1. 软件设计
这里只讲解核心的部分代码，有些变量的设置，头文件的包含等并没有涉及到。
1.1. 编程要点
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配置定时器可以输出PWM控制电机
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配置定时器可以读取编码器的计数值
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配置基本定时器可以产生定时中断来执行PID运算
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编写位置式PID算法
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编写速度控制函数
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增加上位机曲线观察相关代码
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编写按键控制代码
2. 软件分析
这里主要分析PID算法的控制实现部分。
#define BASIC_TIM TIM6
#define BASIC_TIM_CLK_ENABLE() __TIM6_CLK_ENABLE()
#define BASIC_TIM_IRQn TIM6_DAC_IRQn
#define BASIC_TIM_IRQHandler TIM6_DAC_IRQHandler
/* 累计 TIM_Period个后产生一个更新或者中断*/
//当定时器从0计数到BASIC_PERIOD_COUNT-1，即为BASIC_PERIOD_COUNT次，为一个定时周期
#define BASIC_PERIOD_COUNT (50*50)
//定时器时钟源TIMxCLK = 2 * PCLK1
// PCLK1 = HCLK / 4
// => TIMxCLK=HCLK/2=SystemCoreClock/2=84MHz
#define BASIC_PRESCALER_COUNT (1680)
/* 获取定时器的周期，单位ms */
//#define __HAL_TIM_GET_PRESCALER(__HANDLE__) ((__HANDLE__)->Instance->PSC) // Get TIM Prescaler.
//#define GET_BASIC_TIM_PERIOD(__HANDLE__) (1.0/(HAL_RCC_GetPCLK2Freq()/(__HAL_TIM_GET_PRESCALER(__HANDLE__)+1)/(__HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(__HANDLE__)+1))*1000)
/* 以下两宏仅适用于定时器时钟源TIMxCLK=84MHz，预分频器为：1680-1 的情况 */
#define SET_BASIC_TIM_PERIOD(T) __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&TIM_TimeBaseStructure, (T)*50 - 1) // 设置定时器的周期（1~1000ms）
#define GET_BASIC_TIM_PERIOD() ((__HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(&TIM_TimeBaseStructure)+1)/50.0) // 获取定时器的周期，单位ms
这里封装了定时器的一些相关的宏，使用宏定义非常方便程序升级、移植。使用SET_BASIC_TIM_PERIOD(T)这个宏可以设置定时器的周期， 这样可以通过按键或者上位机来设置这个定时器的中断周期，使用GET_BASIC_TIM_PERIOD()这个宏可以得到定时器的当前周期， 不过使用的两个宏是有要求的，需要定时器时钟源的频率是84MHz，且预分频系数为1680。 如果更换定时器和修改预分频器则需要重新计算这个宏里面的参数.我们来看一下当前宏中周期的计算:84000000/1680/50 = 1000, 84000000为时钟源的频率，1680为预分频系数，50为自动重装载值，1000为定时器产生更新中断的频率， 当定时器以(84000000/1680)Hz的频率计数到50时刚好是1ms，所以只要设置自动重装载值为50的n倍减一时， 就可以得到n毫秒的更新中断，注意n是1到1000的正整数。
static void TIM_Mode_Config(void)
{
// 开启TIMx_CLK,x[6,7]
BASIC_TIM_CLK_ENABLE();
TIM_TimeBaseStructure.Instance = BASIC_TIM;
