1 位置控制與速度控制的區別

電機速度PID控制的結構圖如下，目標值是 設定的速度 ，通過編碼器獲取電機的轉速作為反饋，實現電機轉速的控制。

再來看電機 位置PID控制 ，其結構圖如下，目標值是 設定的位置 ，通過編碼器獲取電機累計轉動的脈沖數作為反饋，實現電機位置的控制。

所以：對比兩張圖，速度控制與位置控制的主要區別，就是控制量的不同。

2 核心程序

了解了速度控制與位置控制的區別后，下面就可以修改程序。

2.1 編碼器相關

2.1.1 電機與編碼器參數

編碼器部分，需要根據自己電機的實際參數進行設定，比如我用到的電機：

• 編碼器一圈的物理脈沖數為11
• 定時器編碼器模式通過設置倍頻來實現4倍頻
• 電機的減速齒輪的減速比為1：34

所以，電機轉一圈總的脈沖數，即定時器能讀到的脈沖數為11*4*34= 1496。

#define ENCODER_RESOLUTION 11    /*編碼器一圈的物理脈沖數*/
#define ENCODER_MULTIPLE 4       /*編碼器倍頻，通過定時器的編碼器模式設置*/
#define MOTOR_REDUCTION_RATIO 34 /*電機的減速比*/

/*電機轉一圈總的脈沖數(定時器能讀到的脈沖數) = 編碼器物理脈沖數*編碼器倍頻*電機減速比 */
/* 11*4*34= 1496*/
#define TOTAL_RESOLUTION ( ENCODER_RESOLUTION*ENCODER_MULTIPLE*MOTOR_REDUCTION_RATIO )

2.1.2 定時器編碼器模式配置

用于編碼器捕獲的定時器的一些宏定義。

#define ENCODER_TIM_PSC  0          /*計數器分頻*/
#define ENCODER_TIM_PERIOD  65535   /*計數器最大值*/
#define CNT_INIT 0                  /*計數器初值*/

配置主要關注重裝載值，倍頻，溢出中斷設置。

/* TIM4通道1通道2 正交編碼器 */
void TIMx_encoder_init(void)                      
{ 
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;            /*GPIO*/
	TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStruct; /*時基*/
	TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct;          /*輸入通道*/
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;         /*中斷*/

        /*GPIO初始化*/
	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE); /*使能GPIO時鐘 AHB1*/
	GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);        
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; 
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;        /*復用功能*/
	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); 

	/*時基初始化*/
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);   /*使能定時器時鐘 APB1*/
	TIM_DeInit(TIM4);  
	TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStruct);    
	TIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler = ENCODER_TIM_PSC;       /*預分頻 */
	TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period = ENCODER_TIM_PERIOD;       /*周期(重裝載值)*/
	TIM_TimeBaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;      
	TIM_TimeBaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  /*連續向上計數模式*/
	TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStruct); 

	/*編碼器模式配置：同時捕獲通道1與通道2(即4倍頻)，極性均為Rising*/
	TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12,TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising); 
	TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStruct);        
	TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0;   /*輸入通道的濾波參數*/
	TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStruct); /*輸入通道初始化*/
	TIM_SetCounter(TIM4, CNT_INIT);      /*CNT設初值*/
	TIM_ClearFlag(TIM4,TIM_IT_Update);   /*中斷標志清0*/
	TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE); /*中斷使能*/
	TIM_Cmd(TIM4,ENABLE);                /*使能CR寄存器*/
	
	/*中斷配置*/
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM4_IRQn; //定時器4中斷
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0x01; //搶占優先級1
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0x01; //子優先級1
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

2.1.3 讀取編碼器的值

讀取值，這里直接讀取原始值即可，讀取后也不需要再設置計數初值，因為使用的溢出中斷。

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

2.1.4 編碼器計數值溢出處理

溢出中斷中，主要判斷是向上溢出還是向下溢出，因為電機可以正反轉，所以需要記錄溢出的方向。

/* 定時器溢出次數 */
__IO int16_t EncoderOverflowCnt = 0;

