第 8 章电机调速(自学二刷笔记)

重要参考：

课程链接:https://www.bilibili.com/video/BV1Ci4y1L7ZZ

讲义链接:Introduction · Autolabor-ROS机器人入门课程《ROS理论与实践》零基础教程

8.3.5 电机调速01_PID控制理论

场景：

速度信息可以以m/s为单位，或者也可以转换成转速 r/s，而电机的转速是由PWM脉冲宽度来控制的，如何根据速度信息量化成合适的PWM值呢？

比如：现有一辆行驶中的无人车，要求将车速调整至100KM/h，那么应该如何向电机输出PWM值？或换言之，如何控制油门？

调速实现策略由多种，PID其中较为常用。

PID简介

PID算法是一种经典、简单、高效的动态速度调节方式，P代表比例，I代表积分，D代表微分。

PID公式如下：

e(t)作为 PID 控制的输入；
u(t)作为 PID 控制器的输出和被控对象的输入；
Kp 控制器的比例系数；
Ki控制器的积分时间，也称积分系数；
Kd控制器的微分时间，也称微分系数。

上述公式稍显晦涩，PID控制原理框架图更有助于理解：

1.P

如果实现上述场景中的车速控制，一种简单的实现方式是：确定目标速度，获取当前速度，使用(目标速度-当前速度)*某一系数 计算结果为输出的PWM，再获取当前速度，使用(目标速度-当前速度)*某一系数 计算结果为输出的PWM并输出...如此循环在上述模型中，调速实现是一个闭环，每一次循环都会根据当前时速与目标时速的差值，再乘以以固定系数，计算出需要输出的PWM值，这其中的系数，称之为比例。

2.I

上述模型算法中，最终速度与预期速度存在稳态误差，这意味着最终结果可能永远无法达成预期，解决的方法就是使用积分I。每次调速时，输出的PWM还要累加根据积分I计算的结果，以消除静态误差。

3.D

当I值设置的过大时，可能会出先"超速"的情况，超速之后可能需要多次调整，产生系统震荡，解决这种情况可以使用D微分，当速度越是接近目标速度时，D就会越施加反方向力，减弱P的控制，起到类似”阻尼“的作用。通过D的使用可以减小系统震荡。

综上，PID闭环控制实现是结合了比例、积分和微分的一种控制机制，通过P可以以比例的方式计算输出，通过I可以消除稳态误差，通过D可以减小系统震荡，三者相结合，最终是要快速、精准且稳定的达成预期结果，而要实现该结果，还需要对这三个数值反复测试、调整...下一节将介绍在 Arduino 中PID控制的具体实现，其中就包括PID库的调用，以及PID调试的具体方式。

8.3.6 电机调速02_PID控制实现

了解了PID原理以及计算公式之后，我们可以在程序中自实现PID相关算法实现，不过，在Arduino中该算法已经被封装了，直接整合调用即可，从而提高程序的安全性与开发效率。该库是：Arduino-PID-Library，接下来通过一个案例演示该库的使用。

需求:通过PID控制电机转速，预期转速为 80r/m。

实现流程:

添加Arduino-PID-Library；
编写Arduino程序直接调用相关实现；
使用串口绘图器调试PID值。

1.添加Arduino-PID-Library

首先在 GitHub 下载 PID 库： git clone GitHub - br3ttb/Arduino-PID-Library

然后将该文件夹移动到 arduino 的 libraries下： sudo cp -r Arduino-PID-Library /home/用户xxx/Arduino/libraries

还要重命名文件夹： sudo mv Arduino-PID-Library ArduinoPIDLibrary

最后重启 ArduinoIDE

2.编码

PID调速中，测速是实现闭环的关键实现，所以需要复制之前的电机控制代码以及测速代码。

完整代码实现：

/*
 * PID 调速实现:
 * 1.代码准备，复制并修改电机控制以及测速代码
 * 2.包含PID头文件
 * 3.创建PID对象
 * 4.在setup中启用自动调试
 * 5.调试并更新PWM
 * 
 */

