。
4）初始化串口1
初始化串口1，开启串口接收中断，串口1在PID控制中用于上位机通信。
注意：在PID控制的代码中，串口1仅用于PID数据上传，尽量不要输出其他信息，否则有可能影响PID数据。
5）定义PID参数结构体变量
为了方便管理PID相关的控制量，我们需要定义3个PID参数结构体变量，方法如下：
PID_TypeDef g_location_pid; /* 位置环PID参数结构体 */
PID_TypeDef g_speed_pid; /* 速度环PID参数结构体 */
PID_TypeDef g_current_pid; /* 电流环PID参数结构体 */
6）初始化PID参数
把三环PID控制系统的目标值、期望输出值、累计偏差等清零，然后分别配置各个环的PID系数。
7）初始化上位机调试
调用debug_init函数初始化所需内存，为上位机的调试做准备。
8）编写中断服务函数
在定时器6的更新中断回调函数里面进行三环PID计算，计算后的结果用于控制PWM的占空比。
13.3.1 程序流程图
图13.3.1.1 三环PID控制程序流程图
13.3.2 程序解析
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。首先我们看三环PID控制的相关源码，其包括两个文件：pid.c和pid.h。
首先看pid.h头文件的几个宏定义：
/* PID相关参数 */
#define INCR_LOCT_SELECT 0 /* 0：位置式，1：增量式 */
#if INCR_LOCT_SELECT
/* 定义位置环PID参数相关宏 */
#define L_KP 0.06f /* P参数 */
#define L_KI 0.00f /* I参数 */
#define L_KD 0.01f /* D参数 */
/* 定义速度环PID参数相关宏 */
#define S_KP 5.00f /* P参数 */
#define S_KI 0.30f /* I参数 */
#define S_KD 0.01f /* D参数 */
/* 定义电流环PID参数相关宏 */
#define C_KP 8.00f /* P参数 */
#define C_KI 4.00f /* I参数 */
#define C_KD 1.00f /* D参数 */
#define SMAPLSE_PID_SPEED 50 /* 采样周期 单位ms */
#else
/* 定义位置环PID参数相关宏 */
#define L_KP 0.06f /* P参数 */
#define L_KI 0.00f /* I参数 */
#define L_KD 0.01f /* D参数 */
/* 定义速度环PID参数相关宏 */
#define S_KP 5.00f /* P参数 */
#define S_KI 0.30f /* I参数 */
#define S_KD 0.01f /* D参数 */
/* 定义电流环PID参数相关宏 */
#define C_KP 8.00f /* P参数 */
#define C_KI 4.00f /* I参数 */
#define C_KD 1.00f /* D参数 */
#define SMAPLSE_PID_SPEED 50 /* 采样周期 单位ms */
#endif
/*PID结构体*/
typedef struct
{
__IO float SetPoint; /* 目标值 */
__IO float ActualValue; /* 期望输出值 */
__IO float SumError; /* 误差累计 */
__IO float Proportion; /* 比例常数 P */
__IO float Integral; /* 积分常数 I */
__IO float Derivative; /* 微分常数 D */
__IO float Error; /* Error[1] */
__IO float LastError; /* Error[-1] */
__IO float PrevError; /* Error[-2] */
} PID_TypeDef;
extern PID_TypeDef g_location_pid; /* 位置环PID参数结构体 */
extern PID_TypeDef g_speed_pid; /* 速度环PID参数结构体 */
extern PID_TypeDef g_current_pid; /* 电流环PID参数结构体 */
可以把上面的宏定义分成两部分，第一部分是PID计算方式以及PID系数的宏定义，我们可以通过改变INCR_LOCT_SELECT这个宏的值来选择相应的PID计算方式，第二部分则是PID参数相关的结构体，这个结构体用于管理PID控制所需要的控制量，本实验中我们定义了位置环、速度环以及电流环PID参数的结构体变量，它们分别是g_ location _pid、g_speed_pid、g_current_pid。
下面看pid.c的程序，我们先看PID初始化函数，其定义如下：
/**
初始化
无
无
*/
void pid_init(void)
{
/* 初始化位置环PID参数 */
g_location_pid.SetPoint = 0.0; /* 目标值 */
g_location_pid.ActualValue = 0.0; /* 期望输出值 */
