DIY有刷直流伺服电机驱动器，分享PID调试心得
几年前就想做的许多东西，由于发生了很多事给耽误了，以为要烂在自己的大脑里了。最近因伤休息在家中，除了有的是时间外什么都没有了，百无聊赖之际，为了不让自己胡思乱想，于是动手做了这个东东，正好利用上这几年陆续购买来吃灰的元器件。一个多月前在嘉立创打好了板子。寄过来的板子用一个精美的盒子装的很好，而且每块板之间都隔了小纸片，应该是防止丝印粘连吧，感觉比起四年前好多了。按时间算，我也算嘉立创的老客户了，能感觉到嘉立创在不断进步，给人一种正能量……
废话不多说了，先上图，太晚了明天和大家分享怎么调PID吧：
先沙发再看 指标看起来不错 MARK一下，等着看调试 占位,等待后续... DSP28027、33 、16做的？{:shocked:}{:shocked:} 对这方面我还不懂，学习学习！ 本帖最后由 hadio 于 2013-12-20 13:01 编辑
继续昨天的话题，开始调试之前先介绍驱动器的基本情况：
驱动器硬件设计上采用H桥驱动，适用的电机类型有：有刷直流伺服电机，空心杯电机，力矩电机，音圈电机，振镜电机等。
驱动器在经典PID算法的基础上，引入了速度前馈和加速度前馈算法，具有更优的跟随性能。同时，引入了数字滤波算法，支持低通滤波器和陷波滤波器，有效抑制电机运行时的噪音以及抑制机械设计缺陷造成的共振。
内建梯形加减速和S型加减速算法，并且能根据加速度、行程等参数自动调整最高速度，具有在线自动调整加减速曲线的功能。通讯上采用RS485总线，Modbus-RTU协议，最多支持247轴分布式控制，支持3轴联动同步运动。
另外，为兼容步进电机的控制方式，支持脉冲/方向控制、正脉冲/反脉冲控制。在没有编码器的情况下，仍可使用开环PWM/方向调速(PWM占空比1%~99%对应转速，方向信号决定转向)，或者单线PWM调速(占空比50%停止，1%反向最快，99%正向最快)。
----------------------------------------------------------分-----------割-----------线--------------------------------------------------------------------------------------------
为了让PID调试更轻松，驱动器设计为只需调试位置环和速度环参数，需要调节的参数有：比例增益Kp，微分增益Kd，积分增益Ki，速度前馈增益Kvff，加速前馈增益Kaff，滤波器频率，滤波深度等。
调试的顺序是：Kp ---> Kd ---> Kvff ----> Kaff ---> Ki ----> FFT分析并滤波
用于测试的电机是淘来的日本二手直流伺服电机，功率60W, 空载转速3800转/分，编码器1000线。忘了说驱动器功率了，最高150W。供电电压12V~40V, 更换个别元件可达55V。连续电流3A， 峰值电流6A。
下图是开始调试前的样子：
调试前先把以上提到的参数清零。调试时要胆大心细，不要怕损坏驱动器或电机，硬件软件设计好了没有那么娇贵。
为了兼顾算法的精度和速度，驱动器PID参数内部采用了定点数的方式，所以它们在使用时全部采用整型变量。取值范围：0~65535.
