单片机课程设计

• 控制板

  使用以前购买的STM32F407工控板

  CPU频率可达168MHZ，硬件资源丰富

  这里需要使用的硬件资源：

  串口UART1.系统定时器SysTick(RTOS)、通用定时器TIM14(输出PWM)、模数转换器ADC1(检测电流和角度)TIM2、TIM5(M测速)，独立看门狗IWDG

• 电源板

  使用MP1584EN可调电源降压模块为电池降压提供5个控制板V电源(灵活选择)

  输入电池电压7.4V，输出调至5V，最大输出电流3A

• 电机驱动板BD6736

  其核心电路是桥式可逆PWM变换器，使用PWM支持电机正反转的信号驱动

  输入电压支持2-9V，可输出1A电流

• 电机

  碳刷385直流电机

  适合电压5-12V，空载电流100ma

  7.4V电压堵转电流约800ma

  带AB相编码盘可以测量速度

• PID控制

  PID是基于反馈控制的常用算法，适用于大部分控制场合

  P比例：比例项可以成比例地反映控制系统的偏差信号，一旦产生偏差就立即产生控制作用以减小偏差。比例系数越大控制作用越强，但易产生超调与振荡，属于有差调节。

  I积分：积分项可以累计误差作为输出，属于无差调节，只有误差为零时才会维持输出不变，一般与P合用构成最常用的控制器，但应注意积分饱和问题。

  D微分：微分项能反映偏差信号的变化趋势，能在偏差信号的值变得太大之前在系统中引入一个早期修正信号，减小系统调节时间，一般作为PI控制器的修正，但因注意高频噪声干扰。

• 串级控制

  在普通反馈控制结构中引入一个内环控制

  可以提高系统抗扰能力、改善动态性能、提高鲁棒性

  内环起到粗调和快速抵抗干扰的作用，可以改善系统的动态性能增大主控制器增益，提高系统频率，一般只使用比例控制。

  外环起到细调的作用，主控制器输出作为内环的给定。

• 电机拖动

  主要涉及直流电机调速

  这里使用永磁式直流电机，使用调压调速

  根据直流电机稳态公式$n=\frac{U-IR}{K_{e}\Phi} 得 出 ， 当 磁 通 得出，当磁通 得出，当磁通\Phi 、 电 阻 、电阻 、电阻R$不变时调节电枢回路电压可以改变转子转速

  在电流过大时引入电流负反馈，可以增加系统稳定性，减少电机堵转带来的大电流

• 同相放大器

  使用同相放大器将电流采样电阻电压进行放大，方便单片机进行读取

  放大倍数为7.8倍

  放大倍数为 1 + R 1 R 2 1+\frac{R_1}{R_2} 1+R2​R1​​倍

• M法测速

  基于电机AB相编码盘，使用定时器计数功能进行边沿计数，进而测得速度

  使用通用定时器TIM2进行计数，通用定时器TIM5发射采样脉冲，可以测得采样周期内电机速度

• 任务系统

  基于FreeRTOS实时操作系统进行任务调度和CPU等资源管理，提高系统实时性和利用率

• GPIO口分配

  GPIOA挂载载AHB1时钟总线上,使用时需要打开AHB1时钟总线

  GPIOX_Pin_X	用途
  GPIOA_Pin_6	LED指示灯
  GPIOA_Pin_9	串口通讯TX
  GPIOA_Pin_10	串口通讯RX
  GPIOA_Pin_0	正交编码A相
  GPIOA_Pin_1	正交编码B相
  GPIOA_Pin_5	电机正反转控制
  GPIOA_Pin_7	电机PWM输出
  GPIOA_Pin_2	AD转换读取角度
  GPIOA_Pin_4	AD转换读取电流