g_location_pid.SumError = 0.0; /* 积分值*/
g_location_pid.Error = 0.0; /* Error[1]*/
g_location_pid.LastError = 0.0; /* Error[-1]*/
g_location_pid.PrevError = 0.0; /* Error[-2]*/
g_location_pid.Proportion = L_KP; /* 比例常数 Proportional Const */
g_location_pid.Integral = L_KI; /* 积分常数 Integral Const */
g_location_pid.Derivative = L_KD; /* 微分常数 Derivative Const */
/* 初始化速度环PID参数 */
g_speed_pid.SetPoint = 0.0; /* 目标值 */
g_speed_pid.ActualValue = 0.0; /* 期望输出值 */
g_speed_pid.SumError = 0.0; /* 积分值 */
g_speed_pid.Error = 0.0; /* Error[1] */
g_speed_pid.LastError = 0.0; /* Error[-1] */
g_speed_pid.PrevError = 0.0; /* Error[-2] */
g_speed_pid.Proportion = S_KP; /* 比例常数 Proportional Const */
g_speed_pid.Integral = S_KI; /* 积分常数 Integral Const */
g_speed_pid.Derivative = S_KD; /* 微分常数 Derivative Const */
/* 初始化电流环PID参数 */
g_current_pid.SetPoint = 0.0; /* 目标值 */
g_current_pid.ActualValue = 0.0; /* 期望输出值 */
g_current_pid.SumError = 0.0; /* 积分值*/
g_current_pid.Error = 0.0; /* Error[1]*/
g_current_pid.LastError = 0.0; /* Error[-1]*/
g_current_pid.PrevError = 0.0; /* Error[-2]*/
g_current_pid.Proportion = C_KP; /* 比例常数 Proportional Const */
g_current_pid.Integral = C_KI; /* 积分常数 Integral Const */
g_current_pid.Derivative = C_KD; /* 微分常数 Derivative Const */
}
该函数主要是将三环PID控制系统的目标值、期望输出值、累计偏差等清零，然后配置PID系数。
接下来我们看积分限幅函数，其定义如下：
/**
积分限幅
：PID结构体变量地址
：最大值
：最小值
无
*/
void integral_limit( PID_TypeDef *PID , float max_limit, float min_limit )
{
if (PID->SumError >= max_limit) /* 超过限幅 */
{
PID->SumError = max_limit; /* 限制积分 */
}
else if (PID->SumError <= min_limit) /* 超过限幅 */
{
PID->SumError = min_limit;
}
}
此函数可以对位置式PID的积分进行限幅，避免出现积分深度饱和的问题。大家在使用该函数之前，需要先调整好PID系数，再根据系统能达到的最大累计偏差来设置限幅。
最后要介绍的是定时器的更新中断回调函数，它在dcmotor_time.c中实现，具体的定义如下：
/**
定时器更新中断回调函数
定时器句柄指针
此函数会被定时器中断函数共同调用的
无
*/
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
static uint8_t val = 0;
/* 定时器3相关程序 */
if (htim->Instance == TIM3)
{
/* 判断CR1的DIR位 */
if(__HAL_TIM_IS_TIM_COUNTING_DOWN(&g_timx_encode_chy_handle))
{
g_timx_encode_count--; /* DIR位为1，也就是递减计数 */
}
else
{
g_timx_encode_count++; /* DIR位为0，也就是递增计数 */
}
}
/* 定时器6相关程序 */
else if (htim->Instance == TIM6)
{
int Encode_now = gtim_get_encode(); /* 获取编码器值，用于计算速度 */
speed_computer(Encode_now, 5); /* 5ms计算一次速度 */
if (val % SMAPLSE_PID_SPEED == 0) /* 进行一次pid计算 */
{
if (g_run_flag) /* 判断电机是否启动了 */
{
