摘要：有刷电机结构简单开发久技术成熟响应速度快，起动扭矩大运行平稳，起制动效果好控制精度高使用成本低，维修方便而无刷电机由于无电刷，具有低干扰噪音低运转顺畅寿命长低维护成本等优点。电机控制方式力矩控制指定电机提供设置大小的力矩。
电机作为一种能将电能转化为机械能的装置，其在制造、医疗、运动控制等等许多地方都起着重要的作用。想学习了解机器人的小伙伴，从电机了解起走也是一条不错（坎坷）的道路。
其实电机对于我来说是接触的比较多了的，记得小时候玩四驱车，就特意将“马达”拆开来看过想搞懂原理，也多带带将电机拿出来制作了一些小的diy，后来到了高中在学到了电磁学，算是了解了基础的原理了（在不停的刷题后），再后来到大学就是真正的使用了。第一次使用应该是在大一买的单片机，配了一个电机，有程序可以进行调速，但当时由于一些原因，没有再去使用。又到了大三，学习了电机拖动，对电机的认识又深了一点，也做了一些关于电机的实验。但是，令我难以忘记的是研究生开始调试电机的时候，真的是…一言难尽，之前也参考过许多大佬的博客，所以想把自己的这段难忘的经历做个总结，也给有需要的朋友一个参考。
按电源种类分为：直流电机和交流电机。我们常见常用的电机大多是直流电机，相比前者，交流电机不需要换向器和电刷转换电流方向，与直流电机相比它的结构更简单，功率更大，在工业领域被广泛应用
根据有无电刷分为：有刷电机和无刷电机。有刷电机结构简单、开发久技术成熟、响应速度快，起动扭矩大、运行平稳，起制动效果好、控制精度高、使用成本低，维修方便；而无刷电机由于无电刷，具有低干扰、噪音低、运转顺畅、寿命长、低维护成本等优点。于是我接触的以无刷电机为主。
根据有无反馈分为：步进电机和伺服电机。前者没有反馈信号，位置精度不够高，且转速远远小于后者。在需要精确的控制，伺服电机更加常用。
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由于位置是速度的积分，所以三种控制方式的控制框图是有要求的，下面是一种常见的控制结构图，当然，如果只针对某一两种控制模式，其控制方案将比这个更加简易。
为了方便用户的使用，市面上许多电机都是针对上面的控制方式进行了封装的，也就是我们常听说的——控制器。控制器的控制方案有许多，针对不同的控制环也有不同的控制方案，例如：对于电流环，有FOC矢量控制，速度、位置环有PID。当然，也有其他的控制算法，但这里我们就使用常用的就行了。现在我们也可以开始谈谈标题了。
PID 是一种传统且经典的控制算法，在工程中应用非常广泛，相比其他高大上甚至只存在于 paper 上的算法， PID 是非常接地气的。
PID ，即：Proportional（比例）、Integral（积分）、Differential（微分）的缩写。顾名思义，PID 控制算法是结合比例、积分和微分的融合怪，其规律可以描述为：
u ( t ) = K p ( e ( t ) + 1 T t ∫ 0 t e ( t ) d t + T d d e ( t ) d t u(t)=K_p(e(t)+/frac{1}{T_t}/int_0^t e(t)dt+T_d/frac{de(t)}{dt} u(t)=Kp(e(t)+Tt1∫0te(t)dt+Tddtde(t)
其中 K p K_p Kp 是比例增益， T t T_t Tt 是积分时间常数， T d T_d Td 是微分时间常数， u ( t ) u(t) u(t) 是输入信号， e ( t ) e(t) e(t) 是误差。
三个环节在控制中也分别起着不同的控制作用。
比例环节 P：比例环节与稳态误差相关，比例环节越大，上升速度越快，且稳态误差越小，但无论怎样多大都会存在误差，不能消除误差，而且过大还会导致震荡，反而不稳定
积分环节 I：积分环节则可以消除误差，合适的积分环节可以很快的消除误差，但是设置较大会产生超调，并且过大也会导致震荡，从而不稳定
微分环节 D：微分环节具有预测作用，可以预测信号的变化方向，从而可以减小超调，提高响应速度，但过大会导致系统不稳定
matlab PID 的参考代码如下（上面的图是在下面代码基础上修改了一点，但是核心没有变）：
%% 说明% 被控系统： 1/(0.1s+1)% 控制器： PID%%clc,clearts=0.001; %采样时间=0.001ssys=tf(1,[0.1,1]); %建立被控对象传递函数dsys=c2d(sys,ts,"z") % 离散化[num,den]=tfdata(dsys,"v"); % 得到差分方程系数 y(k) = -den[2]*y(k-1) + num[2]*u(k-1)e_last=0; %前一时刻的偏差 E_integ=0; %累积偏差u_last=0.0; %前一时刻的控制量y_last=0; %前一时刻的输出% PID参数kp=1; ki=0;kd=0;u=zeros(1,10000); %设置仿真长度time=zeros(1,10000); %时刻点（设定10000个）for k=1:1:10000 time(k)=k*ts; %时间 r(k)=100; %期望值 y(k)=-1*den(2)*y_last + num(2)*u_last; %系统响应输出序列 e(k)=r(k)-y(k); %误差信号 u(k)=kp*e(k)+ki*E_integ+kd*(e(k)-e_last); %系统PID控制器输出序列 E_integ=E_integ+e(k); %误差的累加和 u_last=u(k); %前一个的控制器输出值 y_last=y(k); %前一个的系统响应输出值 e_last=e(k); %前一个误差信号的值endp1=plot(time,r,"-.");xlim([0,1]);hold on; %指令信号的曲线（即期望输入）p2=plot(time,y,"--");xlim([0,1]); %不含积分分离的PID曲线hold on;上面的 PID公示 是针对连续情况下的，而在生活中，我们常常使用的是离散型的变量，比如时间，于是我们需要将 PID 的公式进行离散化，根据离散化的方法不同，PID 控制的公式就有两种，即位置式 PID 和增量式 PID,
常见的调参方式是比较快乐的，直接在生产商写好的驱动下进行参数的设置以及测试，找到合适的参数，更有的还有调参软件，遍历参数寻找合适的参数，从而省去人工调试的复杂环节。
但这里想要分享的调参方法要多一点步骤，但是大体方向是不变的，这里以 Tmotor 的 AK10-9 与 大疆的 M2006 两款无刷直流电机为例子进行介绍。
Tmotor 的电机本来是有调参软件的，但是最开始的时候由于资料不完善，加上他的控制环不符合我们的应用要求，所以我们需要进行简单的修改。
Tmotor 的运动控制框图如下，可以看到他的电流环采用 FOC 矢量控制，我们不能修改，另外两个环，速度环和位置环，只有比例环节，不能达到无误差的目标，所以我们需要在他的电流环上进行编写封装。