另外，PID各个参数是相辅相成，甚至是相互矛盾的，调试顺序在上述的基础上，可能会相互交叉。
先从比例增益Kp开始，Kp决定了系统的刚性，Kp越大，刚性越强。先设置Kp=100, 见下图：
上图中明显看出，Kp太小，刚性严重不足，设置Kp=1000看看，见下图：
上图可见，实际速度大约从15ms处才开始响应，刚性还是不足，这次Kp再猛一点，设置Kp=10000，见下图：
上图中，实际速度大约从8ms处有响应，而且实际速度曲线开始围绕指令速度曲线两侧，Kp值有点靠谱了，这次设置Kp=20000，见下图：
本帖最后由 SMC 于 2013-12-20 13:56 编辑
赶上大师直播了。
没有从零毫秒开始响应是不是静态摩擦导致的？
上图中，速度响应没啥改善，曲线反而更发散了，发散意味着不稳定，这时要微分增益Kd来帮忙了。
Kd主要起阻尼作用，对响应曲线产生平滑的效果，但是太大又会产生高频振荡。
先设置Kd=100，见下图：
不错，请继续 上图可见，Kd太小了，曲线几乎没啥改善，现在增加个数量级看看，设置Kd=1000，见下图：
上图中，速度曲线好多了，但是左边10ms到30ms段仍可看出曲线不够平滑，这次设置Kd=2000，见下图：
上图中，速度曲线已经比较平滑了，再微调一下Kd看看有没改善，这次设置Kd=2500， 见下图：
LZ签名中的“机器视觉系统”是指什么？ 不错，继续关注！ 支持楼主，请问你这个外壳是自己设计的吗 上图中，Kd已经很理想了，速度曲线很平滑。但是，可以看出速度曲线和位置曲线均有明显的跟随误差。这是经典PID算法不可避免的。
PID算法中，总是先检测到偏差，再根据偏差进行调节输出，所以输出总是滞后于输入的。这个是产生跟随误差的根本原因。
这时就有了引入速度前馈增益Kvff的方法，来改善跟随性能。另外，前馈环节总是基于系统模型的，因此抗干扰能力不好，Kvff也不能设置太大。
形象地说，Kvff和Kd就像一对难兄难弟，Kvff是老大，Kd是老二，两人一起推个车子，老大在后面推着前进，老二在前面推着刹车。老大稍微比老二出力大，车子就稳稳的向前推进了。
基于上述的说法，Kvff几乎不用调试了，调好Kd后，直接设置Kvff为比Kd稍大点的值就OK了，为了验证这个想法，前面我们设置的Kd=2500，现在，我们设置Kvff=2550看看，见下图：
上图中，系统的跟随性能有了很大的改善，对于点到点的应用来说，已经可以了。其实还可以做得更好。
仔细看，实际速度曲线在大约5ms处，才开始响应，这个是由于Kd的原因损失了部分刚性，前面提到，各个参数可能要交叉进行调试，
之前，Kp=20000, 现在我们进一步提高Kp， 这次，设置Kp=40000, 见下图：
到上图为止，速度曲线和位置曲线都吻合得很好了。但是，还有加速度前馈、积分增益、滤波器没调呢!
发帖真累啊，先休息一个小时，等下继续>>> 本帖最后由 SMC 于 2013-12-20 15:00 编辑
hadio 发表于 2013-12-20 14:52
到上图为止，速度曲线和位置曲线都吻合得很好了。但是，还有加速度前馈、积分增益、滤波器没调呢!
发帖真累 ...
请教个问题啊，您发的是渐变的设定值，但阶跃响应这种突变的设定值的速度前馈怎么处理呢？
对了，楼主能否提供下电机的电感，线圈电阻，转动惯量大概值，以及允许的最大电流吗？我想软件仿真，然后和你的实际曲线进行对比。 楼主电机是多大功率的，供电电压和额定转速是多少？ 坐等大神更新！ perfect！赶上直播了，坐等更新。 哇，直播。
接着上面的话题，刚才已经调试好了Kp，Kd，Kvff，下面开始调加速度前馈Kaff。
Kaff要解决的是系统惯量匹配的问题，因此有电子惯量之称。遗憾的是：现在是空载测试惯量太小，Kaff不需要调试。
下面进入滤波器调试，由于共振的情况没有出现，陷波滤波器也没能派上用场。只能调试低通滤波器了。
形象地说，低通滤波器就像是用化疗治癌症，在杀死癌细胞的同时，也可能会误伤一些正常的细胞。
低通滤波器用于过滤高频谐波，高频谐波是电机运动产生噪音的原因之一。
太低的截止频率和太深的滤波深度会滤掉一些有用的频率分量，导致系统的响应产生滞后。
因此，在满足系统性能要求的前提下，尽量避免用低通滤波器。
以下是没有低通滤波器的FFT频谱以及电流波形：