/* 获取当前编码器总计数值，用于位置闭环控制 */
g_motor_data.location = (float)Encode_now;
integral_limit(&g_location_pid , 1000 ,-1000); /* 位置环积分限幅 */
integral_limit(&g_speed_pid , 200 ,-200); /* 速度环积分限幅 */
integral_limit(&g_current_pid , 150 ,-150); /* 电流环积分限幅 */
/* 设置闭环死区，避免小幅度位置抖动 */
if((g_location_pid.Error <= 20)&&(g_location_pid.Error >= -20))
{
g_location_pid.Error = 0; /* 偏差太小了，直接清零 */
g_location_pid.SumError = 0; /* 清除积分 */
}
g_motor_data.motor_pwm = increment_pid_ctrl(&g_location_pid,
g_motor_data.location); /* 位置环PID控制（最外环） */
if (g_motor_data.motor_pwm >= 120) /* 限制外环输出（目标速度） */
{
g_motor_data.motor_pwm = 120;
}
else if (g_motor_data.motor_pwm <= -120)
{
g_motor_data.motor_pwm = -120;
}
/* 设置目标速度，外环输出作为内环输入 */
g_speed_pid.SetPoint = g_motor_data.motor_pwm;
g_motor_data.motor_pwm = increment_pid_ctrl(&g_speed_pid,
g_motor_data.speed); /* 速度环PID控制（次外环） */
if ( g_motor_data.motor_pwm > 0) /* 判断速度环输出值是否为正数 */
{
dcmotor_dir(0); /* 输出为正数，设置电机正转 */
}
else
{
/* 输出取反 */
g_motor_data.motor_pwm = -g_motor_data.motor_pwm;
dcmotor_dir(1); /* 设置电机反转 */
}
if (g_motor_data.motor_pwm >= 100) /* 限制外环输出（目标电流） */
{
g_motor_data.motor_pwm = 100;
}
/* 设置目标电流，外环输出作为内环输入 */
g_current_pid.SetPoint = g_motor_data.motor_pwm;
g_motor_data.motor_pwm = increment_pid_ctrl(&g_current_pid,
g_motor_data.current); /* 电流环PID控制（内环） */
if (g_motor_data.motor_pwm >= 8200) /* 限制占空比 */
{
g_motor_data.motor_pwm = 8200;
}
else if (g_motor_data.motor_pwm <= 0) /* 滤掉无效输出 */
{
g_motor_data.motor_pwm = 0;
}
#if DEBUG_ENABLE /* 发送基本参数*/
/* 选择通道1，发送实际位置（波形显示）*/
debug_send_wave_data( 1 ,g_motor_data.location);
/* 选择通道2，发送目标位置（波形显示）*/
debug_send_wave_data( 2 ,g_location_pid.SetPoint);
#endif
dcmotor_speed(g_motor_data.motor_pwm); /* 设置占空比 */
}
val = 0;
}
val ++;
}
}
该函数我们只介绍定时器6相关的程序，进入更新中断回调函数后，所执行的代码逻辑如下：
第一步，判断是不是定时器6的寄存器基地址，如果是则获取编码器的计数总值并存入变量Encode_now中，接着计算电机速度。
第二步，每隔50ms进行一次PID计算，在计算PID之前，需要判断g_run_flag是否为1，如果是则说明电机已经启动，可以开始PID计算。
第三步，把变量Encode_now的值存入g_motor_data.location这个成员中，然后对三环的积分进行限幅并设置闭环死区。当系统偏差值进入死区范围之内，我们直接让偏差等于0，并清除累计偏差，此时PID系统不再参与控制，这样可以避免小幅度偏差带来的位置抖动。
第四步，进行位置环PID计算并限制其输出，然后将位置环的输出作为速度环的目标值；速度环PID计算完后，我们先判断其输出，如果输出是正数，则设置电机正转，如果输出是负数，则将输出取反，设置电机反转。因为电流环PID的目标值和输出都是正数，我们无法通过电流环的输出来确定电机的转向，所以这里需要通过速度环的输出来确定电机的转向，并保证电流环的目标值是正数。
第五步，将速度环的输出作为电流环的目标值，然后进行电流环PID计算并限制其输出。
第六步，发送实际位置、目标位置的波形数据到上位机，最后设置PWM的占空比，进而控制电机的位置。
在main.c里面编写如下代码：