//定時器4中斷服務函數
void TIM4_IRQHandler(void)
{
	if(TIM_GetITStatus(TIM4,TIM_IT_Update)==SET) //溢出中斷
	{
		if((TIM4->CR1 & TIM_CounterMode_Down) != TIM_CounterMode_Down)
		{
			EncoderOverflowCnt++;/*編碼器計數值[向上]溢出*/
		}
		else
		{
			EncoderOverflowCnt--;/*編碼器計數值[向下]溢出*/
		}
	}
	TIM_ClearITPendingBit(TIM4,TIM_IT_Update);  //清除中斷標志位
}

2.2 PID計算相關

2.2.1 周期定時

定時器配置，通過設置自動重裝載值和定時器分頻實現指定周期的定時。

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時鐘
	
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = arr;   //自動重裝載值
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler=psc;  //定時器分頻
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; //向上計數模式
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1; 
	TIM_TimeBaseInit(TIM7,&TIM_TimeBaseInitStructure);//初始化TIM7
	
	TIM_ITConfig(TIM7,TIM_IT_Update,ENABLE); //允許定時器6更新中斷
	TIM_Cmd(TIM7,DISABLE); //初始化時先不開啟定時器7
	
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM7_IRQn; //定時器6中斷
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0x01; //搶占優先級1
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0x03; //子優先級3
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

TIMx_calcPID_init(100-1,8400-1);/*定時10ms,這句在主函數中調用*/

定時器中斷中，每10ms進行1次PID計算

void TIM7_IRQHandler(void)
{
	if(TIM_GetITStatus(TIM7,TIM_IT_Update)==SET) //溢出中斷
	{
		AutoReloadCallback();
	}
	TIM_ClearITPendingBit(TIM7,TIM_IT_Update);  //清除中斷標志位
}

2.2.2 PID電機控制邏輯

周期定時器的回調函數中進行PID的計算， 程序中被注釋掉的兩句是速度控制的代碼，用于與位置控制進行對比 ，通過對比可以明顯的看出，位置控制與速度控制的區別在于傳入PID的控制量。

void AutoReloadCallback()
{
	static __IO int encoderNow = 0;    /*當前時刻總計數值*/
	static __IO int encoderLast = 0;   /*上一時刻總計數值*/
	int encoderDelta = 0; /*當前時刻與上一時刻編碼器的變化量*/
	int res_pwm = 0; /*PID計算得到的PWM值*/

    /*【1】讀取編碼器的值*/
    encoderNow = read_encoder() + EncoderOverflowCnt*ENCODER_TIM_PERIOD;/*獲取當前的累計值*/
    encoderDelta = encoderNow - encoderLast; /*得到變化值*/
    encoderLast = encoderNow;/*更新上次的累計值*/

    /*【2】PID運算，得到PWM控制值*/
    //res_pwm = pwm_val_protect((int)PID_realize(encoderDelta));/*傳入編碼器的[變化值]，實現電機【速度】控制*/
    res_pwm = pwm_val_protect((int)PID_realize(encoderNow));/*傳入編碼器的[總計數值]，實現電機【位置】控制*/

    /*【3】PWM控制電機*/
    set_motor_rotate(res_pwm);

    /*【4】數據上傳到上位機顯示*/
    //set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH1, &encoderDelta, 1); /*給通道1發送實際的電機【速度】值*/
    set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH1, &encoderNow, 1); /*給通道1發送實際的電機【位置】值*/

}

3 實驗演示

實驗中，指定目標值1496，可以實現電機正轉1圈，再指定目標值-1496，因為是相對位置，電機會反轉2圈。當指定14960轉10圈時進行觀察，若PID的參數不合適，會出現靜態誤差、或是持續抖動、或是誤差消除慢等情況。通過不斷的調整參數，可以實際感受到PID各項的調節作用。