【STM32 + HAL库】倒立摆

一天时间终于做完了这颗倒立摆，能够实现持久站立，但是抗干扰能力很弱。

先上两张未经排版的图（好吧，不能上传GIF）

截止本文写完，该摆最长站立了17分钟。

【硬件部分】

1、倒立摆机械部分由老师提供，由同步轮+同步带带动滑台在光杆上运动；角度反馈部分为安装在倒立摆下端的高精度电位器

2、电机为带编码器的减速直流电机，由TB6612芯片驱动

3、主控板为stm32f103vet6开发板

4、电机使用学生电源提供10V电压驱动，单片机由电脑USB供电。

【使用HAL库构建硬件层代码】

 

1、RCC时钟树配置

在CubeMX中，使用外部晶振提供时钟源，通过锁相环倍频到72MHz提供给外设，ADC模块的时钟不能太高，否则会影响转换精度。详细配置如图

 

2、TIM8编码器模式配置

使用stm32f103高级定时器TIM8的编码器模式，测量电机的转速。

在模式选择窗口，选择通道串联模式，由两个TIM输入通道接入正交编码器的A线和B线。

详细配置窗口中，选择向上计数，不允许自动重装载。编码器模式下，选择在通道1和通道2的上升沿计数。理论上而言，这样会导致计数值是实际值的4倍（但是实际程序中不是）

编码器数值由软件直接读取和重置，不需要重装载，也不需要中断。

注意将GPIO脚设置为上拉输入，部分编码器没有接上拉电阻，需要单片机内部提供。

 

3、ADC1测量电位器阻值

配置ADC1的一通道对电位器阻值进行测量，从而获取倒立摆的倾角。

如图是选择Channel1独立测量、连续测量模式，因为只有一个通道测量，所以扫描测量模式关闭。AD转换同样不需要中断，在软件中直接触发一次转换，之后读取转换值即可。

4、TIM1输出PWM

在模式配置中，选择时钟源为内部时钟源72MHz，选择通道一为PWM输出模式

在配置选项中，我们需要产生频率为1000Hz，占空比可变的PWM。可以选择预分频系数为72-1，预分频之后得到1MHz时钟信号；重装载寄存器为1000-1，得到1000Hz的PWM。选择PWM Mode 1，当计数器值小于某个值时，输出高电平，否则输出低电平（Mode 2）相反。同时配置输出GPIO为推挽输出模式。

【串级PID算法】

部分内容来自个人理解，如果不当，恳请批评指正。

显然这是一个串级PID算法。

第一级PID输入为倒立摆的实际角度和目标角度，输出电机的目标转速。

实际上输入为ADC转化的电位器两端的电压值，目标值为电位器在平衡位置时ADC转换的电压值，输出为目标转速。

第一级PID主要由比例和微分控制，由于下面还有一层PID，所以积分环节要么选择误差过零时将积分项清零，要么选择较小的积分限幅。考虑到倒立摆对平衡性要求较高，误差过零时将积分项清零的方法将使第一级PID的输出在平衡位置发生跳变，所以选择积分限幅，限制幅值较小，但积分参数较大。

第二级PID输入为电机的目标转速和实际转速，输出电机的PWM。

第二级PID主要由PID三项控制构成，原本决定不用I控制，但是在实际调试过程中，由于电机存在一定的死区，在平衡位置附近PWM输出很小，电机不转，严重影响控制品质；可以按固定的PWM值进行死区补偿，但是这样较为死板，考虑到倒立摆的摆动是一个相对慢的过程，所以使用积分项。同样需要积分限幅。

 

【调试过程】

一开始PID调了好久都没有效果，冷静下来才发现方法不对。后来的调试过程如下：

1、先给第一级PID赋较大的P，I和D参数为0

2、利用Arduino的串口绘图器，将目标值与实际值绘图，观察变化趋势，调节第二级参数

3、利用Arduino的串口绘图器，将目标值与实际值绘图，观察变化趋势，调节第一级参数

 

调试过程中的小技巧：

设置当倒立摆角度大于一定角度之后，电机目标速度置0，避免了频繁开关电源。

把倒立摆固定好，如果桌面不平且倒立摆在桌面上移动，那么每次调试时平衡位置对应的电位器的值不同，需要频繁尝试。

 

【主要代码】

pid.h

#ifndef __pid_H_
#define __pid_H_
#includ