下面是设置了低通滤波器，截止频率=500Hz，滤波深度=10dB
波形如下：
此时，电机运行的噪音已经有所降低，再回头看看速度曲线和位置曲线是否受到影响，如下图：
上图可见，低通滤波器几乎没有降低系统的性能。至此，闭环调试完成。 在设置好低通滤波后，重新采样的FFT波形和电流波形，注意看，此时显示“滤波前-CH0"的曲线，实际已经是滤波后的波形，如下图：
还有一个积分增益Ki，差点给忘了，刚才调好动态响应后，还要观察稳态是否有误差。除非前面几个参数调得天衣无缝，一般情况下，是会有稳态误差出现的，因此，要设置Ki消除稳态误差，Ki越大，稳态误差消除得越快，但是越容易产生振动。
下图是Ki=0时，电机走8000counts后，位置波形的局部放大图，可见有 2 count的稳态误差，如果不消除掉，多次运动后可能会累积，导致偏差越来越大。
经过测试，设置Ki=20000, 稳态误差消除得足够快，而且也不会导致振荡。如下局部图，到位后实际位置与指令位置曲线完全重合：
可否给个阶跃响应的曲线啊... SMC 发表于 2013-12-20 13:52
赶上大师直播了。
没有从零毫秒开始响应是不是静态摩擦导致的？
静态摩擦是导致没有从零毫秒开始响应的原因之一，但是，补偿了静态摩擦后，稳态时容易产生微震，参数的适应性不好。 fengyunyu 发表于 2013-12-20 14:17
LZ签名中的“机器视觉系统”是指什么？
英文叫machine vision system, 这是国际通用的叫法，国内还有叫图像识别的。
机器视觉系统通常有两种：
一种是基于PC机的方案：采集卡+模拟相机+PC机器视觉软件，或数字相机+PC机器视觉软件，在此基础上进行二次开发；
另一种是嵌入式的方案：智能数字相机内嵌机器视觉软件，这种方案通常是专用的，价格较贵，可以方便地与PLC接口。
我主要擅长的是基于PC机的机器视觉系统二次开发，可以根据用户的需求定制人机交互界面。 本帖最后由 SMC 于 2013-12-20 18:36 编辑
hadio 发表于 2013-12-20 18:18
静态摩擦是导致没有从零毫秒开始响应的原因之一，但是，补偿了静态摩擦后，稳态时容易产生微震，参数的适 ...
楼主，你再弄个SMC的做下对比呗...
据说SMC对系统参数变化的敏感性很低，PID对参数变化还是有些敏感的。 外壳哪来的？ 很牛啊楼主 SMC 发表于 2013-12-20 14:56
请教个问题啊，您发的是渐变的设定值，但阶跃响应这种突变的设定值的速度前馈怎么处理呢？
对了，楼主能 ...
速度阶跃响应一般用于单独调试Kp参数，这种方法比较抽象，对驱动器使用者来说不好解释；
在实际的系统中，是不允许出现速度阶跃的情况的，因此不存在速度阶跃响应下的速度前馈的问题。 谢谢楼主提供如此详细的指导，请教一下：
在调参数的时候电机应该空转还是应该带着负载？
wtliu 发表于 2013-12-20 14:56
楼主电机是多大功率的，供电电压和额定转速是多少？
电机的铭牌上只标了额定功率60W, 编码器1000线， 没标供电电压和额定转速。
我使用36V供电，闭环控制下最高转速3750转/分仍有余量，编码器倍频后为4000counts/圈，实际运行动态最大跟踪误差土25 counts，最大超调量土10counts， 停止时电机无静差。
如下图，250 counts/ms = 250 * 1000 * 60 / 4000 = 3750 转/分
左边是波形，右边是脱机运行的测试程序：
urill 发表于 2013-12-20 21:06
谢谢楼主提供如此详细的指导，请教一下：
在调参数的时候电机应该空转还是应该带着负载？
在不太熟悉的情况下，建议先空载调试，以免损坏机械部件。可以当做是粗调；
但是，最后一定要在带载的情况下细调，因为PID参数是跟具体的系统对应的。 太强了。绝对是超级精华帖啊~~
跟着楼主学习，如果有套件可以买一套跟着来做，那就更好了 留个脚印，慢慢看 楼主好强，向LZ学习只是焊工还得加强啊 楼主的算法只需再加一个软件模块就可以将多数性能指标提高30%效果，个别指标至少可以提高100%。 太牛了，支持楼主出套件来卖。 SMC 发表于 2013-12-22 00:07
楼主的算法只需再加一个软件模块就可以将多数性能指标提高30%效果，个别指标至少可以提高100%。 ...
