基于stm32f103实现电机的速度调控--pid算法实现速度环(开源)

一、PID算法介绍

PID算法，即比例-积分-微分控制算法，是一种广泛应用的控制策略。在自动控制系统中，PID控制器根据系统的输入（设定值）和输出（实际值）之间的偏差，通过比例、积分和微分三种运算方式，产生适当的控制信号，从而实现对被控对象的精确控制。

一、PID算法的基本原理

PID算法的核心思想是根据偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）来计算控制量。这三种运算方式在控制过程中起到了不同的作用：

比例控制（P）：根据偏差的大小直接调整控制量，偏差越大，控制量调整幅度越大。比例控制能够迅速响应偏差的变化，但可能导致系统振荡。
积分控制（I）：对偏差进行积分运算，以消除系统中的稳态误差。积分控制能够逐渐减小偏差，使系统趋于稳定，但可能导致系统响应速度变慢。
微分控制（D）：根据偏差的变化率来调整控制量，具有预测偏差趋势的能力。微分控制能够提前调整控制量，以抑制系统振荡，提高系统的稳定性。

二、PID算法的应用场景

PID算法因其简单、实用、鲁棒性强的特点，在各个领域得到了广泛应用。以下是一些典型的应用场景：

工业自动化：PID控制器在工业自动化领域中具有重要地位，如温度控制、压力控制、流量控制等。
机器人控制：PID算法可用于机器人的运动控制，如轨迹跟踪、姿态调整等。
航空航天：PID控制器在航空航天领域也发挥着重要作用，如飞机姿态控制、卫星轨道控制等。

三、PID算法的优缺点

PID算法的优点主要体现在以下几个方面：

原理简单：PID算法基于基本的数学运算，易于理解和实现。
适应性强：PID算法能够适应各种非线性、时变和不确定性系统，具有较强的鲁棒性。
控制效果好：通过合理调整PID参数，可以实现较高的控制精度和稳定性。

然而，PID算法也存在一些缺点：

参数调整困难：PID算法的参数（比例系数、积分系数、微分系数）需要根据具体系统进行调整，调整过程可能较为繁琐。
可能存在超调现象：在某些情况下，PID控制器可能导致系统超调，即控制量过大或过小，影响系统稳定性。

四、基本原理及代码实现

    通过红外对射及码盘的联合搭配测得实际速度，再设定目标速度，pid算法根据目标速度及实际速度进行调控。

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "CountSensor.h"
#include "mortpwm.h"
#include "Motor.h"
#include "usart.h"
#include "Timer.h"
float num;
extern int CountSensor_Count;
float speed;
// PID控制器结构体  
typedef struct {  
    float Kp;     // 比例系数  
    float Ki;     // 积分系数  
    float Kd;     // 微分系数  
    float SetPoint; // 目标值  
    float ProcessVariable; // 过程变量（当前速度）  
    float ErrorSum; // 误差和  
    float LastError; // 上一次误差  
    float Output; // PID输出  
} PIDController;
// 初始化PID控制器的函数  
void PID_Init(PIDController *pid, float kp, float ki, float kd, float setPoint) {  
    pid->Kp = kp;             // 设置比例系数  
    pid->Ki = ki;             // 设置积分系数  
    pid->Kd = kd;             // 设置微分系数  
    pid->SetPoint = setPoint; // 设置目标值  
    pid->ProcessVariable = 0.0f; // 初始化过程变量  
    pid->ErrorSum = 0.0f;     // 初始化误差累积和  
    pid->LastError = 0.0f;     // 初始化上一次误差  
    pid->Output = 0.0f;       // 初始化输出值  
} 
// 计算PID控制器输出的函数  
float PID_Calculate(PIDController *pid, float processVariable) {  
    float error = pid->SetPoint - processVariable; // 计算当前误差  
    pid->ErrorSum += error;                       // 更新误差累积和  
    float derivative = error - pid->LastError;    // 计算误差的微分  
    pid->Output = pid->Kp * error                 // 比例项  
                   + pid->Ki * pid->ErrorSum       // 积分项  
                   + pid->Kd * derivative;         // 微分项  
    pid->LastError = error;                       // 更新上一次误差  
    pid->ProcessVariable = processVariable;       // 更新过程变量  
    return pid->Output;                           // 返回PID输出值  
}