int main(void)
{
uint8_t key;
uint16_t t;
uint8_t debug_cmd = 0;
HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */
sys_stm32_clock_init(336, 8, 2, 7); /* 设置时钟,168Mhz */
delay_init(168); /* 延时初始化 */
usart_init(115200); /* 串口1初始化，用于上位机调试 */
led_init(); /* 初始化LED */
lcd_init(); /* 初始化LCD */
key_init(); /* 初始化按键 */
pid_init(); /* 初始化PID参数 */
atim_timx_cplm_pwm_init(8400 - 1 , 0); /* 168Mhz的计数频率 */
dcmotor_init(); /* 初始化电机 */
gtim_timx_encoder_chy_init(0XFFFF, 0); /* 编码器定时器初始化 */
btim_timx_int_init(1000 - 1 , 84 - 1); /* 基本定时器初始化，1ms计数周期 */
adc_nch_dma_init();
#if DEBUG_ENABLE /* 开启调试 */
debug_init(); /* 初始化调试 */
debug_send_motorcode(DC_MOTOR); /* 上传电机类型（直流有刷电机） */
debug_send_motorstate(IDLE_STATE); /* 上传电机状态（空闲） */
/* 同步数据PID参数到上位机 ，无论同步哪一组数据，目标值地址只能是外环PID的
debug_send_initdata(TYPE_PID1, (float *)(&g_location_pid.SetPoint),
L_KP, L_KI, L_KD); /* 位置环PID参数（PID1）*/
debug_send_initdata(TYPE_PID2, (float *)(&g_location_pid.SetPoint),
S_KP, S_KI, S_KD); /* 速度环PID参数（PID2）*/
debug_send_initdata(TYPE_PID3, (float *)(&g_location_pid.SetPoint),
C_KP, C_KI, C_KD); /* 电流环PID参数（PID3）*/
#endif
g_point_color = WHITE;
g_back_color = BLACK;
lcd_show_string(10, 10, 200, 16, 16, "DcMotor Test", g_point_color);
lcd_show_string(10, 30, 200, 16, 16, "KEY0:Start forward", g_point_color);
lcd_show_string(10, 50, 200, 16, 16, "KEY1:Start backward", g_point_color);
lcd_show_string(10, 70, 200, 16, 16, "KEY2:Stop", g_point_color);
while (1)
{
key = key_scan(0); /* 按键扫描 */
if(key == KEY0_PRES) /* 当key0按下 */
{
g_run_flag = 1; /* 标记电机启动 */
dcmotor_start(); /* 开启电机 */
正转一圈，电机旋转圈数 = 编码器总计数值 / 44 / 30 */
g_location_pid.SetPoint += 1320;
if (g_location_pid.SetPoint >= 6600) /* 限制电机位置 */
{
g_location_pid.SetPoint = 6600;
}
#if DEBUG_ENABLE
debug_send_motorstate(RUN_STATE); /* 上传电机状态（运行） */
#endif
}
else if(key == KEY1_PRES) /* 当key1按下 */
{
g_run_flag = 1; /* 标记电机启动 */
dcmotor_start(); /* 开启电机 */
g_location_pid.SetPoint -= 1320; /* 反转一圈 */
if (g_location_pid.SetPoint <= -6600) /* 限制电机位置 */
{
g_location_pid.SetPoint = -6600;
}
#if DEBUG_ENABLE
debug_send_motorstate(RUN_STATE); /* 上传电机状态（运行） */
#endif
}
else if(key == KEY2_PRES) /* 当key2按下 */
{
g_location_pid.SetPoint = 0; /* 恢复初始位置 */
}
#if DEBUG_ENABLE
/* 接收PID助手设置的位置环PID参数 */
debug_receive_pid(TYPE_PID1,(float *)&g_location_pid.Proportion,