• 定时器分配

  • 系统定时器SysTick

    提供系统节拍给FreeRTOS,在使用FreeRTOS时自动启动

    下图为FreeRTOS中提供的中断函数，用户不需要配置

• 数据结构

  结构体system_msg定义在app.h文件中

  结构体pid_msg定义在pid.h文件中

  数据类型	变量名	用途
  system_msg	sys_msg	电机参数
  system_flag	sys_flag	系统状态信号
  pid_msg	pid_motspeed	电机速度环(内环)
  pid_msg	pid_motang	电机角度环(外环)

  system_msg结构体：

  struct system_msg
  {
  	int16_t mot_pwm;	//给定PWM
  	int16_t mot_speed;//实际速度
  	float mot_ang;	//实际角度
  	u16 mot_Ama;		//实际电流
  	int16_t mot_tag_speed;	//目标速度
  	float mot_tag_ang;	//目标角度
  	u16 dead_A;//堵转电流
  };
  

  pid_msg结构体：

  struct pid_msg {
  	float SetSpeed;	//目标
  	float ActualSpeed;	//实际
  	float output;//输出值
  	
  	float Err; 	//误差值
  	float Err_last;	//上次误差值
  	float Err_llast;//上上次误差
  	float output_last; //上次输出值
  	float Kp, Ki, Kd;	
  };
  

• 宏定义

  宏名称	值	用途
  DEAD_PWM	1000	PWM输出限制
  DEAD_SPEED	80	电机速度限制
  DE_ANG_DOWN	0	角度下限
  DE_ANG_UP	235	角度上限

• 串口通讯协议

  帧头A5，帧尾AA，定义在usart.h中

  功能位	用途	说明
  0x01	接收	上位机给定角度
  0x01	上传	输出PWM值
  0x02	上传	电机电流
  0x03	上传	电机实际速度
  0x04	上传	电机给定速度
  0x05	上传	电机实际角度
  0x06	上传	电机给定角度

1. 初始化与任务构建

• int main(void);

  首先进行板卡初始化，初始化硬件设施

  然后新建AppTaskCreate任务，在此任务中创建其他任务

  最后启动任务调度。

  板卡初始化：

  static void BSP_Init(void)
  {
  	//中断优先级分组为4(4bit都用来表示抢占优先级,范围:0~15),不要再次分组!!
  	NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_4 );
  	led_inint();
  	GPIO_OLED_InitConfig();
  	usartinit();
  	THE_ADC_Init();
  	PWM_Init();  
  	TIMx_Configuration();
  	config_motor();
  	PID_Init();
  	IWDG_Config(IWDG_Prescaler_64 ,625);//看门狗1s
  	printf("This is STM32F4 and FreeRTOS\r\n");
  	//OLED_Clear();
  	//OLED_ShowString(0,0,"This is RTOS");
  }
  

• static void AppTaskCreate(void);

  创建任务

  SpeedPID_Task：速度环任务

  AngPID_Task：角度环任务

  Iwdg_Task：看门狗任务

  Usarttx_Task：串口传输任务

  首先进入临界区，不进行任务调度，防止任务切换

  taskENTER_CRITICAL();      //进入临界区
  

  然后新建四个任务，分配资源和优先级

  最后删除AppTaskCreate任务，退出临界区

  vTaskDelete(AppTaskCreate_Handle); //删除AppTaskCreate任务
  taskEXIT_CRITICAL();            //退出临界区
  

2. 角度环任务

   通过AD转换读取角度，进行PID运算得出给定速度

   static void AngPID_Task(void* parameter)
   {
       TickType_t xLastWakeTime;
   	sys_msg.mot_tag_ang=(int)DE_ANG_UP/2;
   	while (1)
   	{
   		vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime,50);
   		sys_msg.mot_ang=((double) GetAng_ADC()/(double)4096*270)-30;//读取角度
   sys_msg.mot_tag_speed=PID_Cal(&pid_motang,sys_msg.mot_tag_ang,sys_msg.mot_ang,DEAD_SPEED,(-DEAD_SPEED));//PID输出角度
   	}
   }
   
   

3. 速度环任务

   根据电机速度与外环给定值进行PID运算得出输出PWM

     static void SpeedPID_Task(void* parameter)
     {	   
     	TickType_t xLastWakeTime;
     	while (1)
     	{
     		vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime,10);
     		sys_msg.mot_Ama =(double)2000/7.8*((double) GetA_ADC()/(double)4096*3.3); // 读取电流MA
           sys_msg.mot_pwm=PID_Cal(&pid_motspeed,sys_msg.mot_tag_speed,sys_msg.mot_speed,DEAD_PWM,(-DEAD_PWM));//PID速度
           set_pwm(sys_msg.mot_pwm);	//修改占空比
     	}
     }
   

