前兩篇文章:
http://www.kemarbaileycole.com/d/1796839.html
http://www.kemarbaileycole.com/d/1798370.html
分別介紹了PID速度控制和PID位置控制,分別用來控制電機以期望的速度持續轉動以及以期望的位置(圈數)轉動,這里的期望值都只有一個,但是,如果想要以期望的速度轉動到期望的位置(啟動與停止的加減速過程不考慮),該怎么控制呢?那就要將兩者結合起來了,即PID的串級控制來控制電機。
串級PID結構圖
PID串級控制的典型結構為位置環+速度環+電流環,如下圖。
PID串級控制中,最外環是輸入是整個控制系統的期望值,外環PID的輸出值是內環PID的期望值。
能夠使用三環控制的前提是要硬件支持,比如位置環和速度環需要實時的電機轉動位置和轉動速度作為反饋,這就需要電機需要配有編碼器用于測速與測量轉動的位置;電流環需要有電流采樣電路來實時獲取電機的電流作為反饋。

如果沒有電流采樣電路,可以將電流環去掉,只使用位置環+速度環,系統的期望仍是轉動的位置,內環可以調節轉動的速度。

另外,如果只是想控制電機轉速實現電機調速,可以使用速度環+電流環,系統的期望仍是轉動的位置,內環可以調節電機的電流,增強系統轉動調節的抗干擾能力。

位置環+速度環實踐
由于我的電機沒有電流測量電路,所以,本文以位置環+速度環來學習PID串級控制。就是按照下面這個圖:

PID參數定義
由于是串級PID控制,每一級的PID都要有自己的參數,本次實驗使用位置PID+速度PID,參數定義如下:
/*定義位置PID與速度PID結構體型的全局變量*/
PID pid_location;
PID pid_speed;
/**
* @brief PID參數初始化
* @note 無
* @retval 無
*/
void PID_param_init()
{
/* 位置相關初始化參數 */
pid_location.target_val = TOTAL_RESOLUTION*10;
pid_location.output_val = 0.0;
pid_location.err = 0.0;
pid_location.err_last = 0.0;
pid_location.integral = 0.0;
pid_location.Kp = 0.05;
pid_location.Ki = 0;
pid_location.Kd = 0;
/* 速度相關初始化參數 */
pid_speed.target_val=10.0;
pid_speed.output_val=0.0;
pid_speed.err=0.0;
pid_speed.err_last=0.0;
pid_speed.integral=0.0;
pid_speed.Kp = 80.0;
pid_speed.Ki = 2.0;
pid_speed.Kd = 100.0;
}
位置PID的實現
這里有兩點需要注意:
閉環死區的設定
閉環死區是指執行機構的最小控制量,無法再通過調節來滿足控制精度,如果仍然持續調節,系統則會在目標值前后頻繁動作,不能穩定下來。
比如某個系統的控制精度是1,但目標值需要是1.5,則無論怎么調節,最終的結果只能控制在 1或 2,始終無法達到預設值。這 1.5L小數點后的范圍,就是閉環死區,系統是無法控制的,誤差會一直存在,容易發生震蕩現象。
對應精度要求不高的系統,可以設定閉環死區,比如將允許的誤差范圍設為0.5,則最終結果在 1或 2都認為是沒有誤差,這時將目標值 與實際值之差強制設為 0,認為沒有誤差,即限定了閉環死區。
積分分離的設定
通過積分分離的方式來實現抗積分飽和,積分飽和是指執行機構達到極限輸出能力了,仍無法到達目標值,在很長一段時間內無法消除靜差造成的。
例如,PWM輸出到了100%,仍達不到期望位置,此時若一直進行誤差累加,在一段時間后, PID 的積分項累計了很大的數值,如果這時候到達了目標值或者重新設定了目標值,由于積分由于累計的誤差很大,系統并不能立即調整到目標值,可能造成超調或失調的現象。
解決積分飽和的一種方法是使用積分分離,該方法是在累計誤差小于某個閾值才使用積分項,累計誤差過大則不再繼續累計誤差,相當于只使用了PD控制器。
控制流程圖
帶有閉環死區與積分分離的PID控制流程如下圖:

完整的位置PID代碼如下:
/**
* @brief 位置PID算法實現
* @param actual_val:實際值
* @note 無
* @retval 通過PID計算后的輸出
*/
#define LOC_DEAD_ZONE 60 /*位置環死區*/
#define LOC_INTEGRAL_START_ERR 200 /*積分分離時對應的誤差范圍*/
#define LOC_INTEGRAL_MAX_VAL 800 /*積分范圍限定,防止積分飽和*/
float location_pid_realize(PID *pid, float actual_val)
{
/*計算目標值與實際值的誤差*/
pid->err = pid->target_val - actual_val;
/* 設定閉環死區 */
if((pid->err >= -LOC_DEAD_ZONE) && (pid->err <= LOC_DEAD_ZONE))
{
pid->err = 0;
