STM32編程實現直流電機位置速度PID雙閉環控制 HAL庫源程序

ID:663189 · 發表于 2021-7-23 15:44

雙環閉環

單片機源程序如下:

/**
******************************************************************************
* 文件名程: main.c
* 作者: 學習小組
* 功能: GM37-545_位置速度閉環控制
******************************************************************************
* 說明：
******************************************************************************
*/
/* 包含頭文件 ----------------------------------------------------------------*/
#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "key.h"
#include "encoder.h"
#include "usartx.h"
#include "BDCMotor.h"
/* 私有類型定義 --------------------------------------------------------------*/
typedef struct
{
__IO int32_t SetPoint; //設定目標 Desired Value
__IO float SumError; //誤差累計
__IO float Proportion; //比例常數 Proportional Const
__IO float Integral; //積分常數 Integral Const
__IO float Derivative; //微分常數 Derivative Const
__IO int LastError; //Error[-1]
__IO int PrevError; //Error[-2]
}PID_TypeDef;
/* 私有宏定義 ----------------------------------------------------------------*/
#define SPEEDRATIO 270
#define ENCODER_RESOLUTION 11
#define PPR ((SPEEDRATIO*ENCODER_RESOLUTION)*4) // Pulse/Round 每圈可捕獲到的脈沖數
/*************************************/
// 定義PID相關宏
// 這三個參數設定對電機運行影響非常大
// PID參數跟采樣時間息息相關
/*************************************/
#define SPD_P_DATA 50.0f // P參數
#define SPD_I_DATA 8.5f // I參數
#define SPD_D_DATA 0.0f // D參數
#define TARGET_SPEED 10.0f // 目標速度 10r/m
#define LOC_P_DATA 0.01f // P參數
#define LOC_I_DATA 0.0f // D參數
#define LOC_D_DATA 0.08f // D參數
#define TARGET_LOC (3*PPR) // 目標位置 11880 Pulse = 1r
/* 私有變量 ------------------------------------------------------------------*/
__IO uint8_t Start_flag = 0; // PID 開始標志
uint32_t Motor_Dir = CW; // 電機方向
__IO int32_t tmpPWM_DutySpd = 0;
__IO int32_t tmpPWM_Duty = 0;
__IO int32_t Sample_Pulse; // 編碼器捕獲值 Pulse
__IO int32_t LastSample_Pulse; // 編碼器捕獲值 Pulse
__IO int32_t Spd_PPS; // 速度值 Pulse/Sample
__IO float Spd_RPM; // 速度值 r/m
/* 擴展變量 ------------------------------------------------------------------ */
extern __IO uint32_t uwTick;
/* PID結構體 */
PID_TypeDef sPID,lPID; // PID參數結構體
/* 擴展變量 ------------------------------------------------------------------*/
/* 私有函數原形 --------------------------------------------------------------*/
void PID_ParamInit(void) ;
int32_t SpdPIDCalc(float NextPoint);
int32_t LocPIDCalc(int32_t NextPoint);
/* 函數體 --------------------------------------------------------------------*/
/**
* 函數功能: 系統時鐘配置
* 輸入參數: 無
* 返回值: 無
* 說明: 無
*/
void SystemClock_Config(void)
{
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct;
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct;
__HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE(); // 使能PWR時鐘
__HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1); // 設置調壓器輸出電壓級別1
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE; // 外部晶振，8MHz
RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON; // 打開HSE
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON; // 打開PLL
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE; // PLL時鐘源選擇HSE
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 8; // 8分頻MHz
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 336; // 336倍頻
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2; // 2分頻，得到168MHz主時鐘
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 7; // USB/SDIO/隨機數產生器等的主PLL分頻系數
HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct);
RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK; // 系統時鐘：168MHz
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1; // AHB時鐘： 168MHz
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4; // APB1時鐘：42MHz
RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2; // APB2時鐘：84MHz
HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_5);
HAL_RCC_EnableCSS(); // 使能CSS功能，優先使用外部晶振，內部時鐘源為備用
// HAL_RCC_GetHCLKFreq()/1000 1ms中斷一次
// HAL_RCC_GetHCLKFreq()/100000 10us中斷一次
// HAL_RCC_GetHCLKFreq()/1000000 1us中斷一次
HAL_SYSTICK_Config(HAL_RCC_GetHCLKFreq()/1000); // 配置并啟動系統滴答定時器
/* 系統滴答定時器時鐘源 */
HAL_SYSTICK_CLKSourceConfig(SYSTICK_CLKSOURCE_HCLK);
/* 系統滴答定時器中斷優先級配置 */
HAL_NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0, 0);
}
/**
* 函數功能: 主函數.
* 輸入參數: 無
* 返回值: 無
* 說明: 無
*/
int main(void)
{
/* 復位所有外設，初始化Flash接口和系統滴答定時器 */
HAL_Init();
/* 配置系統時鐘 */
SystemClock_Config();
/* 串口初始化 */
MX_USARTx_Init();
/* 按鍵初始化 */
KEY_GPIO_Init();
/* 編碼器初始化及使能編碼器模式 */
ENCODER_TIMx_Init();
/* 高級控制定時器初始化并配置PWM輸出功能 */
BDCMOTOR_TIMx_Init();
/* 啟動定時器通道和互補通道PWM輸出 */
PWM_Duty = 0;
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htimx_BDCMOTOR,TIM_CHANNEL_1,PWM_Duty); // 0%
/* PID 參數初始化 */
PID_ParamInit();
/* 無限循環 */
while (1)
{
/* 停止按鈕 */
if(KEY1_StateRead()==KEY_DOWN)
{
if( lPID.Proportion < 0 )
{
Motor_Dir = CW;
BDDCMOTOR_DIR_CW();
PWM_Duty = -PWM_Duty;
}
else
{
Motor_Dir = CCW;
BDDCMOTOR_DIR_CCW();
}
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htimx_BDCMOTOR,TIM_CHANNEL_1,0); // 0%
Start_flag = 1;
}
if(KEY2_StateRead()==KEY_DOWN)
{
SHUTDOWN_MOTOR();
HAL_TIM_PWM_Stop(&htimx_BDCMOTOR,TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIMEx_PWMN_Stop(&htimx_BDCMOTOR,TIM_CHANNEL_1); // 停止輸出
}
if(KEY3_StateRead()==KEY_DOWN) // 圈數+1
{
lPID.SetPoint += PPR;
}
if(KEY4_StateRead()==KEY_DOWN) // 圈數-1
{
lPID.SetPoint -= PPR;
}
}
}
/**
* 函數功能: 系統滴答定時器中斷回調函數
* 輸入參數: 無
* 返回值: 無
* 說明: 每隔一定的時間就執行pid算法
*/
void HAL_SYSTICK_Callback(void)
{
__IO int32_t ADC_Resul= 0;
__IO float Volt_Result = 0;
/* 位置環周期100ms */
if(uwTick % 100 == 0)
{
/* 獲取當前位置值,編碼器4倍頻之后的數值 */
Sample_Pulse = (OverflowCount*CNT_MAX) + (int32_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htimx_Encoder);
/* 計算PID結果 */
if(Start_flag == 1)
{
tmpPWM_DutySpd = LocPIDCalc(Sample_Pulse);
/* 設定速度環的目標值 */
if(tmpPWM_DutySpd >= TARGET_SPEED)
tmpPWM_DutySpd = TARGET_SPEED;
