【正文】 在設(shè)計(jì)過程中都有所涉及，在我看來，庫函數(shù)中幾乎涵蓋了 STM32 所有的應(yīng)用，是很適合初學(xué)者上手 STM32 的，你不需要對底層的運(yùn)作模式了解太多，因?yàn)楣俜浇o定的庫函數(shù)基本涵蓋了STM32 所有的功能，初學(xué)者需要做的僅僅只是學(xué)會(huì)如何調(diào)用和搭配。但寄存器操作則比較簡潔，但 易學(xué)難懂，要想直接使用寄存器編程就需要對 STM32 有相當(dāng)?shù)牧私猓駝t你就經(jīng)常會(huì)出一些莫名其妙的錯(cuò)誤。基于上述原因，我雖然是用庫函數(shù)編寫的程序，但在分析程序時(shí)，我將直接從寄存器層面說明。 30 30 系 統(tǒng) 時(shí) 鐘定 時(shí) 器 ， 串 口初 始 化T I M 4 計(jì) 數(shù) 模 式定 時(shí) 1 秒T I M 3 編 碼 器 模 式記 輸 入 脈 沖 數(shù)串 口 是 否輸 入 速 度Y字 符 轉(zhuǎn) 化 函 數(shù)得 到 輸 入 速 度溢 出 中 斷中 斷 服 務(wù) 函 數(shù)中 斷 服 務(wù) 函 數(shù)溢 出 中 斷清 除 中 斷 標(biāo)志 位清 除 中 斷 標(biāo)志 位N占 空 比 值 賦 給T I M C C R 2控 制 算 法T I M 2 P W M 模 式串 口 顯 示 轉(zhuǎn) 速 ，方 向 等 信 息W h i l e （ 1 ）循 環(huán) 圖 37 主程序流程簡圖 生成子程序 定 時(shí) 器 T I M 2初 始 化對 T I M 2 C C R 2賦 值循環(huán)P A 1 輸 出P W M控 制 算 法 圖 38 PWM 程序流程圖 由于 STM32 的高級或是通用定時(shí)器均有 PWM 模式，能直接生成 PWM，我們只需要對相關(guān)的寄存器進(jìn)行操作即可得到想要的 PWM。還有一點(diǎn)需要注意， STM32 的功耗是很低的，之所以低功耗是因?yàn)樵谝话銧顟B(tài)下， STM32 的外設(shè)是關(guān)閉的，所以在編程時(shí)，不管是 I/O 口還是其他部 31 31 分，都必須首先進(jìn)行時(shí)鐘使能。 定時(shí)器 TIM2 生成 PWM 的初始化函數(shù) PWM_Init(u16 arr,u16 psc)，其中參數(shù) psc 的作用是使得計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率 hz72,),1/( ___ MfP S Cff P S CCKP S CCKC N TCK 本次設(shè)計(jì)中為為分頻器時(shí)鐘輸入?? 參數(shù) arr 的作用是獲得 PWM 的頻率 )1/(_ ?? arrff C NTCKpw m [17] 初始化后，決定 PWM 占空比的寄存器則是 16 位的捕獲 /比較寄存器 22 CCRTIM ?? ， 可對其直接賦值，得到的占空比為 )1/(22 ???? a rrC C RT IM? 。 串口模塊 — 速度給定與速度顯示 串 口 初 始 化是 否 有 輸 入字 符 轉(zhuǎn) 化YN得 到 給 定 速 度P r i n t f 函 數(shù)顯 示 速 度 等信 息其 他 處 理循 環(huán) 圖 39 速度給定流程圖 本次設(shè)計(jì)采用的是串口通信，可以通過串口助手來輸入速度與顯示速度，在串口初始化后，在通過判斷寄存器 USART1SR 第 5 位是否為 1，可知數(shù)據(jù)是否就緒，若為 1，將通過串口輸入的字符會(huì)儲(chǔ)存在我們定義的向量 code1[] ，字符的長度則用 len 讀取，再調(diào)用函數(shù)code1_dutycycle(u16 dutycycle,u16 code1[],u8 len)，將 code[t]中 ASCII 碼的數(shù)字字符轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)字，記為輸入轉(zhuǎn)速。 