用 STM32 实现电机控制，PID 调参经验分享

只看该作者 · 2024-12-5 16:44

本帖最后由烟雨蒙蒙520 于 2024-12-5 16:46 编辑

基础概念PID 控制器PID 控制器由比例 (P)、积分 (I)、微分 (D) 三部分组成：

P (Proportional): 调节与误差成比例，控制响应速度。
I (Integral): 修正长期误差，消除稳态误差。
D (Derivative): 抑制误差变化趋势，增强系统稳定性。

控制公式：

其中：

e(t)：期望值与实际值的误差。
：PID参数。

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硬件准备
(1) 电机
直流电机（DC Motor）：通过PWM控制电压来调节速度。
步进电机：控制步进脉冲信号频率和方向。
无刷电机（BLDC）：通过霍尔传感器或无传感器FOC（场定向控制）实现精准控制。
(2) STM32开发板
推荐支持定时器和PWM的STM32芯片，如STM32F103、STM32F4系列等。
(3) 驱动器
H桥电路：如L298N、DRV8833等，用于直流电机。
无刷驱动器：如DRV8302，用于BLDC。
步进驱动器：如A4988、TMC2208。
(4) 编码器或传感器
增量式编码器：获取速度和位置。
霍尔传感器：检测无刷电机的转子位置。

只看该作者 · 2024-12-5 16:46

PID 控制系统设计
(1) 系统框架
输入：期望值（速度或位置）。
反馈：电机的实际速度或位置（通过编码器或霍尔传感器获取）。
控制器：PID 算法，根据误差输出控制信号。
执行器：通过PWM信号驱动电机。

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软件实现
(1) PWM 初始化
通过 STM32 的定时器生成 PWM 信号，控制电机驱动器的输入：

c
复制代码
void MX_TIM3_Init(void) {
TIM_HandleTypeDef htim3;
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};

htim3.Instance = TIM3;
htim3.Init.Prescaler = 84 - 1;  // 设置PWM频率
htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim3.Init.Period = 1000 - 1;  // 设定PWM分辨率
HAL_TIM_PWM_Init(&htim3);

sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 0;  // 初始占空比
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);

HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
}

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编码器读取
通过TIM配置编码器模式获取电机位置：

c
复制代码
void MX_TIM4_Init(void) {
TIM_HandleTypeDef htim4;

htim4.Instance = TIM4;
htim4.Init.Prescaler = 0;  // 不分频，直接读取编码器脉冲
htim4.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim4.Init.Period = 0xFFFF;  // 最大计数值
htim4.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
htim4.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
HAL_TIM_Encoder_Init(&htim4, &sEncoderConfig);
HAL_TIM_Encoder_Start(&htim4, TIM_CHANNEL_ALL);
}

int16_t ReadEncoder(void) {
return __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim4);  // 读取编码器位置
}

只看该作者 · 2024-12-5 16:46

PID 算法实现
PID 控制器核心逻辑：

c
复制代码
typedef struct {
float Kp;    // 比例系数
float Ki;    // 积分系数
float Kd;    // 微分系数
float prev_error;
float integral;
} PIDController;

void PID_Init(PIDController *pid, float Kp, float Ki, float Kd) {
pid->Kp = Kp;
pid->Ki = Ki;
pid->Kd = Kd;
pid->prev_error = 0.0f;
pid->integral = 0.0f;
}

float PID_Compute(PIDController *pid, float setpoint, float measured, float dt) {
float error = setpoint - measured;
pid->integral += error * dt;
float derivative = (error - pid->prev_error) / dt;

float output = pid->Kp * error + pid->Ki * pid->integral + pid->Kd * derivative;
pid->prev_error = error;

return output;
}
调用 PID 控制器：

c
复制代码
PIDController motor_pid;
PID_Init(&motor_pid, 1.0f, 0.5f, 0.1f);

float control_signal = PID_Compute(&motor_pid, target_speed, actual_speed, dt);
SetMotorPWM(control_signal);

只看该作者 · 2024-12-5 16:52

PID 调参经验
(1) 参数调整顺序
设置 =0,=0
K i =0,K d=0，只调节
K p ：增加 K p
提高响应速度。
K p
过高可能引起震荡。
引入 K d：增加 K d
抑制震荡，平滑控制。
最后调整
K i：增加 K i

消除稳态误差。
K i过大会导致积分饱和（系统振荡）。

只看该作者 · 2024-12-5 16:53

常见问题及解决方案
震荡：K p 太大或 K i 过高，减小对应参数。
响应迟缓：K p 太小或 K d 过大，增加 K p，减小 K d。
稳态误差：增加
K i，但需注意避免积分饱和。

只看该作者 · 2024-12-5 16:53

调参技巧
实验法：从小到大逐步增加参数，观察响应曲线。
Ziegler-Nichols法：通过测试系统的极限震荡点计算参数。
结合MATLAB仿真：对系统进行建模，利用工具快速调参。

只看该作者 · 2024-12-5 16:53

优化建议
(1) 采样与计算周期
保证采样周期一致（如通过定时器中断）。
�
�
dt 过大导致延迟，过小增加计算量，典型值为10ms。
(2) 增加限幅
防止PID输出过大：

c
复制代码
if (output > MAX_PWM) output = MAX_PWM;
else if (output < MIN_PWM) output = MIN_PWM;
(3) 抗积分饱和
引入抗饱和机制：

c
复制代码
if (output == MAX_PWM || output == MIN_PWM) {
pid->integral -= error * dt; // 防止积分累积
}
(4) 调试工具
使用示波器观察速度或位置反馈信号。
配合串口调试工具打印关键变量。

只看该作者 · 2024-12-5 16:53

可以实现高效、稳定的电机PID控制，并通过合理的调参实现精确控制！

只看该作者 · 2024-12-7 11:37

学习，能再仔细介绍一下吗？

只看该作者 · 2024-12-24 11:35

烟雨蒙蒙520 发表于 2024-12-5 16:53
可以实现高效、稳定的电机PID控制，并通过合理的调参实现精确控制！

请问最近在调pid控制，电机总是一下下的转，不是一直转，可以详细说说你的pid吗