谢谢支持，你说的软件模块是指什么呢？ 刚刚做了个简短的视频，演示Modbus-RTU控制两轴联动，即两轴同时启动，同时到达指定位置。
当两个轴的特性调到基本一致时，可以达到直线插补的效果。
在PC机的测试软件中，采用随机函数产生随机的速度、随机的方向、随机的运动步数，
以下是视频链接：
Modbus-RTU控制两轴联动 支持楼主出套件 大神阿！ hadio 发表于 2013-12-20 13:29
上图中明显看出，Kp太小，刚性严重不足，设置Kp=1000看看，见下图：
请问这个仿真软件是什么软件，我也打算仿真 坐下。最近在调职能车的舵机、 煮酒fu 发表于 2013-12-24 22:27
请问这个仿真软件是什么软件，我也打算仿真 坐下。最近在调职能车的舵机、 ...
这个不是仿真软件。是我专门为这款驱动器设计的调试软件，用VC编的。 hadio 发表于 2013-12-24 23:57
这个不是仿真软件。是我专门为这款驱动器设计的调试软件，用VC编的。
牛人，我服了！ Kvff 怎么添加到系统中?是速度环中
Output = Kp*error + Ki*I + Kd*D + Kvff*目标速度
吗？Kaff呢？预计负载的前馈增益呢?
怎么确定参数的数量级?是先用float测出大概的kp数量级，再换成int么?
低通滤波部分完全不懂，是硬件还是软件实现?对于pwm方式调速适用吗?
pwm调速是非线性的，速度环直接输出pwm占空比是否有不妥?是否需要建立空载实际转速和pwm占空比的对应表?
小白刚刚开始自己实践电机控制程序，问题比较多，望楼主解答{:smile:}
urill 发表于 2013-12-26 00:17
Kvff 怎么添加到系统中?是速度环中
吗？Kaff呢？预计负载的前馈增益呢?
第一个问题你的方法是对的；
参数数量级是调试时确定的；
滤波器建议先找本理论书籍补一下，三言两言说不清；
PWM建立对应表理论上效果更好，实际上通常采用电流环PI来补偿非线性问题。 好帖，标记一下！ 牛逼了，有了这样的调试软件，看来开发轻松不少 hadio 发表于 2013-12-26 04:19
第一个问题你的方法是对的；
参数数量级是调试时确定的；
滤波器建议先找本理论书籍补一下，三言两言说不 ...
直流有刷电机在有比较大的负载情况下如何才能精确停住呢？ 不需要电磁刹车之类的辅助刹车 keshipt 发表于 2013-12-27 14:30
直流有刷电机在有比较大的负载情况下如何才能精确停住呢？ 不需要电磁刹车之类的辅助刹车 ...
负载基本恒定的情况下，当PID参数调试好后，是可以精确停住的，
PID的输出会自动进行再生制动。 太强大了，我最近在搞直流伺服，从头开始，难度不小。想问下楼主的学习历程，我想一步一步走下去 强烈建议楼主出套件哈 gallop020142 发表于 2014-1-6 20:17
强烈建议楼主出套件哈
谢谢大家的建议，其实我也有打算出套件或做成产品，只是现在很穷，不夸张地说连饭钱都没有，还借了一身债。
现在在家里啃老，近半年内不方便出门，我现在的愿望是能找一份在家做的临时工作… 出套件开始团购 楼主，你的PID运算时间多长时间进行一次？我发现如果运算时间过短，那么通过码盘读取速度会不准确（运算间隔内码盘一个缝隙还没走完），特别是以20KHz频率进行PID控制调节时这个问题特别突出，根本就读取不到速度。 来看看学习学习 bruce_helen 发表于 2014-1-7 07:19
楼主，你的PID运算时间多长时间进行一次？我发现如果运算时间过短，那么通过码盘读取速度会不准确（运算间 ...
