一文看懂舵机硬件pid电路原理

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描述

  舵机概要

  小车转向的控制机构。也就是控制小车的转向。它的特点是结构紧凑、易安装调试、控制简单、大扭力、成本较低等。舵机的主要性能取决于最大力矩和工作速度(一般是以秒/60°为单位)。它是一种位置伺服的驱动器,适用于那些需要角度不断变化并能够保持的控制系统。在机器人的控制系统中,舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机能够在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构,其简单的控制和输出值得单片机系统很容易与之接口。

  舵机组成和工作原理

  组成:舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路等

  工作原理:控制信号→控制电路板→电机转动→齿轮组减速→舵盘转动→位置反馈电位计→控制电路板反馈。

  输入线:中间红色——电源线Vcc;黑色——地线GND;白色/橘黄色——控制信号线

舵机

  信号:pwm信号,其中脉冲宽度从0.5-2.5ms(周期为20ms),相对应的舵盘位置为0-180度,呈线性变化。

  pwm波脉冲宽度与舵机转角角度的关系:

舵机

  也就是不同脉冲宽度的pwm波,舵机将输出不同的轴转角。所以要控制小车的转角,我们就要控制输出不同脉冲宽度的pwm波。

  PWM:脉冲宽度调制

  原理:对电路元件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等的脉冲。猪八戒的耙子就可以看似脉冲宽度相等的pwm波形。那不相等的呢,可以把一排身高相等但胖瘦不同的人排排站看做脉冲宽度不相等的pwm波形。

  比如这里有一个简单的电路:

舵机

  我们以5s为一个周期,在每一个5s内,前3s开关打开,后2s开关闭合,则ab端电压将会这样变化:

舵机

  (对电路元件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等的脉冲。)

  (在这个例子中,输入信号脉冲宽度为3s,周期为5s。)

  重复一下:所以要控制小车的转角,我们就要控制输出不同脉冲宽度的pwm波。

  还有一个新的概念——占空比。

  占空比:在周期型的现象中,某种现象发生后持续的时间与总时间的比

  例如,在成语中有句话:「三天打渔,两天晒网」,如果以三天为一个周期,“打渔”的占空比则为三分之一。(这一行和上一行摘自百度百科,版权归百度百科。)

  因为感觉这个成语说得很对,就拿来它做例子,根据这个成语,大家也应该懂占空比的意思了(所以上图简单的电路,它的占空比应该是3/5)。

  PID控制:一种调节器控制规律为比例、积分、微分的控制。其中:P:比例(proportion)、I:积分(integral)、D:导数(derivative)

舵机

  式子中Kp为比例系数,Ti为积分时间参数,Td为微分时间常数。

  各个参数的意义作用:

  Kp:比例系数。一般增大比例系数,将加快系统的响应。

  Ti:积分时间常数。一般地,积分控制通常与比例控制或比例微分控制联合使用,构成PI或PID控制.增大积分时间常数(积分变弱)有利于小超调,减小振荡,使系统更稳定,但同时要延长系统消除静差的时间.积分时间常数太小会降低系统的稳定性,增大系统的振荡次数.

  Td:微分时间常数。一般微分控制和比例控制和比例积分控制联合使用,组成PD或PID控制,微分控制可改善系统的动态特性。

  PID的控制方法

  1.增量式PID

  所谓的增量,就是本次控制量和上次控制量的差值。增量式PID是一种对控制量的增量进行PID控制的一种控制算法。

  公式:

舵机

  (说明:Kp-》P,Ki-》I,Kd-》D,e数组-》error数组,

  e[n]-》本次差值,e[n-1]-》上次差值,e[n-2]-》上上次差值)

  举个例子,增量式PID可以应用在电机上。

  假设当前电机PID的pwm值为5000(精度为10000,即此时的占空比为50%)。对应的速度为100r/s。

  程序发出一个命令,要求pwm输出为0,即要求停车。(可能有人有疑问为什么不直接程序给pwm为0,这也是一种方法,可是由于惯性的存在,小车会在一段时间后才停下。)

  这时,我们可以采用PID控制的方法来实现。

  我们在程序中定义几个变量:

  intspeed_now=100;//此刻的速度

  intspeed_want=0;//期望输出的速度

  intpwm_duty=0;//本次pwm输出值

  floatP=100,I=20,D=2;//PID数值

  floaterror_pre_pre=0;//上上次差值

  floaterror_pre=0.0;//上次差值

  floaterror=0.0;//本次差值

  根据公式,我们编写程序:

  voidPID()

  {

  /*

  增量式PID

  P=Kp*(error-error_pre);

  D=Kd*(error-2*error_pre+error_pre_pre);

  I=Ki*error;

  Pwm+=P+I+D;

  */

  error=speed_want-speed_now;//speed_now可以通过编码器采值等等方式得到

  pwm_duty+=(int)(P*(error-error_pre)+I*error+D*(error-2*error_pre+error_pre_pre));

  //注意上面的加号,加号是增量式PID的体现。我们对增量(即右边的式子)进行PID控制。

  error_pre_pre=error_pre;

  error_pre=error;

  }

  当函数运行第一次的时候,输出的pwm为:

  电机给了一个反转的力,小车前进受到了阻力,于是可以很快的停下来了。

  增量式PID的优缺点:

  优:

  ①算式中不需要累加。控制增量Δu(k)的确定仅与最近3次的采样值有关,容易通过加权处理获得比较好的控制效果;

  ②计算机每次只输出控制增量,即对应执行机构位置的变化量,故机器发生故障时影响范围小、不会严重影响生产过程;

  ③手动—自动切换时冲击小。当控制从手动向自动切换时,可以作到无扰动切换。

  缺:需要对控制量进行记忆。

  2.位置式PID

  与增量式不同,位置式PID不需要对控制量进行记忆,直接对偏差值进行计算得出期望的pwm。

舵机

  公式:

舵机

  举个例子,位置式PID可以应用在舵机上。因为舵机本次的pwm输出值与上次pwm输出值关系不太,舵机需要的是快速转到某个角度。

  假设舵机pwm输出1000时舵盘转轴为90°,pwm输出0时舵盘转轴为0°,pwm输出2000时舵盘转轴为180°。

  现在舵机pwm输出为1500,我们要让舵盘转到最中间。

  在这里我们采用PD控制,即I值为0(I值为偏差的积分,即对偏差求和。我们当时试验小车的舵机控制时发现I值可以省略,PD控制足矣。当然,具体需不需要I项要在实际中进行分析验证)。

  代码:

 舵机

  其他:

  反馈系统:

舵机

  舵机用PID控制是使小车保持在赛道中央,即偏移距离为0.根据传感器反馈过来的偏移距离用PID计算出给舵机的脉宽,这样就会使小车的偏移距离为0。在飞思卡尔智能车项目里面,我们就会用到PID算法,比如车爬坡和平底连续拐弯时。

  PID算法的应用基础最开始是对PCB板上的运放的PID参数就行调校。P对应于运放增益;I是运放输入和输出端之间接一个电容引入反馈,就是控制器的输出和输入误差会累积起来影响输出;D就是运放输入端串接一个电容,起的微分作用是阻止输出与输入误差的变化,结合示波器来观察控制电机的PID参数设定。

  PID一般有两种:位置式PID和增量式PID。在小车中一般用增量式。因为位置式PID的输出与过去的所有状态有关,计算时要对e(每一次的控制误差)进行累加,这个计算量非常大,而且没有必要。而且小车的PID控制器的输出并不是绝对数值,而是要一个△,代表增多少,减多少。通过增量PID算法,每次输出是PWM要增加多少或者减少多少,而不是PWM的实际值。

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