STM32步進電機PID速度環控速源碼

ID:364498 · 發表于 2018-11-9 15:21

【1】例程簡介
  使用定時器功能輸出PWM信號到步進電機驅動器，使其驅動步進電機轉動。
  編碼器用于電機測速。在電機轉動一圈時編碼器可以輸出固定的脈沖數，通過讀取編碼器
脈沖可以獲取當前電機轉動狀態。
一般處理編碼器脈沖有兩種方法：
1. T法：計算一定量的脈沖數所用的時間
2. M法：計算一段固定時間內所捕獲的脈沖數。
  根據當前速度和目標速度之間的誤差,使用PID計算定時器輸出的脈沖頻率,使得滑臺能夠以目標速度
運動

【2】跳線帽情況
編碼器             A相  --> PC6
            B相  --> PC7

步進電機驅動器 DIR- --> PB13
            ENA- --> PB14
            PUL- --> PA8
            DIR+ --> +5V
            ENA+ --> +5V
            PUL+ --> +5V

【3】操作及現象
  根據引腳定義方法連接開發板和步進電機驅動器和編碼器，另外步進電機
連接自行根據電機和驅動器標識連接，驅動器需要一個24V的直流電源供電。
接線時注意開發板與驅動器“共地”連接。編碼器的AB相輸出都是開漏輸出,
所以需要使用加上拉電阻才能連接,使用開發板配套的MINI USB線連接到開發
板標示“調試串口”字樣的MIMI USB接口為開發板提供電源。下載完程序之后
，開發板持續PWM脈沖給步進電機驅動器，電機以目標速度持續轉動,同時在
串口助手上每秒顯示一次當前位置,速度,捕獲值等信息.

單片機源程序如下:

/**
******************************************************************************
* 文件名程: main.c
* 作者: 硬石嵌入式開發團隊
* 版本: V1.1
* 功能: 基于PID速度環的步進電機速度調節
******************************************************************************
* 說明：
* 本例程配套硬石stm32開發板YS-F1Pro使用。
*
******************************************************************************
*/
/* 包含頭文件 ----------------------------------------------------------------*/
#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "StepMotor/bsp_STEPMOTOR.h"
#include "usart/bsp_debug_usart.h"
#include "EncoderTIM/bsp_EncoderTIM.h"
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
/* 私有類型定義 --------------------------------------------------------------*/
typedef struct
{
__IO float SetPoint; // 目標值單位:mm/s
__IO int LastError; // 前一次誤差
__IO int PrevError; // 前兩次誤差
__IO long SumError; // 累計誤差
__IO double Proportion; // Kp系數
__IO double Integral; // Ki系數
__IO double Derivative; // Kd系數
}PID;
/* 私有宏定義 ----------------------------------------------------------------*/
#define TXDCYCLE 1000 // 數據發送周期;單位：ms
#define SAMPLING 0x01 // 采樣標記
#define TXD 0x02 // 發送數據標記
#define abs(x) ((x)<0?(-x):(x))
#define SENDBUFF_SIZE 100 // 串口DMA發送緩沖區大小
/* 私有變量 ------------------------------------------------------------------*/
__IO static PID vPID;
__IO uint16_t time_count = 0; // 時間計數，每1ms增加一(與滴答定時器頻率有關)
__IO uint8_t Time_Flag = 0; // 任務時間標記
/* 擴展變量 ------------------------------------------------------------------*/
extern int16_t OverflowCount; //編碼器計數溢出計數器
/* 私有函數原形 --------------------------------------------------------------*/
/* 函數體 --------------------------------------------------------------------*/
/**
* 函數功能：增量式PID速度環計算
* 輸入參數：NextPoint 由編碼器得到的速度值
* TargetVal 目標值
* 返回值：經過PID運算得到的增量值
* 說明：增量式 PID 速度環控制設計,計算得到的結果仍然是速度值
*/
float IncPIDCalc(int NextPoint,float TargetVal) //臨時變量,期望值
{
float iError = 0,iIncpid = 0; //當前誤差
iError = TargetVal - NextPoint; // 增量計算
if((iError<0.5)&&(iError>-0.5))
iError = 0; // |e| < 0.5,不做調整
iIncpid=(vPID.Proportion * iError) // E[k]項
-(vPID.Integral * vPID.LastError) // E[k-1]項
+(vPID.Derivative * vPID.PrevError); // E[k-2]項
vPID.PrevError=vPID.LastError; // 存儲誤差，用于下次計算
vPID.LastError = iError;
return(iIncpid); // 返回增量值
}
/**
* 函數功能: 系統時鐘配置
* 輸入參數: 無
* 返回值: 無
* 說明: 無
*/
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倍頻，得到72MHz主時鐘
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; // 系統時鐘：72MHz
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1; // AHB時鐘：72MHz
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2; // APB1時鐘：36MHz
RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1; // APB2時鐘：72MHz
HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2);
// HAL_RCC_GetHCLKFreq()/1000 1ms中斷一次
// HAL_RCC_GetHCLKFreq()/100000 10us中斷一次
// HAL_RCC_GetHCLKFreq()/1000000 1us中斷一次
HAL_SYSTICK_Config(HAL_RCC_GetHCLKFreq()/1000); // 配置并啟動系統滴答定時器
/* 系統滴答定時器時鐘源 */
HAL_SYSTICK_CLKSourceConfig(SYSTICK_CLKSOURCE_HCLK);
/* 系統滴答定時器中斷優先級配置 */
HAL_NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 1, 0);
}
/**
* 函數功能: PID結構體初始化
* 輸入參數: 無
* 返回值: 無
* 說明: 初始化PID參數
*/
void Init_PID()
{
vPID.SetPoint = 5; // 目標值單位:mm/s
vPID.Proportion = 0.11; // Kp系數
vPID.Derivative = 0.03; // Ki系數
vPID.Integral = 0.12; // Kd系數
vPID.LastError = 0;
vPID.PrevError = 0;
vPID.SumError = 0;
}
/**
* 函數功能: 主函數.
* 輸入參數: 無
* 返回值: 無
* 說明: 無
*/
int main(void)
{
static float Exp_Val = 0; // PID計算出來的期望值
float Vel_Target; // 速度目標值
uint16_t SUM_Pulse = 0; // 1秒內的總脈沖
int16_t MSF = 0; // 電機反饋速度
__IO int32_t CaptureNumber=0; // 輸入捕獲數
__IO int32_t Last_CaptureNumber=0; // 上一次捕獲值
uint8_t aTxBuffer[SENDBUFF_SIZE]; // 串口DMA發送緩沖區
/* 復位所有外設，初始化Flash接口和系統滴答定時器 */
HAL_Init();
/* 配置系統時鐘 */
SystemClock_Config();
Init_PID();
/* 調試串口初始化 */
MX_DEBUG_USART_Init();
/* 編碼器定時器初始化并配置輸入捕獲功能 */
ENCODER_TIMx_Init();
/* 啟動編碼器接口 */
HAL_TIM_Encoder_Start(&htimx_Encoder, TIM_CHANNEL_ALL);
HAL_Delay(10);
/* 步進電機定時器初始化*/
STEPMOTOR_TIMx_Init();
/* 首先禁止步進電機動作*/
STEPMOTOR_OUTPUT_DISABLE();
/* 啟動定時器 */
HAL_TIM_Base_Start(&htimx_STEPMOTOR);
/* 啟動比較輸出并使能中斷 */
HAL_TIM_OC_Start_IT(&htimx_STEPMOTOR,TIM_CHANNEL_1);
/* 目標值單位為:mm/s,這里需要轉換為頻率
f = v*PPM;
PPM是每mm的編碼器脈沖數,得到的F就是每秒的脈沖數 (Pulse/s,也就是頻率:Hz)
Vel_Target = f/(1000/20);得到每個采樣周期(20ms)的脈沖數(Pulse/ms)
*/
Vel_Target = (vPID.SetPoint*P_PERIOD);//每單位采樣周期內的脈沖數(頻率)
/* 無限循環 */
while (1)
{
//采樣和控制周期為20ms
if(Time_Flag & SAMPLING)
{
//獲得編碼器的脈沖值
CaptureNumber = OverflowCount*65535 + __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htimx_Encoder);
//M法測速度
MSF = CaptureNumber - Last_CaptureNumber;
Last_CaptureNumber = CaptureNumber;
MSF = abs(MSF);
//對速度進行累計,得到1s內的脈沖數
SUM_Pulse += MSF;
Exp_Val += IncPIDCalc(MSF,Vel_Target);
Exp_Val = abs(Exp_Val);
/* 經過PID計算得到的結果是編碼器的輸出期望值的增量,
需要轉換為步進電機的控制量(頻率值),這里乘上一個系數6400/2400
*/
STEPMOTOR_Motion_Ctrl(CW,Exp_Val*FEEDBACK_CONST);//乘上一個系數,6400/2400,將PID計算結果轉換為步進電機的頻率(速度)
Time_Flag &= ~SAMPLING;
}
//數據發送周期為1s
if(Time_Flag & TXD)
{
sprintf(aTxBuffer,"捕獲值:%d--速度:%.1f mm/s\n",CaptureNumber,(float)SUM_Pulse*MPP);
sprintf(aTxBuffer+strlen((const char*)aTxBuffer),"1s內編碼器計數值:%d\n",SUM_Pulse);
HAL_UART_Transmit_DMA(&husart_debug, aTxBuffer, strlen((const char*)aTxBuffer));
SUM_Pulse = 0;
Time_Flag &= ~TXD;
}
}
}
/**
* 函數功能: 系統滴答定時器中斷回調函數
* 輸入參數: 無
* 返回值: 無
* 說明: 每發生一次滴答定時器中斷進入該回調函數一次
*/
void HAL_SYSTICK_Callback(void)
{
// 每1ms自動增一
time_count++;
if(time_count%(SAMPLING_PERIOD) == 0) // 20ms
{
Time_Flag |= SAMPLING;
}
if(time_count >= TXDCYCLE) // 1s
{
Time_Flag |= TXD;
time_count = 0;
}
}
/******************* (C) COPYRIGHT 2015-2020 硬石嵌入式開發團隊 *****END OF FILE****/