#include <PID_v1.h> 

int DIRA = 4;
int PWMA = 5;

int motor_A = 21;//中端口是2
int motor_B = 20;//中断口是3
volatile int count = 0;//如果是正转，那么每计数一次自增1，如果是反转，那么每计数一次自减1 


void count_A(){
  //单频计数实现
  //手动旋转电机一圈，输出结果为 一圈脉冲数 * 减速比
  /*if(digitalRead(motor_A) == HIGH){

    if(digitalRead(motor_B) == LOW){//A 高 B 低
      count++;  
    } else {//A 高 B 高
      count--;  
    }


  }*/

  //2倍频计数实现
  //手动旋转电机一圈，输出结果为 一圈脉冲数 * 减速比 * 2
  if(digitalRead(motor_A) == HIGH){

    if(digitalRead(motor_B) == HIGH){//A 高 B 高
      count++;  
    } else {//A 高 B 低
      count--;  
    }


  } else {

    if(digitalRead(motor_B) == LOW){//A 低 B 低
      count++;  
    } else {//A 低 B 高
      count--;  
    }  

  }

}

//与A实现类似
//4倍频计数实现
//手动旋转电机一圈，输出结果为 一圈脉冲数 * 减速比 * 4
void count_B(){
  if(digitalRead(motor_B) == HIGH){

    if(digitalRead(motor_A) == LOW){//B 高 A 低
      count++;
    } else {//B 高 A 高
      count--;
    }


  } else {

    if(digitalRead(motor_A) == HIGH){//B 低 A 高
      count++;
    } else {//B 低 A 低
      count--;
    }

  }

}


int reducation = 90;//减速比，根据电机参数设置，比如 15 | 30 | 60
int pulse = 11; //编码器旋转一圈产生的脉冲数该值需要参考商家电机参数
int per_round = pulse * reducation * 4;//车轮旋转一圈产生的脉冲数 
long start_time = millis();//一个计算周期的开始时刻，初始值为 millis();
long interval_time = 50;//一个计算周期 50ms
double current_vel;

//获取当前转速的函数
void get_current_vel(){
  long right_now = millis();  
  long past_time = right_now - start_time;//计算逝去的时间
  if(past_time >= interval_time){//如果逝去时间大于等于一个计算周期
    //1.禁止中断
    noInterrupts();
    //2.计算转速 转速单位可以是秒，也可以是分钟... 自定义即可
    current_vel = (double)count / per_round / past_time * 1000 * 60;
    //3.重置计数器
    count = 0;
    //4.重置开始时间
    start_time = right_now;
    //5.重启中断
    interrupts();

    Serial.println(current_vel);

  }
}

//-------------------------------------PID-------------------------------------------
//创建 PID 对象
//1.当前转速 2.计算输出的pwm 3.目标转速 4.kp 5.ki 6.kd 7.当输入与目标值出现偏差时，向哪个方向控制
double pwm;//电机驱动的PWM值
double target = 80;
double kp=1.5, ki=3.0, kd=0.1;
PID pid(&current_vel,&pwm,&target,kp,ki,kd,DIRECT);

//速度更新函数
void update_vel(){
  //获取当前速度
  get_current_vel();
  pid.Compute();//计算需要输出的PWM
  digitalWrite(DIRA,HIGH);
  analogWrite(PWMA,pwm);

}

void setup() {
  Serial.begin(57600);//设置波特率  
  pinMode(18,INPUT);
  pinMode(19,INPUT);
  //两个电机驱动引脚都设置为 OUTPUT
  pinMode(DIRA,OUTPUT);
  pinMode(PWMA,OUTPUT);

  attachInterrupt(2,count_A,CHANGE);//当电平发生改变时触发中断函数
  //四倍频统计需要为B相也添加中断
  attachInterrupt(3,count_B,CHANGE);

  pid.SetMode(AUTOMATIC);
}



void loop() {
  delay(10);
  update_vel();

}

核心代码解释：

1.包含PID头文件

#include <PID_v1.h>

2.创建PID对象

//创建 PID 对象
//1.当前转速 2.计算输出的pwm 3.目标转速 4.kp 5.ki 6.kd 7.当输入与目标值出现偏差时，向哪个方向控制
double pwm;//电机驱动的PWM值
double target = 120;
double kp=1.5, ki=3.0, kd=0.1;
PID pid(&current_vel,&pwm,&target,kp,ki,kd,DIRECT);

3.setup中启用PID自动控制