pid->integral = 0;
pid->err_last = 0;
}
/*積分項,積分分離,偏差較大時去掉積分作用*/
if(pid->err > -LOC_INTEGRAL_START_ERR && pid->err < LOC_INTEGRAL_START_ERR)
{
pid->integral += pid->err;
/*積分范圍限定,防止積分飽和*/
if(pid->integral > LOC_INTEGRAL_MAX_VAL)
{
pid->integral = LOC_INTEGRAL_MAX_VAL;
}
else if(pid->integral < -LOC_INTEGRAL_MAX_VAL)
{
pid->integral = -LOC_INTEGRAL_MAX_VAL;
}
}
/*PID算法實現*/
pid->output_val = pid->Kp * pid->err +
pid->Ki * pid->integral +
pid->Kd * (pid->err - pid->err_last);
/*誤差傳遞*/
pid->err_last = pid->err;
/*返回當前實際值*/
return pid->output_val;
}
串級控制代碼
//周期定時器的回調函數
void AutoReloadCallback()
{
static uint32_t location_timer = 0; // 位置環周期
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*/
float actual_speed = 0; /*實際測得速度*/
int actual_speed_int = 0;
int res_pwm = 0;/*PID計算得到的PWM值*/
static int i=0;
/*【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】位置PID運算,得到PWM控制值*/
if ((location_timer++ % 2) == 0)
{
float control_val = 0; /*當前控制值*/
/*位置PID計算*/
control_val = location_pid_realize(&pid_location, encoderNow);
/*目標速度值限制*/
speed_val_protect(&control_val);
/*設定速度PID的目標值*/
set_pid_target(&pid_speed, control_val);
}
/* 轉速(1秒鐘轉多少圈)=單位時間內的計數值/總分辨率*時間系數, 再乘60變為1分鐘轉多少圈 */
actual_speed = (float)encoderDelta / TOTAL_RESOLUTION * 10 * 60;
/*【3】速度PID運算,得到PWM控制值*/
actual_speed_int = actual_speed;
res_pwm = pwm_val_protect((int)speed_pid_realize(&pid_speed, actual_speed));
/*【4】PWM控制電機*/
set_motor_rotate(res_pwm);
/*【5】數據上傳到上位機顯示*/
set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH1, &encoderNow, 1); /*給通道1發送實際的電機【位置】值*/
}
PID的計算是通過定時器調用,每10ms一次,從代碼中可以看到,內環(速度PID)控制的周期要比外環(位置PID)的周期短,位置PID是每兩次循環計算一次,因為內環控制著最終的輸出,這個輸出對應的就是實際場景中的控制量 (本實驗最終控制的是位置),位置是無法突變,是需要時間積累的,所以內環輸出盡可能快些。
視頻演示
視頻中,測試以不同的目標速度到達目標位置,視頻后半段測試引入干擾情況下的控制效果:
https://www.bilibili.com/video/BV1QK4y1g7yg?spm_id_from=333.999.0.0

開源代碼
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4是一款高壓電源柵極驅動器,提供兩路輸出,用于直接驅動2個N溝道功率MOSFET或以半橋配置排列的IGBT。它使用自舉技術確保正確驅動高端電源開關。 特性 優勢 高壓范圍:高達600 V 堅固靈活的設計 dV / dt Immunity 50 V / nsec 穩健的設計 柵極驅動電源范圍為10 V至20 V 供電范圍廣 高低驅動輸出 適用于半橋轉換器拓撲 輸出源/吸電流電流能力y:250 mA / 500 mA 適用于中低功率應用 兼容3.3 V和5 V輸入邏輯 微控制器操作的低電平輸入 輸入引腳上的Vcc擺幅 靈活的輸入等級直至Vcc 在兩個渠道的Vcc LockOut(UVLO)下 穩健的設計 引腳與行業標準兼容 減少設計工作 兩個通道之間的匹配傳播延遲 內部固定死區時間的1輸入( 520 ns) 應用 終端產品 半橋電源轉換器:中低功率 照明鎮流器 白色商品 電機控制 電路圖、引腳圖和封裝圖...
發表于 07-31 00:02 ?
