一、電機(jī)相關(guān)

電機(jī)作為一種能將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，其在制造、醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)控制等等許多地方都起著重要的作用。想學(xué)習(xí)了解機(jī)器人的小伙伴，從電機(jī)了解起走也是一條不錯(cuò)（坎坷）的道路。

0、廢話

???其實(shí)電機(jī)對(duì)于我來說是接觸的比較多了的，記得小時(shí)候玩四驅(qū)車，就特意將“馬達(dá)”拆開來看過想搞懂原理，也多帶帶將電機(jī)拿出來制作了一些小的diy，后來到了高中在學(xué)到了電磁學(xué)，算是了解了基礎(chǔ)的原理了（在不停的刷題后），再后來到大學(xué)就是真正的使用了。第一次使用應(yīng)該是在大一買的單片機(jī)，配了一個(gè)電機(jī)，有程序可以進(jìn)行調(diào)速，但當(dāng)時(shí)由于一些原因，沒有再去使用。又到了大三，學(xué)習(xí)了電機(jī)拖動(dòng)，對(duì)電機(jī)的認(rèn)識(shí)又深了一點(diǎn)，也做了一些關(guān)于電機(jī)的實(shí)驗(yàn)。但是，令我難以忘記的是研究生開始調(diào)試電機(jī)的時(shí)候，真的是…一言難盡，之前也參考過許多大佬的博客，所以想把自己的這段難忘的經(jīng)歷做個(gè)總結(jié)，也給有需要的朋友一個(gè)參考。

1、電機(jī)種類

• 按電源種類分為：直流電機(jī)和交流電機(jī)。我們常見常用的電機(jī)大多是直流電機(jī)，相比前者，交流電機(jī)不需要換向器和電刷轉(zhuǎn)換電流方向，與直流電機(jī)相比它的結(jié)構(gòu)更簡單，功率更大，在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用
  

• 根據(jù)有無電刷分為：有刷電機(jī)和無刷電機(jī)。有刷電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)久技術(shù)成熟、響應(yīng)速度快，起動(dòng)扭矩大、運(yùn)行平穩(wěn)，起制動(dòng)效果好、控制精度高、使用成本低，維修方便；而無刷電機(jī)由于無電刷，具有低干擾、噪音低、運(yùn)轉(zhuǎn)順暢、壽命長、低維護(hù)成本等優(yōu)點(diǎn)。于是我接觸的以無刷電機(jī)為主。
  

• 根據(jù)有無反饋分為：步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。前者沒有反饋信號(hào)，位置精度不夠高，且轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于后者。在需要精確的控制，伺服電機(jī)更加常用。

2、電機(jī)控制方式

• 力矩控制：指定電機(jī)提供設(shè)置大小的力矩。（但是由于力矩傳感器太貴了，這里的力矩的大小通常是通過電流換算的，其恒電流情況下，轉(zhuǎn)矩=轉(zhuǎn)矩常數(shù)*電流）
• 速度控制：指定電機(jī)達(dá)到設(shè)置的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。
• 位置控制：指定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到設(shè)置的位置。

由于位置是速度的積分，所以三種控制方式的控制框圖是有要求的，下面是一種常見的控制結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)然，如果只針對(duì)某一兩種控制模式，其控制方案將比這個(gè)更加簡易。

二、電機(jī)控制器

????為了方便用戶的使用，市面上許多電機(jī)都是針對(duì)上面的控制方式進(jìn)行了封裝的，也就是我們常聽說的——控制器。控制器的控制方案有許多，針對(duì)不同的控制環(huán)也有不同的控制方案，例如：對(duì)于電流環(huán)，有FOC矢量控制，速度、位置環(huán)有PID。當(dāng)然，也有其他的控制算法，但這里我們就使用常用的就行了。現(xiàn)在我們也可以開始談?wù)剺?biāo)題了。

1、PID控制器

????PID 是一種傳統(tǒng)且經(jīng)典的控制算法，在工程中應(yīng)用非常廣泛，相比其他高大上甚至只存在于 paper 上的算法， PID 是非常接地氣的。
????PID ，即：Proportional（比例）、Integral（積分）、Differential（微分）的縮寫。顧名思義，PID 控制算法是結(jié)合比例、積分和微分的融合怪，其規(guī)律可以描述為：
$$u(t)=K_p(e(t)+\frac{1}{T_t}{\int }_0^{t}e(t)dt+T_d\frac{de(t)}{dt}$$
????其中 $K_p$ 是比例增益，$T_t$ 是積分時(shí)間常數(shù)，$T_d$ 是微分時(shí)間常數(shù)，$u(t)$ 是輸入信號(hào)，$e(t)$ 是誤差。