/* 累计 TIM_Period个后产生一个更新或者中断*/
//当定时器从0计数到BASIC_PERIOD_COUNT-1，即为BASIC_PERIOD_COUNT次，为一个定时周期
TIM_TimeBaseStructure.Init.Period = BASIC_PERIOD_COUNT - 1;
//定时器时钟源TIMxCLK = 2 * PCLK1
// PCLK1 = HCLK / 4
// => TIMxCLK=HCLK/2=SystemCoreClock/2=84MHz
// 设定定时器频率为=TIMxCLK/BASIC_PRESCALER_COUNT
TIM_TimeBaseStructure.Init.Prescaler = BASIC_PRESCALER_COUNT - 1;
TIM_TimeBaseStructure.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; // 向上计数
TIM_TimeBaseStructure.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; // 时钟分频
// 初始化定时器TIMx, x[2,3,4,5]
HAL_TIM_Base_Init(&TIM_TimeBaseStructure);
// 开启定时器更新中断
HAL_TIM_Base_Start_IT(&TIM_TimeBaseStructure);
}首先定义两个定时器初始化结构体，定时器模式配置函数主要就是对这两个结构体的成员进行初始化， 然后通过调用的初始化函数HAL_TIM_Base_Init()把这些参数写入定时器的寄存器中。 有关结构体的成员介绍请参考定时器详解章节。 最后通过调用函数HAL_TIM_Base_Start_IT()使能定时器的更新中断。
void TIMx_Configuration(void)
{
TIMx_NVIC_Configuration();
TIM_Mode_Config();
#if defined(PID_ASSISTANT_EN)
uint32_t temp = GET_BASIC_TIM_PERIOD(); // 计算周期，单位ms
set_computer_value(SEED_PERIOD_CMD, CURVES_CH1, &temp, 1); // 给通道 1 发送目标值
#endif
}该函数主要配置了定时器的中断设置和定时器模式配置，最后调用set_computer_value()函数设置了上位机的周期值， 这里只是同步一下上位机显示的周期值。PID_ASSISTANT_EN是用于选择是否使用上位机的宏， 当我们在调试阶段时可以定义这个宏，方便使用上位机（野火调试助手-PID调试助手）来观察电机的运行效果， 在完成调试后我们可以直接不定义这个宏，这样就去掉了上位机相关部分。
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if(htim==(&TIM_EncoderHandle))
{
/* 判断当前计数器计数方向 */
if(__HAL_TIM_IS_TIM_COUNTING_DOWN(&TIM_EncoderHandle))
/* 下溢 */
Encoder_Overflow_Count--;
else
/* 上溢 */
Encoder_Overflow_Count++;
}
else if(htim==(&TIM_TimeBaseStructure))
{
motor_pid_control();
}
}其中当htim=(&TIM_EncoderHandle)时是编码器定时器计数器溢出，当htim=(&TIM_TimeBaseStructure)时是基本定时器， 在这里调用motor_pid_control()进行PID的周期性的控制。
void PID_param_init()
{
/* 初始化参数 */
pid.target_val=100.0;
pid.actual_val=0.0;
pid.err=0.0;
pid.err_last=0.0;
pid.integral=0.0;
pid.Kp = 13;
pid.Ki = 3.5;
pid.Kd = 0.04;
#if defined(PID_ASSISTANT_EN)
float pid_temp[3] = {pid.Kp, pid.Ki, pid.Kd};
set_computer_value(SEED_P_I_D_CMD, CURVES_CH1, pid_temp, 3); // 给通道 1 发送 P I D 值
#endif
}PID_param_init()函数把结构体pid参数初始化，将目标值pid.target_val设置为100.0，将实际值、偏差值和积分项等初始化为0， 其中pid.Kp、pid.Ki和pid.Kd是实验电机运行效果相对比较好的参数，不同的电机该参数是不同的。 set_computer_value()函数用来同步上位机显示的PID值。
