在對無人機(jī)，平衡車，智能車，倒立擺的學(xué)習(xí)過程中，我們可以常常聽到一個比較常見的詞-PID，那么PID到底是什么呢，到底它有什么作用呢？在這篇文章中我制作了一個基本的電機(jī)控制器，來探究PID的原理以及如何去使用它。

首先我們要明確一下實驗的目標(biāo)，就是我要可以控制我的電機(jī)旋轉(zhuǎn)任意角度，在旋轉(zhuǎn)的過程中，電機(jī)需要保持穩(wěn)定并且不會出現(xiàn)震蕩的情況。

電機(jī)的選擇

要想完成這個實驗，單片機(jī)需要對電機(jī)進(jìn)行比較精確的控制，從電機(jī)那獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及位置等信息。所以需要使用帶有編碼器的直流電機(jī)，通過編碼器，單片機(jī)即可獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及位置信息。市面上售賣的編碼器電機(jī)一般分為霍爾或者光電編碼器的，在這里我選擇的是一款來自DFRobot減速比為120的TT編碼器電機(jī)

根據(jù)官網(wǎng)給出的數(shù)據(jù)手冊，他的編碼器一圈可以輸出16個脈沖信號，經(jīng)過減速箱后，輸出軸旋轉(zhuǎn)一圈可以輸出16*120=1920個脈沖信號。

買回來的電機(jī)一共有六根線，左邊4根為編碼器的線，右邊兩根為電機(jī)的線

電機(jī)驅(qū)動芯片

電機(jī)驅(qū)動芯片我選擇的是L293D，這是一個雙路的H橋有刷電機(jī)驅(qū)動芯片，使用2個輸入引腳以及一個使能腳就可以控制一路電機(jī)正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速。

單片機(jī)

單片機(jī)用的是STM32F103C8T6系列的核心板，某寶有售。對于這款單片機(jī)來說，其定時器支持編碼器信號輸入，所以我只需要把電機(jī)的編碼器輸出引腳連接到定時器的的編碼器輸入引腳即可，即可實現(xiàn)定時器自動計數(shù)

把這些材料準(zhǔn)備好之后，我設(shè)計了一個電路圖

根據(jù)這個電路圖，我在一塊洞洞板上焊接好了電路

到這里，整個電路部分就制作好了，接下來是軟件部分

PID控制器

PID控制器的名稱其實就解釋了它的基本原理，PID分別是三個單詞的縮寫，P（Proportion）I（Integration）D（Differential），那么解釋成中文意思就是比例、積分、微分控制器。如下圖所示

其中，最左側(cè)作為PID控制器的輸入，最右側(cè)作為PID控制器的輸出，我們可以看到在輸出端又有一個箭頭指向了輸入端的累加器，并且其符號是負(fù)的，這也就說明了PID控制器是具有負(fù)反饋的，同時此時的誤差信號就為輸入信號減去輸出信號。通俗來說，拿我們實驗?zāi)康膩砼e例子就是當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度過多了，PID控制器會控制其轉(zhuǎn)回到原來角度。

在經(jīng)過累加器之后，誤差信號就被分為了三部分，比例運算，積分運算和微分運算。其中比例運算直接將誤差信號乘以Kp值，積分運算中將每次的誤差積分之后乘以Ki值，微分運算中則是將誤差信號的導(dǎo)數(shù)乘以Kd。其中Kp，Ki，Kd都是常數(shù)，根據(jù)不同的系統(tǒng)我們需要調(diào)整這三個不同的參數(shù)，下面我來從數(shù)學(xué)的角度說明一下各個運算對于輸出的貢獻(xiàn)。

當(dāng)誤差信號較大時，P項會積極的對輸出做出響應(yīng)，貢獻(xiàn)最大的值，所以此時P項占據(jù)輸出的主要成分。當(dāng)誤差信號處于快速變化中的時候，D項微分運算會對輸出做出較大貢獻(xiàn)。而I項扮演著校準(zhǔn)的角色，當(dāng)系統(tǒng)的每次細(xì)小誤差累積起來后，I項就會修正這個誤差。

所以總的來看，PID控制器的精髓就是三個運算過程。而在這個實驗中，我想要控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)到特定的角度，那么我的輸入就為我想要旋轉(zhuǎn)的角度，經(jīng)過使用PID控制器進(jìn)行運算之后，他就會輸出一個PWM值去控制電機(jī)運動，并且在這同時編碼器會不斷反饋當(dāng)前位置。經(jīng)過這樣不斷的使用PID控制器進(jìn)行計算，進(jìn)而我的電機(jī)就可以快速穩(wěn)定的轉(zhuǎn)到我指定角度。