4. 看门狗任务

   进行定时喂狗

   static void Iwdg_Task(void* parameter)
   {	
   	while (1)
   	{
   		vTaskDelay(5000);
   		GPIO_ToggleBits(GPIOA,GPIO_Pin_6);//指示灯
   		IWDG_Feed();
   	}
   }
   

5. 串口数据发送任务

   上传数据给上位机，方便数据可视化

   static void Usarttx_Task(void* parameter)
   {	
   	while (1)
   	{
   		vTaskDelay(80);
   		Usart_Dataframe( 0x01, sys_msg.mot_pwm);
   		Usart_Dataframe( 0x02, sys_msg.mot_A10ma);
   		Usart_Dataframe( 0x03, sys_msg.mot_speed);
   		Usart_Dataframe( 0x04, sys_msg.mot_tag_speed);
   		Usart_Dataframe( 0x05, sys_msg.mot_ang);
   		Usart_Dataframe( 0x06, sys_msg.mot_tag_ang);
   	}
   }
   

这里使用增量式PID算法，包含输出上下限控制

增量PID公式：

Δ u ( k ) = K p [ e ( k ) − e ( k − 1 ) ] + K i e ( k ) + K d [ e ( k ) − 2 e ( k − 1 ) + e ( k − 2 ) ] \Delta u(k)=K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)+K_d[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] Δu(k)=Kp​[e(k)−e(k−1)]+Ki​e(k)+Kd​[e(k)−2e(k−1)+e(k−2)] PID结构体如下：

struct pid_msg {
	float SetSpeed;	//目标
	float ActualSpeed;	//实际
	float output;//输出值
	
	float Err; 	//误差值
	float Err_last;	//上次误差值
	float Err_llast;//上上次误差
	float output_last; //上次输出值
	float Kp, Ki, Kd;	
};

PID参数：

void PID_Init() 
{
	pid_motspeed.Kp = 25;
	pid_motspeed.Ki = 0;
	pid_motspeed.Kd = 0;
	
	pid_motang.Kp = 2;
	pid_motang.Ki = 0.3;
	pid_motang.Kd = 0.04;
}

PID控制函数：

int16_t PID_Cal(struct pid_msg * pid_mot,int16_t tag,int16_t act,int16_t deadup,int16_t deaddown)
{
	pid_mot->ActualSpeed=act;	//实际值
	pid_mot->SetSpeed = tag;	//目标值
	pid_mot->Err = pid_mot->SetSpeed - pid_mot->ActualSpeed;	//本次误差
	pid_mot->output = pid_mot->output_last + \
										pid_mot->Kp*(pid_mot->Err-pid_mot->Err_last) + \
										pid_mot->Ki*pid_mot->Err + \
										pid_mot->Kd*(pid_mot->Err - 2*pid_mot->Err_last + pid_mot->Err_llast);//根据增量型PID控制的公式
	//上下限死区设置
	if(pid_mot->output>deadup)
		pid_mot->output=deadup;
	if(pid_mot->output<deaddown)
		pid_mot->output=deaddown;
	pid_mot->output_last=pid_mot->output;//更新上次输出值
	pid_mot->Err_llast=pid_mot->Err_last;	//更新上上次误差
	pid_mot->Err_last = pid_mot->Err;	//更新上次误差
	return pid_mot->output;//PID的输出
}

1. 编写数据发送函数

   • 单字节发送

     /*发送一个字符*/
     void Usart_SendByte( USART_TypeDef * pUSARTx, uint8_t ch)
     {
     	USART_SendData(pUSARTx,ch);//串口+数据
     	while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == 0);//等待发送数据寄存器为空
     }
     

   • 双字节数据发送

     void Usart_SendHalfWord( USART_TypeDef * pUSARTx, uint16_t ch)
     {
     	uint8_t temp_h, temp_l;
     	/* 取出高八位 */
     	temp_h = (ch&0XFF00)>>8;
     	/* 取出低八位 */
     	temp_l = ch&0XFF;
     	/* 发送高八位 */
     	USART_SendData(pUSARTx,temp_h);	
     	while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == 0);
     	/* 发送低八位 */
     	USART_SendData(pUSARTx,temp_l);	
     	while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == 0);	
     }
     

