基于STM32的简易增量式离散PI控制器
PID作为最简单但是也是最常用的控制器之一，具有性能优异、实现简单等优点，本文介绍了如何在STM32上使用编码器直流电机实现PI闭环的转速控制器。
由于单片机本身就是属于离散控制的范畴，因此这个控制器必然也是离散控制器。使用PI控制器，可以增强系统的响应速度，适合于电机驱动这种对响应速度要求很高的环节。
要实现闭环控制，就必须得到电机当前的转速，因此需要选用带编码器的直流电机。对于直流电机的驱动，由于方案众多，这里不再赘述。这种电机具有安装在电机主轴上的电磁编码器。电磁编码器的原理类似于光电编码器，区别仅在于实现的方法不同，因此原理介绍部分就以光电编码器为例。
正交编码器，顾名思义，输出的信号一定是“正交”的。这个正交，体现在输出的两路A与B信号，它们的频率均正比于电机的转速，只不过两路信号的波形总是差半个周期，并且通过这两路信号的先后，可以判断出当前电机转动的方向。正交编码器输出的波形一般都是如下图所示的两路方波信号。
由于编码器输出的信号频率与电机转速成正比，因此通过对这个信号计数即可得到电机轴转动的角度，若是以固定的时间进行采样，就可以得到单位时间内电机转动的角度，也就是电机的转速。当然，由于电机转速越高，这个信号的频率就越高，同时两路正交信号的时间先后也是判断电机转速的重要条件，因此使用软件对这两路信号进行采集不但精度不高，也容易出现占用处理器时间过大的问题；编码器输出频率较高时，使用中断也会导致大量处理器时间被用来响应中断。这时，STM32定时器的编码器模式就派上用场了。
STM32的高级定时器与通用定时器都具有正交编码器输入模式。这个模式使用定时器的1与2通道，两个通道分别接到编码器的A与B相，再对定时器的参数进行少许配置，即可让定时器自动处理正交编码器的输出。定时器在正交编码器输入模式下，CNT寄存器即作为计数值，当电机正转时，每一个脉冲都会让CNT自增；电机反转时，每一个脉冲都会让CNT自减。这样，只要用足够短的时间周期性读取CNT定时器，就可以获取到电机的脉冲转速。我购买的电机，主轴每旋转一圈，编码器产生1040个脉冲，也即是每个脉冲代表电机主轴转过0.35°，精度非常高。将STM32的定时器初始化为编码器的代码如下所示。
void Encoder_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);//开启GPIOB时钟
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);//开启TIM4时钟
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//编码器自带上拉电阻 浮空输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;//PB6.PB7
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
TIM_DeInit(TIM4);
TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFF;//ARR为最大值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;//时钟不分频
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;//向上计数模式
TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);
TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4,TIM_EncoderMode_TI12,TIM_ICPolarity_Falling,TIM_ICPolarity_Falling);//初始化定时器为编码器模式
TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);//获取默认输入捕获结构体成员变量
TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 6;//修改输入滤波器为6
TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStructure);//初始化输入捕获模块
TIM_Cmd(TIM4,ENABLE);//使能定时器4
}
除此之外，还需要使能一个定时器，来产生PWM波，控制直流电机的转速。接下来就是产生一个周期性的定时器中断，这个周期即为离散控制的采样周期。程序中的设置值为5ms。定时器中断的代码如下。
void TIM3_IRQHandler(void)
{
static int16_t error,motorPWM,error_last=0;
if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update) != RESET)
{
encoder = TIM4->CNT;//读取编码器值
TIM4->CNT = 0;//编码器值归零
error = encoder - targetSpeed;//计算偏差
motorPWM += Ki*(error-error_last) + Kp*error;//增量式PI控制器
error_last = error;//保存上一次偏差
Motor_Set(motorPWM);//输出电机值
TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update);
}
}
PI控制的代码均在这段定时器中断的函数中。首先，通过全局变量给定当前的目标值，目标值为采样周期内预计的编码器脉冲数。然后在函数中，首先读取编码器的值，也就是定时器4的CNT寄存器并将其清0，这样encoder变量即正比于上个5ms内电机主轴转过的角度。接下来，程序计算当前值与目标值的偏差，存储到error变量中，然后执行PI命令，将本次与上次的误差做差乘以Ki，并将本次的误差乘以Kp，最后保存本次的误差供下次使用并输出电机PWM驱动变量。