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7可編程七通道半橋MOSFET預驅動器是用于驅動邏輯電平NMOS FET的FLEXMOS汽車級產品系列之一。該產品可通過串行SPI和CMOS兼容并行輸入的組合進行控制。預驅動器提供先進的MOSFET控制和保護。設備和應用程序診斷數據通過SPI進行通信。 特性 優勢 7個半橋前驅動器 最多可并聯控制三臺電機或兩臺電機獨立控制 集成電荷泵 N溝道MOSFET可用于高側級和開關反向電池保護 打開負載保護 檢測未連接的負載 過載保護 外部MOSFET和負載保護 可編程擺動速率控制 靈活控制MOSFET的開關損耗并提高EMC Per形成 QFN包裝 小板占地面積和良好的散熱性能 應用 終端產品 座椅電機執行器 門鎖執行器 行李箱升降執行器 天窗執行器 升降機執行器 汽車市場的有刷直流電機控制 電路圖、引腳圖和封裝圖...
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4可編程四通道半橋MOSFET預驅動器是用于驅動邏輯電平NMOS FET的FLEXMOS汽車級產品系列之一。該產品可通過串行SPI和CMOS兼容并行輸入的組合進行控制。預驅動器提供先進的MOSFET控制和保護。設備和應用程序診斷數據通過SPI進行通信。 特性 優勢 4個半橋預驅動器 最多可并聯控制三臺電機或兩臺電機獨立控制 集成電荷泵 N溝道MOSFET可用于高側級和開關反向電池保護 打開負載保護 檢測未連接的負載 過載保護 外部MOSFET和負載保護 可編程擺動速率控制 靈活控制MOSFET的開關損耗并提高EMC Per形成 QFN包裝 小板占地面積和良好的散熱性能 應用 終端產品 座椅電機執行器 門鎖執行器 行李箱升降執行器 天窗執行器 升降機執行器 汽車市場的有刷直流電機控制 電路圖、引腳圖和封裝圖...
發表于 07-30 22:02 ?
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0422是一款微步進步進電機橋控制器,適用于大電流范圍雙極應用。芯片通過SPI接口與外部控制器連接,以控制兩個外部功率NMOS H橋。它具有片上穩壓器,電流檢測,自適應PWM控制器和具有智能斜率控制開關的預驅動器,使該器件符合EMC標準,適用于工業和汽車應用。它使用專有的PWM算法進行可靠的電流控制。 特性 兩相步進電機的雙H橋預驅動器 通過SPI編程可編程電流 片上電流轉換器 SPI接口 速度和負載角度輸出 9步模式從完整步長到128微步 通過兩個外部檢測電阻的電流檢測 自動選擇快速和慢速衰減的PWM電流控制 具有可選電壓斜率的低EMC PWM 全輸出保護和診斷 熱警告和關機 與3.3 V微控制器兼容 集成3.3 V穩壓器為外部微控制器供電 用于復位外部微控制器的集成復位功能 綜合監察功能 應用 終端產品 電機控制 HVAC 工業控制系統 電路圖、引腳圖和封裝圖...
發表于 07-30 19:02 ?
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備用于切換感應負載,如繼電器,螺線管白熾燈和小型直流電機,無需使用空轉二極管。該器件集成了所有必需的產品,如MOSFET開關,ESD保護和齊納鉗位。它接受邏輯電平輸入,因此允許它由各種設備驅動,包括邏輯門,反相器和微控制器。 特性 在DC之間提供強大的驅動程序接口繼電器線圈和敏感邏輯電路 優化開關繼電器從3.0 V到5.0 V電壓軌 能夠驅動額定功率高達2.5 W,5.0 V 的繼電器線圈 內部齊納二極管消除了對續流二極管的需求 內部齊納鉗位路由引起的電流接地以實現更安靜的系統操作 低VDS(on)降低系統電流排水 應用 電信:線路卡,調制解調器,答錄機和傳真 計算機和辦公室:復印機,打印機和臺式電腦 消費者:電視和錄像機,立體聲接收器,CD播放器,盒式錄音機 工業:小家電,安全系統,自動測試設備,車庫門開啟器 汽車:5.0V驅動繼電器,電機控制,電源鎖和燈驅動器 電路圖、引腳圖和封裝圖...
發表于 07-30 12:02 ?