至于速度顯示則相對簡單，直接調(diào)用 Printf(),就可在串口顯示當(dāng) 前的速度，但要注意的是，Printf（）在輸出時(shí)需要占用大量的時(shí)間，需要在后面加上 delay_ms()延時(shí)函數(shù)，一個(gè) Printf（）需要 100ms 才能保證顯示的準(zhǔn)確性，若用 LCD 則無此顧忌，這是一個(gè)需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方。 32 32 速度測定與方向判斷子程序 定 時(shí) 器 T I M 3 ，T I M 4 初 始 化T I M 4 定 時(shí) 1 秒T I M 3 編 碼 器 模 式開 始 計(jì) 脈 沖 數(shù)中 斷 服 務(wù) 函 數(shù)計(jì) 算 正 反 轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn) 速中 斷 服 務(wù) 函 數(shù)設(shè) 置 正 反 轉(zhuǎn) 標(biāo) 志 位正 反 轉(zhuǎn) 圈 數(shù) 增 減計(jì) 數(shù) 脈 沖 數(shù)正 反 轉(zhuǎn) 標(biāo) 志 位正 反 轉(zhuǎn) 圈 數(shù)溢 出 中 斷溢 出 中 斷清 除 中 斷標(biāo) 志 位清 除 中 斷標(biāo) 志 位 圖 310 速度測定與方向判斷子流程圖 首先是編碼器模式初始化函數(shù) SetTIM3EncoderMode，不作預(yù)分頻，即寄存器 TIM3PSC=0，將寄存器 TIM3ARR 設(shè)置為光電編碼器每圈 脈沖數(shù)，由于是 AB 相同時(shí)輸入的 4X 模式，故每圈脈沖數(shù)為 64， TIM3ARR=641=63。這樣設(shè)定后，編碼器每轉(zhuǎn)一圈， TIM3 都將產(chǎn)生一次中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中，設(shè)置根據(jù)寄存器 TIM3CR1 方向位第 4 位 DIR，來設(shè)置電機(jī)正反向標(biāo)志位flag，分別對正反向圈數(shù)計(jì)數(shù)的變量增減。 定 時(shí) 器 TIM4 設(shè) 置 為 向 上 計(jì) 數(shù) 模 式 ， 通 過 設(shè) 置 TIM4PSC=7199, 則 計(jì) 數(shù) 頻 率K h zM h zP S Cff P S CCKC N TCK 10)17199/(72)1/(__ ????? 再設(shè)置 TIM4ARR=10000，可知 TIM4 計(jì)數(shù)到 10000 則溢出，即每 1s 產(chǎn)生一次中斷，在 TIM4的中斷服務(wù)函數(shù)中，根據(jù)電機(jī)正反轉(zhuǎn)標(biāo)志位，由公式（ ）求得轉(zhuǎn)速。 PID 算法模塊 本次設(shè)計(jì)僅有轉(zhuǎn)速反饋，是單閉環(huán)控制，程序中加入了位置式式 PID 算法。 ? ? ? ?)2()1()2()()()1()2()1(2)()()1()()1()()1()(?????????????????????????keKkeKKkeKKKkukekekeKkeKkekeKkukukukuDDpDIpDIp 而對應(yīng)的 PIDcontrol 函數(shù)中的算法是 210 cebeaec lep a s td u ty c yd u ty c y c le ???? DIP KKKa ??? , DP KKb 2?? , DKc? 這次設(shè)計(jì)的 PID 算法，輸入是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，輸出卻是占空比值，那么如能找到占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的函數(shù)關(guān)系，將能極大地方便我們整定 PID 的參數(shù)，所以我在 PID 算法中，預(yù)先根據(jù)實(shí)測值 33 33 擬合出來的占空比與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系，將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為了占空比，然后進(jìn)行 PID 運(yùn)算從而直接得到占空比，但這種方法有很大的局限性。 