float PID_realize(float actual_val)
{
/*计算目标值与实际值的误差*/
pid.err=pid.target_val-actual_val;
/*误差累积*/
pid.integral+=pid.err;
/*PID算法实现*/
pid.actual_val=pid.Kp*pid.err+pid.Ki*pid.integral+pid.Kd*(pid.err-pid.err_last);
/*误差传递*/
pid.err_last=pid.err;
/*返回当前实际值*/
return pid.actual_val;
}这个函数主要实现了位置式PID算法，用传入的目标值减去实际值得到误差值得到比例项，在对误差值进行累加得到积分项， 用本次误差减去上次的误差得到微分项，然后通过位置式PID公式实现PID算法，并返回实际控制值。
void motor_pid_control(void)
{
if (is_motor_en == 1) // 电机在使能状态下才进行控制处理
{
float cont_val = 0; // 当前控制值
static __IO int32_t Capture_Count = 0; // 当前时刻总计数值
static __IO int32_t Last_Count = 0; // 上一时刻总计数值
int32_t actual_speed = 0; // 实际测得速度
/* 当前时刻总计数值 = 计数器值 + 计数溢出次数 * ENCODER_TIM_PERIOD */
Capture_Count =__HAL_TIM_GET_COUNTER(&TIM_EncoderHandle) + (Encoder_Overflow_Count * ENCODER_TIM_PERIOD);
/* 转轴转速 = 单位时间内的计数值 / 编码器总分辨率 * 时间系数 */
actual_speed = ((float)(Capture_Count - Last_Count) / ENCODER_TOTAL_RESOLUTION / REDUCTION_RATIO) / (GET_BASIC_TIM_PERIOD()/1000.0/60.0);
/* 记录当前总计数值，供下一时刻计算使用 */
Last_Count = Capture_Count;
cont_val = PID_realize(actual_speed); // 进行 PID 计算
if (cont_val > 0) // 判断电机方向
{
set_motor_direction(MOTOR_FWD);
}
else
{
cont_val = -cont_val;
set_motor_direction(MOTOR_REV);
}
cont_val = (cont_val > PWM_PERIOD_COUNT) ? PWM_PERIOD_COUNT : cont_val; // 速度上限处理
set_motor_speed(cont_val); // 设置 PWM 占空比
#if defined(PID_ASSISTANT_EN)
set_computer_value(SEED_FACT_CMD, CURVES_CH1, &actual_speed, 1); // 给通道 1 发送实际值
#else
printf("实际值：%d. 目标值：%.0f\n", actual_speed, get_pid_actual()); // 打印实际值和目标值
#endif
}
}该函数在定时器的中断里定时调用默认是50毫秒调用一次，如果改变了周期那么PID三个参数也需要做相应的调整， PID的控制周期与控制效果是息息相关的。通过Capture_Count和Last_Count这两个变量记录了当前时刻和上一个周期时编码器的计数值， 由(Capture_Count-Last_Count)可以得到在一个周期编码器的计数值， 再由(Capture_Count – Last_Count) / ENCODER_TOTAL_RESOLUTION / REDUCTION_RATIO可以得到在这个周期内电机轴实际旋转的圈数， GET_BASIC_TIM_PERIOD()/1000.0/60.0为周期的对应的时间，单位是分钟。 所以((float)(Capture_Count-Last_Count)/ENCODER_TOTAL_RESOLUTION/REDUCTION_RATIO)/(GET_BASIC_TIM_PERIOD()/1000.0/60.0)就是电机的旋转速度， 单位是转每分钟。把实际速度带入PID_realize(actual_speed)进行运算，通过返回的结果的正负来确定电机的旋转方向， 最后对输出的结果做一个上限处理，最后用于PWM占空比的控制，最后将实际的速度值发送到上位机绘制变化的曲线。
/**
* @brief 接收的数据处理
* @param void
* @return -1：没有找到一个正确的命令.
