步进电机位置速度双闭环串级调控

步进电机位置速度双闭环串级调控如果开发者对于本文件有需要的可以参考。
/**
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*/
/* 包含头文件 ----------------------------------------------------------------*/
#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "StepMotor/bsp_STEPMOTOR.h"
#include "usart/bsp_debug_usart.h"
#include "EncoderTIM/bsp_EncoderTIM.h"
#include
#include
/* 私有类型定义 --------------------------------------------------------------*/
typedef struct
{
__IO float SetPoint; // 目标值 单位:mm
__IO int LastError; // 前一次误差
__IO int PrevError; // 前两次误差
__IO long SumError; // 累计误差
__IO double Proportion; // Kp系数
__IO double Integral; // Ki系数
__IO double Derivative; // Kd系数
}PID;
/* 私有宏定义 ----------------------------------------------------------------*/
#define TXDCYCLE 1000 // 数据发送周期;单位：ms
#define SAMPLING 0x01 // 采样标记
#define TXD 0x02 // 发送数据标记
#define MAX_SPEED 200
#define abs(x) ((x)<0?(-x):(x))
#define SENDBUFF_SIZE 100 // 串口DMA发送缓冲区大小
/* 私有变量 ------------------------------------------------------------------*/
__IO static PID sPID ,vPID ;
__IO uint16_t time_count = 0; // 时间计数，每1ms增加一(与滴答定时器频率有关)
__IO uint8_t Time_Flag = 0; // 任务时间标记
/* 扩展变量 ------------------------------------------------------------------*/
extern int16_t OverflowCount; //编码器计数溢出 计数器
/* 私有函数原形 --------------------------------------------------------------*/
/* 函数体 --------------------------------------------------------------------*/
/**
* 函数功能：增量式PID速度环计算
* 输入参数：NextPoint 由编码器得到的速度值
* TargetVal 目标值
* 返 回 值：经过PID运算得到的增量值
* 说 明：增量式 PID 速度环控制设计,计算得到的结果仍然是速度值
*/
float IncPIDCalc(int NextPoint,float TargetVal,__IO PID *ptr)
{
float iError = 0,iIncpid = 0; // 当前误差
iError = TargetVal - NextPoint; // 增量计算
if((iError<0.8)&&(iError>-0.8))
iError = 0; // |e| < 0.8,不做调整
iIncpid=(ptr->Proportion * iError) // E[k]项
-(ptr->Integral * ptr->LastError) // E[k-1]项
(ptr->Derivative * ptr->PrevError); // E[k-2]项

ptr->PrevError = ptr->LastError; // 存储误差，用于下次计算
ptr->LastError = iError;
return(iIncpid); // 返回增量值
}
/**
* 函数功能：PID参数初始化
* 输入参数：无
* 返 回 值：无
* 说 明：无
*/
void PID_Init()
{
sPID.Proportion = 0.01; //比例系数
sPID.Integral = 0; //积分系数
sPID.Derivative = 0; //微分系数
sPID.LastError = 0; //前一次的误差
sPID.PrevError = 0; //前两次的误差
sPID.SetPoint = 50; //目标值
sPID.SumError = 0; //累计误差

vPID.Proportion = 0.035; //比例系数
vPID.Integral = 0.005; //积分系数
vPID.Derivative = 0; //微分系数
vPID.LastError = 0; //前一次的误差
vPID.PrevError = 0; //前两次的误差
vPID.SetPoint = 7; //目标值
vPID.SumError = 0; //累计误差
}
/**
* 函数功能: 系统时钟配置
* 输入参数: 无
* 返 回 值: 无
* 说 明: 无
*/
void SystemClock_Config(void)
{
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct;
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct;
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE; // 外部晶振，8MHz
RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9; // 9倍频，得到72MHz主时钟
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; // 系统时钟：72MHz
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1; // AHB时钟：72MHz
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2; // APB1时钟：36MHz
RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1; // APB2时钟：72MHz
HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2);
// HAL_RCC_GetHCLKFreq()/1000 1ms中断一次
// HAL_RCC_GetHCLKFreq()/100000 10us中断一次
// HAL_RCC_GetHCLKFreq()/1000000 1us中断一次
HAL_SYSTICK_Config(HAL_RCC_GetHCLKFreq()/1000); // 配置并启动系统滴答定时器
/* 系统滴答定时器时钟源 */
HAL_SYSTICK_CLKSourceConfig(SYSTICK_CLKSOURCE_HCLK);
/* 系统滴答定时器中断优先级配置 */
HAL_NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 1, 0);
}
/**
* 函数功能: 主函数.
* 输入参数: 无
* 返 回 值: 无
* 说 明: 无
*/
int main(void)
{
static float Dis_Exp_Val = 0; // PID计算出来的期望值
static float Vel_Exp_Val = 0; // PID计算出来的期望值
float Dis_Target = 0; // 目标位置所对应编码器脉冲值
float Vel_Target = 0; // 每单位采样周期内的脉冲数(频率)
uint16_t SUM_Pulse = 0; // 1秒内的总脉冲
int16_t MSF = 0; // 电机反馈速度
__IO int32_t CaptureNumber=0; // 输入捕获数
__IO int32_t Last_CaptureNumber=0;// 上一次捕获值
uint8_t aTxBuffer[SENDBUFF_SIZE]; // 串口DMA发送缓冲区
uint8_t Motion_Dir = 0; // 电机运动方向
/* 复位所有外设，初始化Flash接口和系统滴答定时器 */
HAL_Init();
/* 配置系统时钟 */
SystemClock_Config();
/* 调试串口初始化 */
MX_DEBUG_USART_Init();
/* 编码器定时器初始化并配置输入捕获功能 */
ENCODER_TIMx_Init();
/* 启动编码器接口 */
HAL_TIM_Encoder_Start(&htimx_Encoder, TIM_CHANNEL_ALL);