代碼的實現(xiàn)

值得注意的是，對于上面PID結(jié)構(gòu)圖中提到的三部分運算公式（比例，微分與積分）它都是對于連續(xù)信號來進(jìn)行的操作，對于單片機(jī)來說，處理連續(xù)信號顯然是不可能的。可行的辦法就是每隔一定時間運行一次PID算法，所以對于離散的位置PID算法來說，其公式如下

對于三個變量來說，它們的計算方法如下

那么接下來就是實現(xiàn)整個程序了，由于我使用的單片機(jī)小板沒有串口通信芯片，不利于后期調(diào)試，所以我使用STM32自帶的一個USB接口模擬串口通信。接下來新建一個STM32工程，并添加相關(guān)的外設(shè)初始化代碼（電機(jī)編碼器等）。

接下來我根據(jù)上文提到的PID計算公式，編寫了PID運算函數(shù)。

為了定時運行PID算法，我設(shè)置了一個5ms的定時器，這樣每次到了定時器中斷時候，就可以運行PID算法了。從定時器的中斷函數(shù)中我們可以看到，每次的處理過程就是將當(dāng)前位置和目標(biāo)位置送入PID運算器并且得到輸出后，送入電機(jī)的控制函數(shù)中即可。

而在電機(jī)的控制函數(shù)Output中，其內(nèi)容如下

通過PID控制器輸出的值來控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，然后對PID輸出的值進(jìn)行限幅，最后賦值給PWM發(fā)生器即可。

實驗

接下來我們開始實驗，首先我們將PID控制器的I和D參數(shù)全部調(diào)節(jié)為0，將Kp設(shè)置為一個較小值，接著編譯工程并且燒錄到STM32中。

給STM32上電，STM32使用USB模擬串口需要安裝一個軟件，我會附到文末資料中。打開串口調(diào)試助手，輸入h加上回車，點擊發(fā)送，幫助信息會被打印出來。可以看到支持的指令包括讀取編碼器位置，修改PID參數(shù)以及左右旋轉(zhuǎn)等等。

接著在串口調(diào)試助手中發(fā)送L90加回車，觀察到電機(jī)轉(zhuǎn)動過了九十度，但是電機(jī)出現(xiàn)晃動的情況，并且響應(yīng)速度也較慢

接著增大Kp值，直到晃動幅度減小并且電機(jī)響應(yīng)速度逐漸增快，在目標(biāo)位置附近抖動時，我們開始增大Kd值去抑制在目標(biāo)位置附近的抖動。當(dāng)調(diào)整到Kp值為500，Kd值為900時，電機(jī)晃動情況大幅改善。

雖然抖動問題解決了，但是經(jīng)過多次旋轉(zhuǎn)之后，電機(jī)的誤差逐漸顯現(xiàn)出來，旋轉(zhuǎn)一周后沒法回到原點。

所以接下來增加Ki值，建議Ki值增加幅度不要過大，一般在零點幾的范圍。這里我設(shè)置Ki值為0.01，以修正每次旋轉(zhuǎn)之后產(chǎn)生的誤差。
到這里，PID參數(shù)調(diào)整的基本就差不多了，電機(jī)可以很好的執(zhí)行我的指令。

改進(jìn)

我發(fā)現(xiàn)當(dāng)我的旋轉(zhuǎn)角度設(shè)定到很大的值時候，電機(jī)會先以滿速轉(zhuǎn)動，然后會逐步減速直到我的設(shè)定位置。這就帶來一個問題，當(dāng)電機(jī)滿速的時候，PWM的占空比為100%，這時候電機(jī)等于直接接在電源兩端，此時電機(jī)的轉(zhuǎn)速我們沒法控制，那么如果這時候電源電壓不穩(wěn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速勢必會產(chǎn)生變化，造成轉(zhuǎn)動的不穩(wěn)定，這當(dāng)然不是我想看到的。所以這時候就需要引入速度環(huán)了。

由于電機(jī)轉(zhuǎn)動起來之后會具有一定的慣性，那么他的速度就不可能產(chǎn)生突變，所以在速度環(huán)控制器中，我只采用了PI控制。速度環(huán)控制器用于控制電機(jī)在轉(zhuǎn)動過程中的速度，那么它將會處于位置環(huán)控制器的內(nèi)部，最終實現(xiàn)的代碼如下。

點擊“閱讀原文”, ?查看完整內(nèi)容獲取資料下載入口！

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的电机PID实验--一文让你看透PID​的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。