是的 我也有类似的经历 怎么解决呢？ bruce_helen 发表于 2014-1-7 07:19
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是的，我的伺服刷新频率是10KHz，低速低于10计数/毫秒时确实有轻微抖动，有点像步进电机的感觉，但不明显。采用高分辨率的编码器会好许多。 真不错，可以出套件赚钱了。 老早就想DIY了，有时间也来一个，这PID与四轴的PID是不差不多呢？ 出个套件，大家学习学习。你也可以不出家门赚点小钱。 牛人。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 牛人啊，真是牛逼！ 之前共焊了5块板，给了做电机的朋友1块测试，自留1块，还有3块焊好的板子，350一块有人要吗？ 无外壳，提供PDF格式原理图和调试软件，使用说明书。 mark一把，很有用的说。 有刷直流伺服电机驱动器 hadio 发表于 2014-1-8 17:31
之前共焊了5块板，给了做电机的朋友1块测试，自留1块，还有3块焊好的板子，350一块有人要吗？ 无外壳，提供 ...
基于什么主控,好像没有电流采样? 老蔡6198 发表于 2014-1-8 21:01
基于什么主控,好像没有电流采样?
主控STM32，IPM自带电流釆样电路。 hadio 发表于 2014-1-8 23:35
主控STM32，IPM自带电流釆样电路。
用IPM成本高了些,又不好调整 老蔡6198 发表于 2014-1-8 23:38
用IPM成本高了些,又不好调整
IPM是成本高些，但内置各种保护功能，要做稳定也相对容易些，
分立元件的版本我也有的成熟方案，
如果谁有需要的话，我也可以给大家定制MOSFET分立元件制作的驱动器。 hadio 发表于 2014-1-6 23:34
谢谢大家的建议，其实我也有打算出套件或做成产品，只是现在很穷，不夸张地说连饭钱都没有，还借了一身债 ...
LZ 发生什么事情呢了 ？
我看你最新发的的那个帖子了，不瞒你说，我也有蛮多白头发的（89的）。。。
coding 收藏了 crazydtone 发表于 2014-1-9 17:38
LZ 发生什么事情呢了 ？
我看你最新发的的那个帖子了，不瞒你说，我也有蛮多白头发的（89的）。。。
谢谢你的关心！
头发白了1/3有点夸张了，可能没那么多，你也保重身体啊~
祝你身体健康，生活愉快！
hadio 发表于 2014-1-9 21:56
谢谢你的关心！
头发白了1/3有点夸张了，可能没那么多，你也保重身体啊~
祝你身体健康，生活愉快！
楼主，外壳在哪搞的？ James_King 发表于 2014-1-10 14:59
楼主，外壳在哪搞的？
咋这么多人问外壳哪来的呢，多去电子市场逛逛，你会发现有很多的 能提供评估版代码不？ 能提供评估版代码不？有代码的话，我要一个板子 提供代码不？有代码的话我要一个板子 用手机发帖真不爽，不知不觉连续发了三贴 好文章，电话交流过，谢谢{:smile:} weichao4808335 发表于 2014-1-10 20:24
能提供评估版代码不？有代码的话，我要一个板子
之前是考虑把这个做成产品的，里面已经实现了产品所需的所有功能，部分代码暂时不便公开，
后续我会考虑出评估版，请继续关注！谢谢！ {:funk:}{:funk:}
好厉害的样子，mark一下 楼主有那么牛叉的技术，完全可以考虑将其转化为生产力啊，顶一下！ mark学习一下 学习楼主， 楼主有前馈控制方面的资料吗？