我還整定了另一種，輸入為速度，輸出為 PWM 值，即 TIM2CCR2 的值。 計(jì) 算 e0計(jì) 算 pwmval更 新 e1,e2pastpwmval返 回 主 函 數(shù)調(diào) 用 PID 算 法 函 數(shù) 圖 311PID 算法流程圖 34 34 第四章 ：實(shí)踐檢驗(yàn)篇 實(shí)物連接圖 圖 41 電機(jī)控制實(shí)物圖 用 MATLAB 曲線擬合方法確定占空比與空載電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系 編寫一個(gè)串口直接輸入占空比的函數(shù)，檢測不同占空比下的轉(zhuǎn)速值，得到表 數(shù)據(jù)，在MATLAB 繪得圖 41 表 不同占空比下測得的電機(jī)轉(zhuǎn)速 占 空 比（ %） 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 轉(zhuǎn)速（ R/MIN） 860 1330 2040 3045 4164 5250 6480 7570 8840 9630 35 35 圖 42 表 數(shù)據(jù)在 MATLAB 繪制的 XY 坐標(biāo)圖 用 MATLAB 的 CFTOOL 工具箱進(jìn)行擬合 [18]分別采用線性擬合與多項(xiàng)式擬合 圖 43 線性擬合曲線 36 36 Linear model Poly1: f(x) = p1*x + p2 Coefficients (with 95% confidence bounds): p1 = (, ) p2 = (, ) Goodness of fit: SSE: Rsquare: Adjusted Rsquare: RMSE: 其中： SSE： 誤差平方和 ； RSquare： 復(fù)相關(guān)系數(shù)或復(fù)測定系數(shù) ； Adjusted RSquare： 調(diào)整自由度復(fù)相關(guān)系數(shù) ； Root mearn squared error(RMSE)： 均方根誤差 圖 44 多項(xiàng)式擬合曲線 Linear model Poly3: f(x) = p1*x^3 + p2*x^2 + p3*x + p4 Coefficients (with 95% confidence bounds): p1 = (, ) p2 = (, ) p3 = (, ) 37 37 p4 = (, ) Goodness of fit: SSE: Rsquare: Adjusted Rsquare: RMSE: 對比兩次擬合的擬合度可知，三次多項(xiàng)式的擬合曲線更加逼近于真實(shí)的數(shù)據(jù)，但顯然，對于本次設(shè)計(jì)，只需要用線性擬合的函數(shù)就可以得到較好的擬合度，所以占空比與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系設(shè)定為 為電機(jī)轉(zhuǎn)速占空比 XXY , 0 4 7 9 ?? （ ） 簡單閉環(huán)控制試驗(yàn) 利用之前得到的占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，設(shè)計(jì)不含 PID 算法的簡單閉環(huán)控制，進(jìn)行試驗(yàn)。 簡單閉環(huán)控制的設(shè)計(jì)思想：利用串口直接輸入轉(zhuǎn)速，利用公式（ ），將其轉(zhuǎn)化為占 空比值，將該占空比值轉(zhuǎn)換為 PWM 信號傳給電機(jī)，不斷檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速，若電機(jī)轉(zhuǎn)速低于給定速度，則占空比加 1，若電機(jī)轉(zhuǎn)速大于給定速度，則占空比減 1。 第一步：通過串口給定電機(jī)轉(zhuǎn)速 3000，串口立刻給出由擬合函數(shù)計(jì)算出來的占空比 68，接著進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)節(jié)。 