ETR获取转速及PID调节原则

一、前言

        由于单片机硬件资源稀缺&＃xff0c;有些时候无法使用正交编码的方式获取速度&＃xff0c;可使用单脉冲ETR功能获取转速&＃xff0c;通过软件设定的转速判定方向。其他方案缺点&＃xff1a;比如使用外部中断方式&＃xff0c;来一个信号触发一次中断&＃xff0c;在中断程序里实现计数累加&＃xff0c;但由于被统计的信号频率较高&＃xff0c;而中断本身也是需要时间的&＃xff0c;往往导致有些脉冲没被统计而发生丢数的问题。况且&＃xff0c;CPU这样频繁地去响应中断还会衍生出其它系统性问题。

         对于这种情况&＃xff0c;我们可以将被统计信号连接到定时器的ETR脚&＃xff0c;并作为定时器的计数时钟&＃xff0c;择时读取计数器的值和溢出次数即可。这样既避免了CPU频繁进中断而无法应对别的事情的困境&＃xff0c;也避免了因CPU优先忙于别的事情而来不及响应外部中断导致计数出错的麻烦。对于STM32&＃xff08;GD32&＃xff09;来讲&＃xff0c;从ETR脚引入时钟信号&＃xff0c;可以有两种模式。

第一种模式&＃xff0c;即外部时钟1模式&＃xff0c;此时来自ETR脚的信号经过滤波、边沿检测和极性选择后&＃xff0c;以触发信号的角色连接到从模式控制器&＃xff0c;并作为定时器的时钟源&＃xff0c;即下图中的1路。
第二种模式&＃xff0c;即外部时钟2模式&＃xff0c;来自ETR脚的时钟信号经过极性选择、分频、滤波后不经过从模式控制器&＃xff0c;而是像内部时钟源一样直接为计数器提供计数时钟&＃xff0c;即下图中的2路。

二、编码器配置

1、GPIO配置

static void GPIOConfiguration(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB |RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE); // 关闭JTAG功能

//  GPIO config
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin &＃61; ENCODER_LEFT_A_PIN;// | ENCODER_LEFT_B_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode &＃61; GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed &＃61; GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap1_TIM2, ENABLE);//重映射TIM2的CH1、CH2到PA15和PB3
// GPIO config
GPIO_StructInit(&GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin &＃61; ENCODER_RIGHT_A_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode &＃61; GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed &＃61; GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

}

2、Timer配置

static void encoderConfiguration(void)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1 | RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

TIM_DeInit(ENCODER_LEFT_TIMER);
TIM_DeInit(ENCODER_RIGHT_TIMER);

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler &＃61; 0x0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period &＃61; 65535;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision &＃61; 0x0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode &＃61; TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(ENCODER_LEFT_TIMER, &TIM_TimeBaseStructure);
TIM_TimeBaseInit(ENCODER_RIGHT_TIMER, &TIM_TimeBaseStructure);

//选择ETR通过外部时钟2输入时钟
TIM_ETRClockMode2Config(ENCODER_LEFT_TIMER, TIM_ExtTRGPSC_OFF, TIM_ExtTRGPolarity_NonInverted, 0);
TIM_ETRClockMode2Config(ENCODER_RIGHT_TIMER, TIM_ExtTRGPSC_OFF, TIM_ExtTRGPolarity_NonInverted, 0);

TIM_ClearITPendingBit(ENCODER_LEFT_TIMER,TIM_IT_Update);
TIM_ClearITPendingBit(ENCODER_RIGHT_TIMER,TIM_IT_Update);
TIM_ITConfig(ENCODER_LEFT_TIMER,TIM_IT_Update,ENABLE);
TIM_ITConfig(ENCODER_RIGHT_TIMER,TIM_IT_Update,ENABLE);
TIM_SetCounter(ENCODER_LEFT_TIMER, 0);
TIM_SetCounter(ENCODER_RIGHT_TIMER, 0);
TIM_Cmd(ENCODER_LEFT_TIMER, ENABLE);
TIM_Cmd(ENCODER_RIGHT_TIMER, ENABLE);
}

3、部分函数接口可供参考

三、转速获取

由于采用的ETR单脉冲获取转速故无法感知反向&＃xff0c;在故编码器反馈的速度会一直为正的。在此项目中获取转速的频率为250HZ&＃xff0c;g_encoder.right_encoder_delta为两次读取的脉冲数的差&＃xff0c;g_encoder.right_encoder_delta * ENCODER_UPDATE_FREQUENCY及得到脉冲的频率。在宏定义中有以下参数&＃xff0c;脉冲的频率除以理论一圈的脉冲数就能得到抹布的转速。

#define WHEEL_PPR 1 // ETR不倍频
#define WHEEL_POLAR_NUM 4 // 极对数(4对8极)
#define GERA_RATIO 30.82 //减速比
#define PULSE_PER_CIRCLE (s32)(WHEEL_POLAR_NUM * WHEEL_PPR * GERA_RATIO) //493.12 一圈理论的脉冲数