復制代碼

所有資料51hei提供下載:

YSF1_HAL_MOTOR-018. 步進電機速度環控速.rar (3.23 MB, 下載次數: 304)

ID:1 · 發表于 2018-11-11 01:47

好資料，51黑有你更精彩!!!

ID:307544 · 發表于 2018-11-11 10:14

資料不錯，程序注釋也比較詳細，看起來就不那么累了

ID:521835 · 發表于 2019-4-25 22:36

感謝樓主分享

ID:782879 · 發表于 2020-6-18 10:16

好資料，感謝分享

ID:469171 · 發表于 2020-6-23 12:00

感謝樓主分享

ID:774108 · 發表于 2020-7-3 10:01

有原理圖嗎

ID:856091 · 發表于 2020-12-7 16:05

有集成加減速的嗎，加上加減速的PID閉環怎么做

ID:793041 · 發表于 2020-12-7 16:20

好用。。。。。。

ID:620239 · 發表于 2021-1-20 13:43

這編碼器和步進電機是怎樣連的？

ID:879809 · 發表于 2021-1-22 20:22

嘉哥呀發表于 2021-1-20 13:43
這編碼器和步進電機是怎樣連的？

安裝到同一根主軸即可。但是樓主思路有問題，步進電機用于廉價低生產率場合，配編碼器太貴而且無法明顯提高性能，唯一優點是丟步會馬上發現。真的不差錢的高效率生產場合，是要用伺服電機+編碼器的。

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STM32步進電機PID速度環控速源碼