/* PID参数初始化*/
PID_Init();
Dis_Target = (sPID.SetPoint*PPM);//目标位置所对应编码器脉冲值
Vel_Target = (vPID.SetPoint*P_PERIOD);//每单位采样周期内的脉冲数(频率)

/* 步进电机定时器初始化*/
STEPMOTOR_TIMx_Init();
/* 首先禁止步进电机动作*/
STEPMOTOR_OUTPUT_DISABLE();
/* 启动定时器 */
HAL_TIM_Base_Start(&htimx_STEPMOTOR);
/* 启动比较输出并使能中断 */
HAL_TIM_OC_Start_IT(&htimx_STEPMOTOR,TIM_CHANNEL_1);
/* 无限循环 */
while (1)
{
//采样和控制周期为20ms
if(Time_Flag & SAMPLING)
{
//获得编码器的脉冲值
CaptureNumber = OverflowCount*65535 __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htimx_Encoder);
//M法 测速度
MSF = CaptureNumber - Last_CaptureNumber;
Last_CaptureNumber = CaptureNumber;
MSF = abs(MSF);
//对速度进行累计,得到1s内的脉冲数
SUM_Pulse = MSF;

//位置环PID计算,根据计算结果判断电机运动方向
Dis_Exp_Val = IncPIDCalc(CaptureNumber,Dis_Target,&sPID);
Motion_Dir= Dis_Exp_Val<0?CCW:CW;
Dis_Exp_Val = abs(Dis_Exp_Val);

//位置环输出作为速度环的输入,需要限制位置环的输出不会超过速度环目标值
if(Dis_Exp_Val >= Vel_Target)
Dis_Exp_Val = Vel_Target;
Vel_Exp_Val = IncPIDCalc(MSF,Dis_Exp_Val,&vPID);
//当到达目标位置的时候,这时候已经电机非常慢了.为了减少超调,可以直接将速度环的输出清零
if(Vel_Exp_Val <= 0.1)
Vel_Exp_Val = 0;
/* 经过PID计算得到的结果是编码器的输出期望值的增量,
需要转换为步进电机的控制量(频率值),这里乘上一个系数6400/2400
*/
STEPMOTOR_Motion_Ctrl(Motion_Dir,Vel_Exp_Val*FEEDBACK_CONST);//乘上一个系数,6400/2400,将PID计算结果转换为步进电机的频率(速度)
Time_Flag &= ~SAMPLING;
}
//数据发送周期为1s
if(Time_Flag & TXD)
{
/* 速度值计算: v= 1s内的总步数*编码器单步步进距离 */
/* 当前位置 = 编码器捕获值*编码器单步步进距离 */
sprintf(aTxBuffer,"捕获值:%d 当前位置:%.2fmm 速度:%.1f mm/s\n",CaptureNumber,(float)(CaptureNumber*MPP),(float)SUM_Pulse*MPP);
sprintf(aTxBuffer strlen((const char*)aTxBuffer),"1s内编码器计数值:%d\n",SUM_Pulse);
HAL_UART_Transmit_DMA(&husart_debug, aTxBuffer, strlen((const char*)aTxBuffer));
SUM_Pulse = 0;
Time_Flag &= ~TXD;
}
}
}
/**
* 函数功能: 系统滴答定时器中断回调函数
* 输入参数: 无
* 返 回 值: 无
* 说 明: 每发生一次滴答定时器中断进入该回调函数一次
*/
void HAL_SYSTICK_Callback(void)
{
// 每1ms自动增一
time_count ;
if(time_count%(SAMPLING_PERIOD) == 0) // 20ms
{
Time_Flag |= SAMPLING;
}
if(time_count >= TXDCYCLE) // 1s
{
Time_Flag |= TXD;
time_count = 0;
}
}