速度PID参数整定困难？来尝试位置PID实现的速度控制！

王*** · 发表于 2024-5-28 21:09:30

本算法结构适用情况：带有位置编码器的电机对象、想要实现更快速度响应的控制、实现0速度状态的完全锁定。

最近看到有智能车的车友调速度环感觉不好调，特来分享一下经验。
先讲一下我这个通过位置环实现的速度控制优点——没有速度观测误差，速度调整性能等同于位置环调整性能。

首先说一下为什么会感觉速度环难以调节。因为速度环在测量速度的时候，会引入一个观测误差。无论是使用M法测速（计算一段时间内的脉冲数量），还是T法测速（计算两个脉冲之间的时间差）。都会出现周期短速度数据波动大，周期长速度数据引入延迟变得难以使用PID控制。
尽管可以使用M/T法进行混合测量，但是对M/T的权重和切换又显得较为麻烦。

但是位置环就显得好实现的多，因为位置是绝对记忆的。只需要对所有的脉冲数量进行积分，也只用关心距离目标位置还有多少个脉冲。并不需要考虑时间差的问题。既然位置环性能这么好，那么当然也可以用位置环实现速度控制。
事实上，常见的伺服控制器（脉冲控制型）就是这种原理，每次发送一个脉冲就转动一点点距离，通过控制脉冲发送频率的变化实现速度的控制。
那么，如果要实现这样一个特殊的速度环，我们应该如何使用代码实现呢？
下面以我的STC-FOC Lite中代码举例，其他类型的电机和编码器实现的方式也是大同小异

void SPI_DMA_Isr(void) interrupt DMA_SPI_VECTOR
{
    CSN = 1;                       // 拉高使能，结束读取
    if ((DMA_SPI_STA & 0x04) == 0) // 正常进入
    {
        _angle_this_dat = (((Encoder_Data[0] << 8) | (Encoder_Data[1] & 0xfc)) >> 2);//获取单圈绝对位置数据
        //增量编码器可以统计两次中断之间的脉冲个数
        _angle_dangle = (_angle_this_dat - _angle_last_dat);//计算角度差值
        //绝对值编码器的过零点处理，增量编码器不需要
        if (_angle_dangle < -(Encode_bit_Max / 2))
        {
            _postion_add_dat++;//圈数自增
            _angle_dangle += Encode_bit_Max; // 过零处理
        }
        if (_angle_dangle > (Encode_bit_Max / 2))
        {
            _postion_add_dat--;//圈数自减
            _angle_dangle -= Encode_bit_Max;
        }
        //postion_add为目标位置累加变量，判断超过1（编码器最小分辨率）后，将整数部分添加进入电机的设定位置
        if (fabs(postion_add) > 1 && Mode == Speed_Mode && Run_Flag)
        {
            moto.set_postion += (long)postion_add;
            postion_add -= (long)postion_add; // 自减整数部分，因为这部分已经添加进入设置位置了
        }
        // 圈数累计，可以累计正负2^31圈
        _angle_last_dat = _angle_this_dat;
    }
    DMA_SPI_STA = 0; // 清除中断标志位
}
复制代码

这部分是有关于中断的处理，其中过零处理是绝对值编码器才需要进行的操作，增量式编码器不需要。这部分主要的功能就是获取增加的角度，并且积分进入绝对位置。
并且将速度转换成的设定位置添加进入设定位置，这里因为编码器最小分辨率为1。但是累加的最小分辨率可能会很小，所以做了一个分辨率转换功能。只有超过1的部分才会添加进入设定位置。
否则就等待继续累加超过1。

// 根据速度调整位置设定@30us
float postion_add = 0;           // 小于分辨率编码器时的累加器
long last_postion_add = 0; // 上次增量记忆
void Timer0_Isr(void) interrupt TMR0_VECTOR
{
        if (Mode == Speed_Mode && Run_Flag && moto.set_speed != 0 && I_Error_Cnt < I_Error_Dat)
        {
                postion_add += (float)moto.set_speed * 30.0 * (1.6384 / 6000.0); // us
        }
}
复制代码

这里就是一个普通的定时器，通过读取设定速度乘以指定的时间系数变换成位置信息。
剩下就是通过设定的位置信息moto.set_postion实现一个速度环，即可实现基于位置环的速度控制。
此时的速度控制将完全没有观测误差（因为位置采用积分，所以设定的位置信息一定会到达）
此时就算位置环调的参数不够理想，没能到达指定速度，也会在设定速度变成0后继续旋转到指定位置才停下（当然这种情况是不对的，说明位置环参数还需要调整的更加灵敏一些）

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