   • 数据帧发送函数

     void Usart_Dataframe(uint8_t control,uint16_t data)
     { 
                 
     	Usart_SendByte( USART1, FRA_HEAD);
     	Usart_SendByte( USART1, control);
     	Usart_SendHalfWord( USART1, data);
     	Usart_SendByte( USART1, FRA_END);
     }
     

2. 重写printf、scanf函数

   ///重定向c库函数printf到串口，重定向后可使用printf函数
   int fputc(int ch, FILE *f)
   {
   		//发送一个字节数据到串口
   		USART_SendData(USART1, (uint8_t) ch);
   		//等待发送完毕
   		while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);	
   		return (ch);
   }
   

   ///重定向c库函数scanf到串口，重写向后可使用scanf、getchar等函数
   int fgetc(FILE *f)
   { 
             
   		//等待串口输入数据
   		while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET);
   		return (int)USART_ReceiveData(USART1);
   }
   

3. 编写中断处理函数

   中断函数写在stm32f4xx.h文件中

   //串口1中断
   void eat_msg(uint8_t *res,uint8_t max);
   #define Max_BUFF_Len 5
   uint8_t Uart2_Buffer[Max_BUFF_Len];
   uint8_t Uart2_Rx=0;
   void USART1_IRQHandler(void)
   {
   	//taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR();//进入临界
   	//USART_GetITStatus(USART2, USART_IT_IDLE) != RESET//查询是否空中断
       if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)//查询是否接收中断
       {  
           Uart2_Buffer[Uart2_Rx] = USART_ReceiveData(USART1);     //接收串口数据到buff缓冲区
           Uart2_Rx++;
           if(Uart2_Buffer[Uart2_Rx-1] == FRA_END)    //接收到尾标识
           {
               if(Uart2_Buffer[0] == FRA_HEAD)   //检测到头标识
               {
                   //printf("%s",Uart2_Buffer); 
                   eat_msg(Uart2_Buffer,Uart2_Rx);//处理之
                   Uart2_Rx=0;                                   
               } 
               else
               {
                   Uart2_Rx=0;     
               }
           }
           else if(Uart2_Rx == Max_BUFF_Len)//超出最大限额
           {
   			Uart2_Rx=0;
           }
   	}
       //taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR(0);  
   }
   

   其中eat_msg(Uart2_Buffer,Uart2_Rx)函数用来进行功能帧解析

   void eat_msg(uint8_t *res,uint8_t max)
   {
   	if(max>=5)
   	{
   		int16_t data = (*((u16 *)(res+2)));
   		if(res[1]==0x01)//设置目标角度
   		{
   			if(data<DE_ANG_DOWN)	data=DE_ANG_DOWN;
   			if(data>DE_ANG_UP)		data=DE_ANG_UP;
   			sys_flag.own_flag=0;
   			sys_msg.mot_tag_ang=data;
   		}
   	}
   }
   

4. 上位机设置

   • 基本设置

• 收码设置

• 速度控制曲线

• 角度控制曲线

• 改善任务调度周期

  先前代码中任务阻塞延时函数使用的是vTaskDelay(time)，该函数运行时会阻塞当前任务并启动任务调度，待其他任务进入阻塞态且延时达到time个周期时才调用该任务。可认为此函数是阻塞相对时长。

  改善后使用vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime,time)函数，该函数运行时同样会阻塞当前任务并启动任务调度，当time个周期后无论是否有任务在运行都会启动任务调动（依据优先级调度）。可认为此函数是阻塞绝对时长。

  改善任务调度相关代码后，控制器的运行周期稳定性得到提高，控制效果提升。

• 简化任务代码

  先前的任务中使用了OLED屏幕作为数据显示，但增大了CUP开销，后改为使用串口进行上位机显示，系统响应速度极大提高了。

• 电流滤波

  如果需要较为精确的电流检测，可以使用平均值滤波或者中值滤波。

系统中接入MPU6050陀螺仪作为角度给定值

使用I²C通讯

• 项目中使用了OLED屏幕作为辅助调试，使用I²C协议通讯，占用了PE7\PE8端口，具体代码见oled.c文件，若不使用请注释相关函数。
• 部分图片来源于网上，若有冒犯请联系删除

开源地址：https://github.com/DLABDE/DC_motor_angle_control