int main(void)
{
    /*模块初始化*/
    OLED_Init();            //OLED初始化
    CountSensor_Init();        //计数传感器初始化
    Motor_Init();    
    mortpwm_Init();
    Timer_Init();
    uart_init(9600);
    /*显示静态字符串*/
    OLED_ShowString(1, 1, "Count:");    //1行1列显示字符串Count:
    static PIDController speedPID;  // 定义并初始化PID控制器 
    static int initialized = 0; // 用于判断PID是否已初始化  
    while (1)
    {
        if (!initialized) {  
                PID_Init(&speedPID, 0.2f, 0.01f, 0.001f, 2.5f); // 初始化PID，目标速度为2.5 
                initialized = 1;  
        }
        
        // 计算PID输出  
        float pwmValue = PID_Calculate(&speedPID, speed);
        OLED_ShowNum(1, 7, CountSensor_Get(), 5);        //OLED不断刷新显示CountSensor_Get的返回值
                // 设置电机PWM值  
//        printf("%.3f\r\n",pwmValue);
        Goahead(pwmValue*10);
    }
}
/**
  * 函    数：TIM3中断函数
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  * 注意事项：此函数为中断函数，无需调用，中断触发后自动执行
  *           函数名为预留的指定名称，可以从启动文件复制
  *           请确保函数名正确，不能有任何差异，否则中断函数将不能进入
  */
void TIM3_IRQHandler(void)
{

    if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) == SET)        //判断是否是TIM2的更新事件触发的中断
    {
        num=CountSensor_Get();        //Num变量获取20孔码盘所经过的孔数
        speed=num/20.000;     //每秒获取到的num数除以20为圈数，speed为每秒多少圈
        printf("每秒%.3f\r\n",speed);//串口打印输出速度
        CountSensor_Count=0;
        TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);            //清除TIM2更新事件的中断标志位
                                                            //中断标志位必须清除
                                                            //否则中断将连续不断地触发，导致主程序卡死

    }
}

电机pwm控制转速

mortpwm.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "stm32f10x_tim.h"    
#include "mortpwm.h"   
void mortpwm_Init(void)
{
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
//    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
    
//    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);//用来打开AFIO外设的时钟。AFIO外设用于控制引脚重映射功能。引脚重映射功能允许将某些外设的引脚映射到其他引脚上，以便更灵活地配置引脚功能。
//    GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap1_TIM2, ENABLE);//将TIM2定时器的引脚部分重映射到其他引脚上
//    GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE);//禁用JTAG调试接口。在某些情况下，需要释放JTAG接口的引脚以供其他功能使用，这时就需要禁用JTAG调试接口。
    
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;  // 定义一个GPIO_InitTypeDef类型的变量GPIO_InitStructure
//GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure2;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  // 设置GPIO_InitStructure的GPIO模式为复用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1;  // 设置GPIO_InitStructure的引脚为GPIOA的第0号引脚
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  // 设置GPIO_InitStructure的输出速度为50MHz
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);  // 初始化GPIOA的引脚配置为GPIO_InitStructure所定义的配置

//GPIO_InitStructure2.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  // 设置GPIO_InitStructure的GPIO模式为复用推挽输出
//GPIO_InitStructure2.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;  // 设置GPIO_InitStructure的引脚为GPIOA的第0号引脚
//GPIO_InitStructure2.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  // 设置GPIO_InitStructure的输出速度为50MHz
//GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure2);  // 初始化GPIOA的引脚配置为GPIO_InitStructure所定义的配置    

TIM_InternalClockConfig(TIM2);  // 配置TIM2的内部时钟
//TIM_InternalClockConfig(TIM3);  // 配置TIM2的内部时钟