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備用于切換電感負載,如繼電器,螺線管白熾燈和小型直流電機,無需使用續流二極管。該器件集成了所有必需的產品,如MOSFET開關,ESD保護和齊納鉗位。它接受邏輯電平輸入,因此允許它由各種設備驅動,包括邏輯門,反相器和微控制器。 特性 在DC之間提供強大的驅動程序接口繼電器線圈和敏感邏輯電路 優化開關繼電器從3.0 V到5.0 V電壓軌 能夠在5.0 V下驅動額定功率高達2.5 W的繼電器線圈 內部齊納二極管消除了對續流二極管的需求 內部齊納鉗位路徑感應電流接地更安靜系統操作 低V DS(on)減少系統電流消耗 應用 終端產品 繼電器Switchi ng 感性負載切換 線路卡,調制解調器,應答機,傳真 復印機,打印機,臺式電腦 電視和錄像機,立體聲接收器,CD播放機,盒式錄像機 小家電,安全系統,自動測試設備,車庫門開啟器 5.0 V驅動繼電器,電機控制,電源鎖,燈驅動器 電路圖、引腳圖和封裝圖...
發表于 07-30 11:02 ?
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電器驅動器旨在用集成的SMT部件替換三到六個分立元件的陣列。它可用于切換3至6 Vdc感應負載,如繼電器,螺線管,白熾燈和小型直流電機,無需使用續流二極管。 特性 在直流繼電器線圈和敏感邏輯電路之間提供穩健的驅動器接口 優化從3開關繼電器V至5 V導軌 能夠在5 V下驅動額定功率高達2.5 W的繼電器線圈 具有低輸入驅動電流和良好的背對背瞬態隔離功能 內部齊納二極管消除了對自由二極管的需求 內部齊納鉗位路徑感應電流接地以實現更安靜的系統操作 保證關閉狀態,無輸入連接 支持Larg具有最小斷態泄漏的系統 符合1C類人體模型的抗ESD能力 低飽和電壓允許使用更高電阻的繼電器線圈,從而減少系統電流漏極 應用 電信:線路卡,調制解調器,應答機,傳真機,功能手機電子Hook Switch 計算機和辦公室:復印機,打印機,臺式電腦 消費者:電視和錄像機,立體聲接收器,CD播放器,盒式錄像機,電視機頂盒 工業:小家電,白色家電,安全系統,自動測試設備,車庫門開啟器 汽車:5.0 V驅動繼電器,電機控制,電源鎖,燈驅動器 電路圖、引腳圖和封裝圖...
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0512是一款用于雙極步進電機的微步進步進電機驅動器。芯片通過I / O引腳和SPI接口與外部微控制器連接。它具有片上穩壓器,復位輸出和看門狗復位功能,能夠為外圍設備供電。 AMIS-30512包含一個電流轉換表,根據NXT輸入引腳上的時鐘信號和DIR(方向)寄存器或輸入引腳的狀態,進行下一個微步。該芯片提供所謂的速度和負載角輸出。這允許基于負載角度創建失速檢測算法和控制回路以調節扭矩和速度。它采用專有的PWM算法實現可靠的電流控制。 AMIS-30512采用I2T100技術,可在同一芯片上實現高壓模擬電路和數字功能。該芯片完全兼容汽車電壓要求。 AMIS-30512非常適用于汽車,工業,醫療和海洋環境中的通用步進電機應用。 特性 用于兩相步進電機的雙H橋 可編程峰值電流上升使用5位電流DAC達到800 mA 片上電流轉換器 SPI接口 速度和負載角度輸出 從全步到32步的七步模式 完全集成的電流檢測 自動選擇快速和慢速衰減的PWM電流控制 低EMC PWM可選擇的電壓斜率 有源反激二極管 完整輸出保護和診斷 熱警告和關機 兼容3.3 V微控制器,5.0 V...
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是50 mA LDO線性穩壓器。它是一款非常穩定和精確的器件,具有超低的接地電流消耗(在整個輸出負載范圍內為4.7 uA)和寬輸入電壓范圍(最高24 V)。穩壓器具有多種保護功能,如熱關斷和限流。 類似產品: NCP715 NCP716 NCP716B NCP718 輸出電流(A) 0.05 0.08 0.15 0.30 PSRR f = 1 kHz(dB) 52 60 53 52 壓差電壓(V) 0.230 0.310 0.600 0.275 特性 優勢 工作輸入電壓范圍:2.5 V至24 V 寬VIN也適合電池供應 1.2 V,1.5 V,1.8 V,2.5 V,3.0 V,3.3 V,5 V Fixe d輸出電壓選項 設計靈活性 低4.7 uA典型靜態電流 延長電池壽命 PSRR在1 kHz時為54 dB 適用于噪聲敏感電路 熱關斷和限流保護 保護產品和系統免受損壞 提供XDFN6 1.5 x 1.5 mm,TSOP-5和SC-70封裝 滿足設計和制造需求的多種包裝選項 應用 終端產品 便攜式設備 通信系統 超低功耗微控制器 智能手機充電器 工業電機控制 恒溫器 電路圖、引腳圖和封裝圖...
發表于 07-29 22:02 ?
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