????三個(gè)環(huán)節(jié)在控制中也分別起著不同的控制作用。

2、PID 各環(huán)節(jié)作用

• 比例環(huán)節(jié) P：比例環(huán)節(jié)與穩(wěn)態(tài)誤差相關(guān)，比例環(huán)節(jié)越大，上升速度越快，且穩(wěn)態(tài)誤差越小，但無論怎樣多大都會(huì)存在誤差，不能消除誤差，而且過大還會(huì)導(dǎo)致震蕩，反而不穩(wěn)定
  

• 積分環(huán)節(jié) I：積分環(huán)節(jié)則可以消除誤差，合適的積分環(huán)節(jié)可以很快的消除誤差，但是設(shè)置較大會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，并且過大也會(huì)導(dǎo)致震蕩，從而不穩(wěn)定
  

• 微分環(huán)節(jié) D：微分環(huán)節(jié)具有預(yù)測(cè)作用，可以預(yù)測(cè)信號(hào)的變化方向，從而可以減小超調(diào)，提高響應(yīng)速度，但過大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定
  

matlab PID 的參考代碼如下（上面的圖是在下面代碼基礎(chǔ)上修改了一點(diǎn)，但是核心沒有變）：

%%  說明% 被控系統(tǒng)： 1/(0.1s+1)% 控制器：    PID%%clc,clearts=0.001;  %采樣時(shí)間=0.001ssys=tf(1,[0.1,1]);            %建立被控對(duì)象傳遞函數(shù)dsys=c2d(sys,ts,"z")         % 離散化[num,den]=tfdata(dsys,"v");   % 得到差分方程系數(shù)  y(k) = -den[2]*y(k-1) + num[2]*u(k-1)e_last=0;      %前一時(shí)刻的偏差      E_integ=0;     %累積偏差u_last=0.0;    %前一時(shí)刻的控制量y_last=0;      %前一時(shí)刻的輸出% PID參數(shù)kp=1;    ki=0;kd=0;u=zeros(1,10000);    %設(shè)置仿真長度time=zeros(1,10000); %時(shí)刻點(diǎn)（設(shè)定10000個(gè)）for k=1:1:10000    time(k)=k*ts;    %時(shí)間    r(k)=100;        %期望值    y(k)=-1*den(2)*y_last + num(2)*u_last;    %系統(tǒng)響應(yīng)輸出序列    e(k)=r(k)-y(k);                           %誤差信號(hào)    u(k)=kp*e(k)+ki*E_integ+kd*(e(k)-e_last); %系統(tǒng)PID控制器輸出序列    E_integ=E_integ+e(k);    %誤差的累加和    u_last=u(k);    	     %前一個(gè)的控制器輸出值    y_last=y(k);    	     %前一個(gè)的系統(tǒng)響應(yīng)輸出值    e_last=e(k);		     %前一個(gè)誤差信號(hào)的值endp1=plot(time,r,"-.");xlim([0,1]);hold on; %指令信號(hào)的曲線（即期望輸入）p2=plot(time,y,"--");xlim([0,1]);         %不含積分分離的PID曲線hold on;

3、PID 種類

????上面的 PID公示 是針對(duì)連續(xù)情況下的，而在生活中，我們常常使用的是離散型的變量，比如時(shí)間，于是我們需要將 PID 的公式進(jìn)行離散化，根據(jù)離散化的方法不同，PID 控制的公式就有兩種，即位置式 PID 和增量式 PID,