*/
int8_t receiving_process(void)
{
uint8_t frame_data[128]; // 要能放下最长的帧
uint16_t frame_len = 0; // 帧长度
uint8_t cmd_type = CMD_NONE; // 命令类型
while(1)
{
cmd_type = protocol_frame_parse(frame_data, &frame_len);
switch (cmd_type)
{
case CMD_NONE:
{
return -1;
}
case SET_P_I_D_CMD:
{
uint32_t temp0 = COMPOUND_32BIT(&frame_data[13]);
uint32_t temp1 = COMPOUND_32BIT(&frame_data[17]);
uint32_t temp2 = COMPOUND_32BIT(&frame_data[21]);
float p_temp, i_temp, d_temp;
p_temp = *(float *)&temp0;
i_temp = *(float *)&temp1;
d_temp = *(float *)&temp2;
set_p_i_d(p_temp, i_temp, d_temp); // 设置 P I D
}
break;
case SET_TARGET_CMD:
{
int actual_temp = COMPOUND_32BIT(&frame_data[13]); // 得到数据
set_pid_target(actual_temp); // 设置目标值
}
break;
case START_CMD:
{
set_motor_enable(); // 启动电机
}
break;
case STOP_CMD:
{
set_motor_disable(); // 停止电机
}
break;
case RESET_CMD:
{
HAL_NVIC_SystemReset(); // 复位系统
}
break;
case SET_PERIOD_CMD:
{
uint32_t temp = COMPOUND_32BIT(&frame_data[13]); // 周期数
SET_BASIC_TIM_PERIOD(temp); // 设置定时器周期1~1000ms
}
break;
default:
return -1;
}
}
}这函数用于处理上位机发下的数据，在主函数中循环调用，可以使用上位机调整PID参数，使用上位机可以非常方便的调整PID参数， 这样可以不用每次修改PID参数时都要改代码、编译和下载代码；可以使用上位机设置目标速度；可以启动和停止电机； 可以使用上位机复位系统；可以使用上位机设置定时器的周期；
/**
* @brief 主函数
* @param 无
* @retval 无
*/
int main(void)
{
int32_t target_speed = 100;
/* HAL 库初始化 */
HAL_Init();
/* 初始化系统时钟为168MHz */
SystemClock_Config();
/* 初始化按键 GPIO */
Key_GPIO_Config();
/* 初始化 LED */
LED_GPIO_Config();
/* 协议初始化 */
protocol_init();
/* 初始化串口 */
DEBUG_USART_Config();
/* 电机初始化 */
motor_init();
set_motor_disable(); // 停止电机
/* 编码器接口初始化 */
Encoder_Init();
/* 初始化基本定时器，用于处理定时任务 */
TIMx_Configuration();
/* PID 参数初始化 */
PID_param_init();
#if defined(PID_ASSISTANT_EN)
set_computer_value(SEND_STOP_CMD, CURVES_CH1, NULL, 0); // 同步上位机的启动按钮状态
set_computer_value(SEND_TARGET_CMD, CURVES_CH1, &target_speed, 1); // 给通道 1 发送目标值
#endif
while(1)
{
/* 接收数据处理 */
receiving_process();
/* 扫描KEY1 */
if( Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT, KEY1_PIN) == KEY_ON)
{
#if defined(PID_ASSISTANT_EN)
set_computer_value(SEND_START_CMD, CURVES_CH1, NULL, 0); // 同步上位机的启动按钮状态
#endif
set_pid_target(target_speed); // 设置目标值
set_motor_enable(); // 使能电机
}
/* 扫描KEY2 */
if( Key_Scan(KEY2_GPIO_PORT, KEY2_PIN) == KEY_ON)
{
set_motor_disable(); // 停止电机
#if defined(PID_ASSISTANT_EN)
set_computer_value(SEND_STOP_CMD, CURVES_CH1, NULL, 0); // 同步上位机的启动按钮状态
#endif
}
/* 扫描KEY3 */
if( Key_Scan(KEY3_GPIO_PORT, KEY3_PIN) == KEY_ON)
{
/* 增大目标速度 */
target_speed += 50;
if(target_speed > 350)
target_speed = 350;
set_pid_target(target_speed);
#if defined(PID_ASSISTANT_EN)
set_computer_value(SEND_TARGET_CMD, CURVES_CH1, &target_speed, 1); // 给通道 1 发送目标值
#endif
}
/* 扫描KEY4 */
if( Key_Scan(KEY4_GPIO_PORT, KEY4_PIN) == KEY_ON)
{
/* 减小目标速度 */
target_speed -= 50;
if(target_speed < -350)
target_speed = -350;
set_pid_target(target_speed);
#if defined(PID_ASSISTANT_EN)
set_computer_value(SEND_TARGET_CMD, CURVES_CH1, &target_speed, 1); // 给通道 1 发送目标值
#endif
}
}
}