我们需要的控制环应该如下：
下面我们先编写控制程序。
之前探讨过离散 PID 有位置式 PID 算法和增量式 PID 算法，下面是根据其公式编写的 PID 程序，在使用之前需要稍稍修改一下参数。
位置式 PID
********************位置式 PID***************************** 输入参数：电机电流速度位置等反馈值fed ***********************************************************typedef struct PID{ float target; //目标参考值 float deadband; //定义电机死区 float err_now; //定义当前误差 float err_last; //定义上一时刻误差 float kp; //比例环节系数 float ki; //积分环节系数 float kd; //微分环节系数，这里已将时间常数包含进去 float Pout; //比例环节输出 float Iout; //积分环节输出 float Dout; //微分环节输出 float IntegLimt; //设置积分限幅 float output; //输出量 float OutputLimt;//输出限幅}PID_PARM;//初始化PID参数的函数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;}//计算PID的函数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); //积分限幅 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; //输出限幅 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; //数据更新 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); //这里的参数随机给的，具体参数需要调节u = PID_cal(&pid_parm,fed); //计算出来的下一次输入增量式 PID
********************增量式 PID***************************** 输入参数：电机电流速度位置等反馈值fed ***********************************************************typedef struct PID{ float target; //目标参考值 float deadband; //定义电机死区 float err_now; //定义当前误差 float err_last; //定义上一时刻误差 float err_llast; //定义上上时刻误差 float kp; //比例环节系数 float ki; //积分环节系数 float kd; //微分环节系数，这里已将时间常数包含进去 float Pout; //比例环节输出 float Iout; //积分环节输出 float Dout; //微分环节输出 float output; //输出增量 float output_last; //上一次输出的增量 float OutputLimt; //输出限幅}PID_PARM;//初始化PID参数的函数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;}//计算PID的函数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); //输出限幅 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; //数据更新 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); //这里的参数随机给的，具体参数需要调节u = PID_cal(&pid_parm,fed); //计算出来的下一次输入这里采用的 stm32 进行控制的，工程文件全部在下面：
key.h
#ifndef __KEY_H#define __KEY_H #include "sys.h" /*下面的方式是通过直接操作库函数方式读取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); //按键扫描函数 #endifcan.h
#ifndef __CAN_H#define __CAN_H #include "sys.h" void CAN1_Init(void);//CAN1初始化 u8 CAN1_Send_Msg(u8* msg); //发送数据 u8 CAN1_Receive_Msg(u8 *buf);#endifpid.h
#ifndef __PID_H#define __PID_H #include "sys.h" #include "stdlib.h"typedef struct PID{ float target; //目标参考值 float deadband; //定义电机死区 float err_now; //定义当前误差 float err_last; //定义上一时刻误差 float err_llast; //定义上上时刻误差 float kp; //比例环节系数 float ki; //积分环节系数 float kd; //微分环节系数，这里已将时间常数包含进去 float Pout; //比例环节输出 float Iout; //积分环节输出 float Dout; //微分环节输出 float IntegLimt; //设置积分限幅 float output; //输出量 float output_last; //上一次输出的增量 float OutputLimt; //输出限幅}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);#endifmotor.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; // 反馈力矩 uint16_t angle; // 绝对角度}Tmotor_measure_t;extern Tmotor_measure_t TmotorData; // 保存Tmotor电机的状态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
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