• 位置式 PID
  $$u(n)=K_p?e(n)+K_i?\sum e(n)+K_d?[e(n)?e(n?1)]/T$$
  從公式結(jié)構(gòu)上看，位置式存在積分環(huán)節(jié)，誤差會(huì)進(jìn)行累加，當(dāng)積分項(xiàng)飽和時(shí)，誤差仍然會(huì)進(jìn)行累加，當(dāng)誤差反向變化時(shí)，系統(tǒng)還需要一定時(shí)間從飽和區(qū)退出，所以常常需要積分限幅和輸出限幅，實(shí)際使用位置式 pid 時(shí)一般常常使用 PD 進(jìn)行控制。
• 增量式 PID
  $$\Delta u(n)=K_p?[e(n)?e(n?1)]+K_i?e(n)+K_d?[e(n)?2?e(n?1)+e(n?2)]/T$$
  增量式不包含積分環(huán)節(jié)，控制增量只與前后三次測(cè)量值有關(guān)，對(duì)外界的抗擾性比位置式更好。
• 兩者關(guān)系
  可以看到前者計(jì)算得到的是輸入量，而后者算得的是輸入增量，許多同學(xué)可能已經(jīng)猜到了后者就是前者差分得到的
  想更加具體的了解兩者關(guān)系，可以看這位博主的： 傳送門.

三、電機(jī)調(diào)參

????常見的調(diào)參方式是比較快樂的，直接在生產(chǎn)商寫好的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置以及測(cè)試，找到合適的參數(shù)，更有的還有調(diào)參軟件，遍歷參數(shù)尋找合適的參數(shù)，從而省去人工調(diào)試的復(fù)雜環(huán)節(jié)。
????但這里想要分享的調(diào)參方法要多一點(diǎn)步驟，但是大體方向是不變的，這里以 Tmotor 的 AK10-9 與 大疆的 M2006 兩款無刷直流電機(jī)為例子進(jìn)行介紹。

1、Tmotor 調(diào)參

????Tmotor 的電機(jī)本來是有調(diào)參軟件的，但是最開始的時(shí)候由于資料不完善，加上他的控制環(huán)不符合我們的應(yīng)用要求，所以我們需要進(jìn)行簡單的修改。

1.1 控制框圖

Tmotor 的運(yùn)動(dòng)控制框圖如下，可以看到他的電流環(huán)采用 FOC 矢量控制，我們不能修改，另外兩個(gè)環(huán)，速度環(huán)和位置環(huán)，只有比例環(huán)節(jié)，不能達(dá)到無誤差的目標(biāo)，所以我們需要在他的電流環(huán)上進(jìn)行編寫封裝。

我們需要的控制環(huán)應(yīng)該如下：

下面我們先編寫控制程序。

1.2 PID 程序

之前探討過離散 PID 有位置式 PID 算法和增量式 PID 算法，下面是根據(jù)其公式編寫的 PID 程序，在使用之前需要稍稍修改一下參數(shù)。
位置式 PID

********************位置式 PID*****************************        輸入?yún)?shù)：電機(jī)電流速度位置等反饋值fed        ***********************************************************typedef struct PID{	float target;    //目標(biāo)參考值	float  deadband; //定義電機(jī)死區(qū)	float err_now;   //定義當(dāng)前誤差	float err_last;  //定義上一時(shí)刻誤差	float kp;        //比例環(huán)節(jié)系數(shù)	float ki;        //積分環(huán)節(jié)系數(shù)	float kd;        //微分環(huán)節(jié)系數(shù)，這里已將時(shí)間常數(shù)包含進(jìn)去	float Pout;      //比例環(huán)節(jié)輸出	float Iout;      //積分環(huán)節(jié)輸出	float Dout;      //微分環(huán)節(jié)輸出	float IntegLimt; //設(shè)置積分限幅	float output;    //輸出量	float OutputLimt;//輸出限幅}PID_PARM;//初始化PID參數(shù)的函數(shù)void PID_parm_Init(PID_PARM *PID_parm,float target,float kp,float ki,float kd,float IntegLimt,float OutputLimt){	PID_parm->target = target; 	PID_parm->err_now = 0;	PID_parm->err_last = 0;	PID_parm->kp = kp; 	PID_parm->ki = ki; 	PID_parm->kd = kd; 	PID_parm->Pout = 0;	PID_parm->Iout = 0;    PID_parm->Dout = 0;	PID_parm->IntegLimt = IntegLimt;	PID_parm->output = 0; 	PID_parm->OutputLimt = OutputLimt;}//計(jì)算PID的函數(shù)float PID_cal(PID_PARM *pid_parm,float feedback){	pid_parm->err_now = pid_parm->target - feedback;	pid_parm->Pout = pid_parm->kp*pid_parm->err_now;	pid_parm->Iout += pid_parm->ki*pid_parm->err_now;	pid_parm->Dout = pid_parm->kd*(pid_parm->err_now-pid_parm->err_last);	//積分限幅	if(pid_parm->Iout > pid_parm->IntegLimt)  pid_parm->Iout = pid_parm->IntegLimt;	else if(pid_parm->Iout < -pid_parm->IntegLimt)  pid_parm->Iout = -pid_parm->IntegLimt;	//輸出限幅	pid_parm->output = pid_parm->Pout + pid_parm->Iout + pid_parm->Dout;	if(pid_parm->output > pid_parm->OutputLimt)  pid_parm->output = pid_parm->OutputLimt;	else if(pid_parm->output < -pid_parm->OutputLimt)  pid_parm->output = -pid_parm->OutputLimt;	//數(shù)據(jù)更新	pid_parm->err_last = pid_parm->err_now;	return  pid_parm->output;}float u;                  PID_PARM pid_parm;PID_parm_Init(&pid_parm,10,1,0.1,,0.5,50,100);  //這里的參數(shù)隨機(jī)給的，具體參數(shù)需要調(diào)節(jié)u = PID_cal(&pid_parm,fed);                     //計(jì)算出來的下一次輸入

