永磁型步进电机PID算法

Question

我有一套装置，由STM32F103C8T6单片机最小系统板控制，该装置由PM型永磁型步进电机驱动,步进电机通过齿轮组驱动丝杆正反转进而实现丝杆上升降平台的位置移动，丝杆上有一个编码盘，配合光电传感器检测位置。步进电机步距角为18度。
我想在该传动系统中加入PID算法，问有什么算法加入该系统合适并且有意义。

Answer 1

引自免费微信小程序：皆我百晓生

在你的装置中，为了实现丝杆平台的精确位置控制，使用PID（比例-积分-微分）控制器是一个常见的选择，因为它能有效地处理线性或非线性的系统，并且对系统动态响应有良好的适应性。以下是PID算法的基本原理以及如何在STM32F103C8T6单片机上实现：

1. 理解PID算法：

   • **比例(P)：**直接根据当前误差来调整输出，快速响应。
   • **积分(I)：**累计过去的误差，消除系统偏差。
   • **微分(D)：**预测未来误差，减少振荡。

2. 硬件准备：

   • STM32F103C8T6需要配置定时器作为PID算法的计数器。
   • 你需要ADC模块来采集编码器的信号（可能需要外部中断来同步采样）。
   • 保留一部分RAM用于PID算法的计算。

3. 软件实现：

   • 初始化：

     // 初始化定时器、ADC、中断等
     void init_pid(void) {
       // 定时器配置
       TIM_TimeBaseInitTypeDef.TIM_Prescaler = ...;
       TIM_TimeBaseInitTypeDef.TIM_Period = ...;
       TIM_TimeBaseInit(&TIMx, &TIM_TimeBaseInitStruct);
       // ADC配置
       ADC_Init(&ADC1, ...);
       // 中断配置
       EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
       EXTI_InitStructure.EXTI_Line = ...; // 编码器中断线
       EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
       EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
       EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
       EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
     }
     

   • PID函数：

     float pid(float error, float integral, float derivative, float p_gain, float i_gain, float d_gain, float sample_time) {
       float output = p_gain * error + i_gain * integral + d_gain * derivative;
       integral += error * sample_time;
       derivative = (error - prev_error) / sample_time;
       prev_error = error;
       return output;
     }
     

   • 主循环：

     void main(void) {
       // ...
       while (1) {
         // 读取编码器位置
         uint16_t encoder_position = ADC_GetConversionValue(&ADC1);
         float error = target_position - encoder_position;
     
         // 更新PID
         float output = pid(error, integral, derivative, p_gain, i_gain, d_gain, sample_time);
     
         // 应用输出到步进电机控制
         control_motor(output);
     
         // 更新时间间隔
         TIMx_Update();
       }
     }
     

4. 参数调整：

   • 需要通过实验和测试来调整P、I、D参数，通常使用Ziegler-Nichols方法或自适应PID算法。

5. 防止积分饱和：

   • 如果积分项增长过快，可能导致溢出，需设置积分限幅。

6. 抗干扰优化：

   • 考虑到编码器的噪声和抖动，可能需要滤波或者使用更高级的PID算法（如自适应PID、滑模PID等）。

7. 实时性和效率：

   • 确保你的代码执行效率足够高，避免CPU被其他任务抢占导致PID控制不准确。

记得根据你的硬件配置和实际需求进行相应的修改。在实际应用中，可能还需要添加一些错误处理和状态判断逻辑。如果你需要进一步的帮助，例如调试代码或者优化算法，随时告诉我。