if(tmpPWM_DutySpd <= -TARGET_SPEED)
tmpPWM_DutySpd = -TARGET_SPEED;
}
}
/* 速度環周期50ms */
if(uwTick % 50 == 0)
{
/* 獲得當前速度 */
Sample_Pulse = (OverflowCount*CNT_MAX) + \
(int32_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htimx_Encoder);
Spd_PPS = Sample_Pulse - LastSample_Pulse;
LastSample_Pulse = Sample_Pulse ;
/* 11線編碼器,270減速比,一圈脈沖信號是11*270*4 PPR */
Spd_RPM = ((((float)Spd_PPS/(float)PPR)*20.0f)*(float)60);//單位是rpm
/* 計算PID結果 */
if(Start_flag == 1)
{
sPID.SetPoint = tmpPWM_DutySpd;
PWM_Duty = SpdPIDCalc(Spd_RPM);
if(PWM_Duty < 0)
{
Motor_Dir = CW;
BDDCMOTOR_DIR_CW();
PWM_Duty = -PWM_Duty;
}
else
{
Motor_Dir = CCW;
BDDCMOTOR_DIR_CCW();
}
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htimx_BDCMOTOR,TIM_CHANNEL_1,PWM_Duty );
}
printf("LOC:%d Sped: %2.2f r/m \n",Sample_Pulse,
Spd_RPM );
}
}
/******************** PID 控制設計 ***************************/
/**
* 函數功能: PID參數初始化
* 輸入參數: 無
* 返回值: 無
* 說明: 無
*/
void PID_ParamInit()
{
sPID.LastError = 0; // Error[-1]
sPID.PrevError = 0; // Error[-2]
sPID.Proportion = SPD_P_DATA; // 比例常數 Proportional Const
sPID.Integral = SPD_I_DATA; // 積分常數 Integral Const
sPID.Derivative = SPD_D_DATA; // 微分常數 Derivative Const
sPID.SetPoint = TARGET_SPEED; // 設定目標Desired Value
lPID.LastError = 0; // Error[-1]
lPID.PrevError = 0; // Error[-2]
lPID.Proportion = LOC_P_DATA; // 比例常數 Proportional Const
lPID.Integral = LOC_I_DATA; // 積分常數 Integral Const
lPID.Derivative = LOC_D_DATA; // 微分常數 Derivative Const
lPID.SetPoint = TARGET_LOC; // 設定目標Desired Value
}
/**
* 函數名稱：速度閉環PID控制設計
* 輸入參數：當前控制量
* 返回值：目標控制量
* 說明：無
*/
int32_t SpdPIDCalc(float NextPoint)
{
float iError,dError;
iError = sPID.SetPoint - NextPoint; //偏差
if((iError<0.2f )&& (iError>-0.2f))
iError = 0.0f;
sPID.SumError += iError; //積分
/* 設定積分上限 */
if(lPID.SumError >= TARGET_SPEED*10)
lPID.SumError = TARGET_SPEED*10;
if(lPID.SumError <= -TARGET_SPEED*10)
lPID.SumError = -TARGET_SPEED*10;
dError = iError - sPID.LastError; //微分
sPID.LastError = iError;
return (int32_t)(sPID.Proportion * (float)iError //比例項
+ sPID.Integral * (float)sPID.SumError //積分項
+ sPID.Derivative * (float)dError); //微分項
}
/**
* 函數名稱：位置閉環PID控制設計
* 輸入參數：當前控制量
* 返回值：目標控制量
* 說明：無
*/
int32_t LocPIDCalc(int32_t NextPoint)
{
int32_t iError,dError;
iError = lPID.SetPoint - NextPoint; //偏差
/* 設定閉環死區 */
if((iError >= -50) && (iError <= 50))
{
iError = 0;
lPID.SumError = 0;
}
/* 積分分離 */
if((iError >= -1000) && (iError <= 1000))
{
lPID.SumError += iError; //積分
/* 設定積分上限 */
if(lPID.SumError >= 1000)
lPID.SumError = 1000;
if(lPID.SumError <= -1000)
lPID.SumError = -1000;
}
dError = iError - lPID.LastError; //微分
lPID.LastError = iError;
return (int32_t)(lPID.Proportion * (float)iError //比例項
+ lPID.Integral * (float)lPID.SumError //積分項
+ lPID.Derivative * (float)dError); //微分項
}
/**********************************END OF FILE****************************/

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