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;  // 定义一个TIM_TimeBaseInitTypeDef类型的变量TIM_TimeBaseInitStructure
//TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure2;

TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;  // 设置时钟分频为不分频
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  // 设置计数模式为向上计数
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 100 - 1;  // 设置周期为100-1，即ARR寄存器的值
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 720 - 1;  // 设置预分频器的值为720-1，即PSC寄存器的值
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;  // 设置重复计数器的值为0
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);  // 初始化TIM2的时间基础设置为TIM_TimeBaseInitStructure所定义的配置

//TIM_TimeBaseInitStructure2.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;  // 设置时钟分频为不分频
//TIM_TimeBaseInitStructure2.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  // 设置计数模式为向上计数
//TIM_TimeBaseInitStructure2.TIM_Period = 100 - 1;  // 设置周期为100-1，即ARR寄存器的值
//TIM_TimeBaseInitStructure2.TIM_Prescaler = 720 - 1;  // 设置预分频器的值为720-1，即PSC寄存器的值
//TIM_TimeBaseInitStructure2.TIM_RepetitionCounter = 0;  // 设置重复计数器的值为0
//TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseInitStructure2);  // 初始化TIM2的时间基础设置为TIM_TimeBaseInitStructure所定义的配置

TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;  // 定义一个TIM_OCInitTypeDef类型的变量TIM_OCInitStructure
TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);  // 初始化TIM_OCInitStructure为默认值

//TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure2;  // 定义一个TIM_OCInitTypeDef类型的变量TIM_OCInitStructure
//TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure2);  // 初始化TIM_OCInitStructure为默认值

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;  // 设置输出比较模式为PWM模式1
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;  // 设置输出极性为高电平有效
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;  // 启用输出
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;  // 设置脉冲值为0，即CCR寄存器的值，值越大，LED越暗
TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);  // 初始化TIM2的输出比较通道1为TIM_OCInitStructure所定义的配置
TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);  // 初始化TIM2的输出比较通道1为TIM_OCInitStructure所定义的配置
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);  // 使能TIM2定时器

//TIM_OCInitStructure2.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;  // 设置输出比较模式为PWM模式1
//TIM_OCInitStructure2.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;  // 设置输出极性为高电平有效
//TIM_OCInitStructure2.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;  // 启用输出
//TIM_OCInitStructure2.TIM_Pulse = 0;  // 设置脉冲值为0，即CCR寄存器的值，值越大，LED越暗
//TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure2);  // 初始化TIM2的输出比较通道1为TIM_OCInitStructure所定义的配置

//TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);  // 使能TIM2定时器
}

void MORT_SetCompare1(uint16_t Compare)  //设置通道1的ccr的值
{
    TIM_SetCompare1(TIM2, Compare);
    
}
void MORT_SetCompare2(uint16_t Compare)  //设置通道1的ccr的值
{
    TIM_SetCompare2(TIM2, Compare);
    
}

mortpwm.h

#ifndef __TIMER_H
#define __TIMER_H
#include "stdint.h"
void mortpwm_Init(void);
void MORT_SetCompare1(uint16_t Compare);
void MORT_SetCompare2(uint16_t Compare);
#endif

五、测速结果

经过一定时间速度达到2.5圈每秒，可给电机添加一定阻力减缓运转速度，通过pid调控后会加大pwm输出，从而调控其速度再次达到所设定值。

关于测速篇可看：

测c基于stm32F103实现MH-Sensor红外对射模块加测速码盘进行测速

源代码：链接: 通过百度网盘分享的文件：对射式红外传感器…
链接:https://pan.baidu.com/s/1bN8mKGs-qY6nfrjemnctpA?pwd=nxmx
提取码:nxmx
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标签：人工智能算法机器学习

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基于stm32f103实现电机的速度调控--pid算法实现速度环(开源)

一、PID算法介绍

二、PID算法的应用场景

三、PID算法的优缺点

四、基本原理及代码实现

五、测速结果

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