转速&＃xff11;获取

static void updateLeftEncoder(void)
{
TMopMotor left_mop;
getMopMotorInfor(&left_mop);
if(g_encoder.left_first_measure_flag &＃61;&＃61; FALSE)
{
g_encoder.left_encoder &＃61; (int16_t) ENCODER_LEFT_TIMER->CNT;
g_encoder.left_encoder_delta &＃61; g_encoder.left_encoder - g_encoder.last_left_encoder ;

// Counter down, the pulse decrease

g_encoder.last_left_encoder &＃61; g_encoder.left_encoder;
g_encoder.left_speed &＃61; (s32)g_encoder.left_encoder_delta * ENCODER_UPDATE_FREQUENCY;
g_encoder.left_rpm &＃61; g_encoder.left_speed * 60 / PULSE_PER_CIRCLE ;
g_encoder.left_encoder_sum &＃43;&＃61; g_encoder.left_encoder_delta;
}
else
{
g_encoder.left_first_measure_flag &＃61; FALSE;
g_encoder.left_encoder &＃61; 0;
g_encoder.last_left_encoder &＃61; g_encoder.left_encoder;
g_encoder.left_encoder_delta &＃61; g_encoder.left_encoder - g_encoder.last_left_encoder;
g_encoder.left_encoder_sum &＃61; g_encoder.left_encoder;
g_encoder.left_encoder_overflow &＃61; 0;
g_encoder.left_speed &＃61; 0;

ENCODER_LEFT_TIMER->CNT &＃61; g_encoder.left_encoder;
}
}

转速&＃xff12;获取

static void updateRightEncoder(void)
{
TMopMotor right_mop;
getMopMotorInfor(&right_mop);
if(g_encoder.right_first_measure_flag &＃61;&＃61; FALSE)
{
g_encoder.right_encoder &＃61; ENCODER_RIGHT_TIMER->CNT;

g_encoder.right_encoder_delta &＃61; (g_encoder.right_encoder - g_encoder.last_right_encoder);

// Counter down, the pulse decrease
g_encoder.last_right_encoder &＃61; g_encoder.right_encoder;
g_encoder.right_speed &＃61; (s32)g_encoder.right_encoder_delta * ENCODER_UPDATE_FREQUENCY;
g_encoder.right_rpm &＃61; g_encoder.right_speed * 60 / PULSE_PER_CIRCLE ;
g_encoder.right_encoder_sum &＃43;&＃61; g_encoder.right_encoder_delta;

}
else
{
g_encoder.right_first_measure_flag &＃61; FALSE;
g_encoder.right_encoder &＃61; 0;
g_encoder.last_right_encoder &＃61; g_encoder.right_encoder;
g_encoder.right_encoder_delta &＃61; g_encoder.right_encoder - g_encoder.last_right_encoder;
g_encoder.right_encoder_sum &＃61; g_encoder.right_encoder;
g_encoder.right_encoder_overflow &＃61; 0;
g_encoder.right_speed &＃61; 0;

ENCODER_RIGHT_TIMER->CNT &＃61; g_encoder.right_encoder;
}

四、PID调节

实际最终的PID参数需根据实际项目进行调整&＃xff0c;已确保响应快、抗干扰能力强。

1&＃xff0e;PID调试一般原则

a.在输出不振荡时&＃xff0c;增大比例增益P。
b.在输出不振荡时&＃xff0c;减小积分时间常数Ti。
c.在输出不振荡时&＃xff0c;增大微分时间常数Td。

2&＃xff0e;一般步骤

a.确定比例增益P
　　确定比例增益P 时&＃xff0c;首先去掉PID的积分项和微分项&＃xff0c;一般是令Ti&＃61;0、Td&＃61;0&＃xff08;具体见PID的参数设定说明&＃xff09;&＃xff0c;使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%~70%&＃xff0c;由0逐渐加大比例增益P&＃xff0c;直至系统出现振荡&＃xff1b;再反过来&＃xff0c;从此时的比例增益P逐渐减小&＃xff0c;直至系统振荡消失&＃xff0c;记录此时的比例增益P&＃xff0c;设定PID的比例增益P为当前值的60%~70%。比例增益P调试完成。

b.确定积分时间常数Ti
　　比例增益P确定后&＃xff0c;设定一个较大的积分时间常数Ti的初值&＃xff0c;然后逐渐减小Ti&＃xff0c;直至系统出现振荡&＃xff0c;之后在反过来&＃xff0c;逐渐加大Ti&＃xff0c;直至系统振荡消失。记录此时的Ti&＃xff0c;设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%~180%。积分时间常数Ti调试完成。

c.确定积分时间常数Td
　　积分时间常数Td一般不用设定&＃xff0c;为0即可。若要设定&＃xff0c;与确定 P和Ti的方法相同&＃xff0c;取不振荡时的30%。

d.系统空载、带载联调&＃xff0c;再对PID参数进行微调&＃xff0c;直至满足要求