(float *)&g_location_pid.Integral,(float *)&g_location_pid.Derivative);
/* 接收PID助手设置的速度环PID参数 */
debug_receive_pid(TYPE_PID2,(float *)&g_speed_pid.Proportion,
(float *)&g_speed_pid.Integral,(float *)&g_speed_pid.Derivative);
/* 接收PID助手设置的电流环PID参数 */
debug_receive_pid(TYPE_PID3,(float *)&g_current_pid.Proportion,
(float *)&g_current_pid.Integral,(float *)&g_current_pid.Derivative);
debug_set_point_range(6600, -6600, 6600); /* 设置目标调节范围 */
debug_cmd = debug_receive_ctrl_code(); /* 读取上位机指令 */
if (debug_cmd == HALT_CODE) /* 电机停机 */
{
g_location_pid.SetPoint = 0; /* 恢复初始位置 */
}
else if (debug_cmd == RUN_CODE) /* 电机运行 */
{
g_run_flag = 1; /* 标记电机启动 */
dcmotor_start(); /* 开启电机 */
g_location_pid.SetPoint = 1320; /* 设置目标位置 */
debug_send_motorstate(RUN_STATE); /* 上传电机状态（运行） */
}
#endif
t++;
if(t % 20 == 0)
{
lcd_dis();
LED0_TOGGLE(); /* LED0(红灯) 翻转 */
#if DEBUG_ENABLE
debug_send_speed(g_motor_data.speed); /* 发送速度 */
g_debug.encode_p = g_motor_data.location; /* 传入编码器当前总计数值 */
debug_upload_data(&g_debug, TYPE_HAL_ENC); /* 发送编码器当前总计数值 */
#endif
}
delay_ms(10);
}
}
main.c的代码逻辑如下：
第一步，初始化相关的外设，例如定时器、串口以及ADC等。
第二步，初始化PID参数、上位机调试，它们分别调用的是pid_init和debug_init函数。
第三步，同步电机的状态（空闲）、类型（直流有刷电机）、PID参数到上位机。需要注意的是，在多环控制中，只有最外环的目标值可以手动设置，因此，无论同步哪一组PID参数，目标值地址只能是最外环PID的（本实验最外环为位置环）。
第四步，在while循环里面检测按键是否按下，如果key0按下，则目标位置增加1320，也就是目标计数值增加1320，根据公式：电机旋转圈数 = 目标计数值变化量 / 44 / 30，电机将会正转一圈；如果key1按下，则目标位置减小1320，电机将会反转一圈，然后上传电机状态（运行）；如果key2按下，电机将回到初始位置。
第五步，接收上位机下发的PID参数、设置目标位置的调节范围。
第六步，调用debug_receive_ctrl_code函数，接收上位机下发的命令。如果上位机的命令为HALT_CODE（停机），则让电机回到初始位置；如果上位机的命令是RUN_CODE，则开启电机，设置目标位置为1320，上传电机状态（运行）到上位机。
第七步，每隔200ms更新一次数据到屏幕，然后调用debug_upload_data函数发送编码器位置值（计数总值）到上位机。
注意：我们可以通过串口来打印系统各环的累计偏差，以此确定各个环的积分限幅范围，切记不能用串口1打印，否则可能会影响PID数据。
根据经验，在只有电流环或者速度环组成的系统中，限幅的范围需要比累计偏差的最大值稍大一点，否则系统可能存在静态误差；在纯位置环或者最外环是位置环的系统中，限幅的范围可以比累计偏差最大值要小，大家可以去实际感受一下。需要注意的是，不同的PID系数对累计偏差的影响可能很大，因此，我们在重新调整PID系数之后，需要查看积分限幅范围是否合理。
13.4 下载验证
下载代码后，可以看到LED0在闪烁，说明程序已经正常在跑了，LCD上显示按键功能、占空比、位置、速度以及电流信息，当我们按下KEY0，目标位置将增大，电机正转；按下KEY1，目标位置将减小，电机反转；按下KEY2，电机将回到初始位置。我们再打开PID调试助手，选择对应的串口端口，我这边是COM7，接着选择通道1和2，点击“开始”按钮，即可开始显示波形，如下图13.4.1所示：
图13.4.1 三环PID控制波形
图13.4.1中，橙线代表目标位置，红线代表实际位置，当我们按下KEY0，目标位置增大，橙线先发生变化，而红线（实际位置）会逐渐靠近橙线（目标位置）；按下KEY1，目标速度将减小，曲线的变化同理；按下KEY2，电机将回到初始位置，目标位置将为0。
注意：1、本实验需要使用USB数据线连接开发板的串口1到电脑，并启动电机之后才会有波形变化；2、如果发现波形不对，请检查电机的M+和M-接线；3、PID系数并不是通用的，如果PID曲线不理想，大家需要根据自己的实际系统去调节。