增量式 PID

********************增量式 PID*****************************        輸入?yún)?shù)：電機(jī)電流速度位置等反饋值fed        ***********************************************************typedef struct PID{	float target;      //目標(biāo)參考值	float  deadband; //定義電機(jī)死區(qū)	float err_now;     //定義當(dāng)前誤差	float err_last;    //定義上一時(shí)刻誤差	float err_llast;    //定義上上時(shí)刻誤差	float kp;          //比例環(huán)節(jié)系數(shù)	float ki;          //積分環(huán)節(jié)系數(shù)	float kd;          //微分環(huán)節(jié)系數(shù)，這里已將時(shí)間常數(shù)包含進(jìn)去	float Pout;        //比例環(huán)節(jié)輸出	float Iout;        //積分環(huán)節(jié)輸出	float Dout;        //微分環(huán)節(jié)輸出	float output;      //輸出增量	float output_last; //上一次輸出的增量	float OutputLimt;  //輸出限幅}PID_PARM;//初始化PID參數(shù)的函數(shù)void PID_parm_Init(PID_PARM *PID_parm,float target,float kp,float ki,float kd,float OutputLimt){	PID_parm->target = target; 	PID_parm->err_now = 0;	PID_parm->err_last = 0;	PID_parm->err_llast = 0;	PID_parm->kp = kp; 	PID_parm->ki = ki; 	PID_parm->kd = kd; 	PID_parm->Pout = 0;	fPID_parm->Iout = 0;	PID_parm->Dout = 0;	PID_parm->output = 0; 	PID_parm->output_last = 0; 	PID_parm->OutputLimt = OutputLimt;}//計(jì)算PID的函數(shù)float PID_cal(PID_PARM *pid_parm,float feedback){	pid_parm->err_now = pid_parm->target - feedback;	pid_parm->Pout = pid_parm->kp*(pid_parm->err_now - pid_parm->err_last);	pid_parm->Iout = pid_parm->ki*pid_parm->err_now;	pid_parm->Dout = pid_parm->kd*(pid_parm->err_now - 2*pid_parm->err_last + pid_parm->err_llast);	//輸出限幅	pid_parm->output += pid_parm->Pout + pid_parm->Iout + pid_parm->Dout;	if(pid_parm->output > pid_parm->OutputLimt)  pid_parm->output = pid_parm->OutputLimt;	else if(pid_parm->output < -pid_parm->OutputLimt)  pid_parm->output = -pid_parm->OutputLimt;	//數(shù)據(jù)更新	pid_parm->err_llast = pid_parm->err_last;	pid_parm->err_last = pid_parm->err_now;	pid_parm->output_last = pid_parm->output;	return  pid_parm->output;}float u;                  PID_PARM pid_parm;PID_parm_Init(&pid_parm,10,1,0.1,,0.5,100);  //這里的參數(shù)隨機(jī)給的，具體參數(shù)需要調(diào)節(jié)u = PID_cal(&pid_parm,fed);                  //計(jì)算出來的下一次輸入