圖 45 輸入轉(zhuǎn)速時(shí)串口助手的顯示圖 38 38 第二步： 10s 后，電機(jī)基本穩(wěn)定下來，這時(shí)的轉(zhuǎn)速如下圖 圖 46 穩(wěn)定時(shí)串口助手的顯示圖 不難計(jì)算出控制的穩(wěn)態(tài)誤差為 %3000 30002709)( ????ce，誤差較大。 當(dāng)然若想 進(jìn)一步得到更高精度的控制，可以從兩個(gè)方面著手： ，提高程序的運(yùn)行速度； 2 定時(shí)器 TIM4 測轉(zhuǎn)速的時(shí)間可以進(jìn)一步減少，比如說 測一次轉(zhuǎn)速，這樣一來速度的實(shí)時(shí)性就能進(jìn)一步提高； 3 還可以修改每次占空比增減的步長，比如說占空比每次增減 1，變?yōu)槊看卧鰷p ，是的控制更精確，但是這樣一來意味著每次達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間會(huì)增加。 第一次 PID 算法試驗(yàn) 借用公式（ ），將每次得到的速度信號轉(zhuǎn)換為占空比信號，再進(jìn)行 PID 控制，這樣可大大降低 PID 參數(shù)整定的難度。 這次 PID 參數(shù)整定用的是試湊法，因?yàn)榭刂?電機(jī)不允許出現(xiàn)震蕩的，前面理論部分的臨界比例度法就不能用了，直接采用湊試法。 在進(jìn)行過一番 PID 參數(shù)試驗(yàn)后，在進(jìn)行多組試驗(yàn)后，我發(fā)現(xiàn) PI 控制就可以對電機(jī)進(jìn)行很好地控制，加入微分環(huán)節(jié) KD 反而容易引起震蕩，在 KP=， KD=0 的前提下，對不同值的 KI，設(shè)定同樣的期望轉(zhuǎn)速 3000R/min 時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線見圖 46。 39 39 圖 47 不同 KI 值對應(yīng)的速度曲線 由上圖分析可得，較理想的 PID 參數(shù)是 KP=， KI=，因?yàn)樗粌H超調(diào)量小，調(diào)整時(shí)間小，穩(wěn)態(tài)誤差也小。 但是當(dāng)預(yù)期轉(zhuǎn)速設(shè)置為 3500R/min 是，在 3000R/min 下較理想的 PID 參數(shù) KP=， KI=，KD=0 的系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)量過大，系統(tǒng)近乎不穩(wěn)定，在又一番調(diào)試后我發(fā)現(xiàn) KP=， KI=， KD=0能滿足要求，不過超調(diào)量也很大大，約為 40%，但系統(tǒng)能穩(wěn)定下來，這說明，對同一個(gè)控制對象電機(jī)，不同的期望轉(zhuǎn)速所需要的 PID 參數(shù)也是不同的，這要求 PID 控制器使用更為先進(jìn)的算法，比如說模糊控制和自適應(yīng)整定等等 [19]。 第二次 PID 算法試驗(yàn) 前面雖然借助了占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系導(dǎo)致 PID 參數(shù)整定難度大大降低，但當(dāng)電機(jī)受載或者說受載變化時(shí) ，這一絕對的公式就失去了意義，甚至反過來影響控制的精度，因而，要想電機(jī)的控制具有通用性，就不能用到這樣的公式。但這公式的價(jià)值不容否認(rèn)，在其適用條件下， PID 參數(shù)轉(zhuǎn)速 n 時(shí)間 T 40 40 整定是很方便的。在不借助這個(gè)公式的情況下時(shí)，我進(jìn)行了多番試湊，得到了一組較好的 PID 參數(shù) KP=， KI=， KD=0，同樣設(shè)定轉(zhuǎn)速為 3000R/min,，得到電機(jī)速度曲線圖 48。 圖 48 KP=， KI= 的速度曲線 對電機(jī)進(jìn)行分步調(diào)速，設(shè)定轉(zhuǎn)速從 2021， 2500， 3000， 3500。速度曲