1.3 Tmotor 控制的完整程序

這里采用的 stm32 進(jìn)行控制的，工程文件全部在下面：

• 頭文件們

key.h

#ifndef __KEY_H#define __KEY_H	 #include "sys.h"  	 /*下面的方式是通過直接操作庫函數(shù)方式讀取IO*/#define KEY0 		GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,GPIO_Pin_4) //PE4#define KEY1 		GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,GPIO_Pin_3)	//PE3 #define KEY2 		GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,GPIO_Pin_2) //PE2#define WK_UP 	GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_0)	//PA0#define KEY0_PRES 	1#define KEY1_PRES	2#define KEY2_PRES	3#define WKUP_PRES   4void KEY_Init(void);	//IO初始化u8 KEY_Scan(u8);  		//按鍵掃描函數(shù)	#endif

can.h

#ifndef __CAN_H#define __CAN_H	 #include "sys.h"	    	 					    	void CAN1_Init(void);//CAN1初始化 u8 CAN1_Send_Msg(u8* msg);						//發(fā)送數(shù)據(jù) u8 CAN1_Receive_Msg(u8 *buf);#endif

pid.h

#ifndef __PID_H#define __PID_H	 #include "sys.h"	#include "stdlib.h"typedef struct PID{	float target;      //目標(biāo)參考值	float deadband;    //定義電機(jī)死區(qū)	float err_now;     //定義當(dāng)前誤差	float err_last;    //定義上一時(shí)刻誤差	float err_llast;   //定義上上時(shí)刻誤差	float kp;          //比例環(huán)節(jié)系數(shù)	float ki;          //積分環(huán)節(jié)系數(shù)	float kd;          //微分環(huán)節(jié)系數(shù)，這里已將時(shí)間常數(shù)包含進(jìn)去	float Pout;        //比例環(huán)節(jié)輸出	float Iout;        //積分環(huán)節(jié)輸出	float Dout;        //微分環(huán)節(jié)輸出	float IntegLimt;   //設(shè)置積分限幅	float output;      //輸出量	float output_last; //上一次輸出的增量	float OutputLimt;  //輸出限幅}PID_PARM;void  PID_parm_Init(PID_PARM *PID_parm,float target,float deadband,float kp,float ki,float kd,float IntegLimt,float OutputLimt);float Pos_PID_cal(PID_PARM *pid_parm,float feedback);float Inc_PID_cal(PID_PARM *pid_parm,float feedback);void PID_init(PID_PARM *Spd_PID,PID_PARM *Pos_PID);#endif

motor.h

#ifndef __MOTOR_H#define __MOTOR_H	 #include "sys.h"	    	 #include "pid.h"#define pi 3.1415926#define P_MAX   12.5#define P_MIN  -12.5#define V_MAX  46.57#define V_MIN  -46.57#define KP_MAX  500#define KP_MIN  0#define KD_MAX  5#define KD_MIN  0#define T_MAX  54#define T_MIN  -54extern u8 Tmotor_Mod_Buf[3][8];typedef enum{	Tmotor_Open = 0xfc,	Tmotor_Close = 0xfd,	Tmotor_SetZero = 0xfe,}Tmotor_Mod;typedef struct{	u8 id;                  	// id	int16_t	 	speed_rps;    	// rad/s	int16_t  	real_torque; 	  // 反饋力矩	uint16_t 	angle;			    // 絕對(duì)角度}Tmotor_measure_t;extern Tmotor_measure_t  TmotorData;    // 保存Tmotor電機(jī)的狀態(tài)int float_to_uint(float x, float x_min, float x_max, int bits);float uint_to_float(int x_int, float x_min, float x_max, int bits);float limitf(float val, float min_val, float max_val);void Tmotor_mod(u8 mod);void get_Tmotor_measure(Tmotor_measure_t *ptr, CanRxMsg *Rxmsg);u8 set_Tmotor_torque(float torque);void Tmotor_Speed_Control(PID_PARM 
                 

                                                                                                                    
                         云服務(wù)器
                                             
                         GPU云服務(wù)器
                                                                                                                                                 
                                      
                     
                    
                                                                                               用c語言控制無刷電機(jī)
                                                                                                           調(diào)參篇
                                                                                                           webrtc降噪調(diào)參
                                                                                                           電機(jī)軸承