上一步初步尝试了PID调速，使得我可以控制行动的速度，做到收放自如，但由于对 PID 调速掌握的比较肤浅，加之对自己身体的性能把握不准，导致调速效果不是很理想。因为 PID 的参数必须和我的身体素质相匹配，才能发挥到最好。
虽说 PID 调速不是本次习武的主题，但调速性能的好坏直接影响到我日后执行任务的能力，所以还是专门花点时间探究一下我的身体素质，尽量能使 PID 这一经典“武功”可以在我身上达到最佳的效果。
10.1 自我“体检”
“PWM调速”是直流电机控制的常用的“俗语”。
为什么说是“俗语”而非“术语”，因为这个表述不准确，正确的表述应该是“PWM调功”，也就是通过调节电机供电的占空比，改变供给电机的平均功率，但这不一定能改变电机的速度。
当电机负载较轻时，PWM 不到100% 就可以让电机达到最快转速，之后 PWM 的改变就不再影响电机速度了（这个概念还是在玩 LEGO 时看到的，LEGO 的 RCX 只能通过 PWM 改变电机速度，所以有时需要额外增加阻力以使得转速可以随 PWM 的变化而变化）。
为了验证这个描述，同时也算是对我的体质做一个检测，用 Processing 做了一个测试程序，通过通讯命令实现 PWM 从 100% 到 0% 扫描，记录速度随 PWM 的变化曲线。
同时，尝试在不同的 PWM 的频率下，我的速度随 PWM 变化的性能会如何？为更好的实现 PID 调速打下基础。
这次尝到了自己掌控测试程序的好处了，可以随时按照需要实现方便、直观的测试。
基本控制方式构思为：
以我的 20ms 速度输出作为 Processing 程序控制的计时依据，从 PWM100% 开始，持续接收 75 次速度数据（20*75 = 1500ms），确保转速达到最快值；之后每接收 15 个速度数据 PWM 减少 5%，直到 0%。记录上述过程的速度和对应的PWM值，谱出变化曲线。
为了保证 PWM 扫描过程的通讯计数不失步，这个过程 Processing 程序不执行 draw（）循环，不刷新显示，扫描结束后在恢复显示（具体实现见Processing程序）。
修改我的STM32程序中的 PWM 频率，分别测试以下频率的“PWM-速度”关联曲线：
60kHz， 40Khz， 20kHz， 10kHz， 5Khz
先看一下用所编写的 Processing 程序所记录的曲线（测试方式为单轮转动，我原地打转，基本和实际的工况等效）：
从上图可以看出，在 60kHz 的 PWM 频率下，PWM 降低到 50% 速度才开始变化，而且之后的变化也不线性，有效的 PWM 调速范围只有 50% - 25%。
这是 40kHz 下的变化曲线，PWM 降低到 60% 速度才开始变化，后面还算比较线性，有效的 PWM 调节范围60% - 5%，有 55% 调节空间。目前就是这个频率，所以还勉强可以实现 PID 调速。
频率降低到 20kHz，速度开始变化的 PWM 约为 75%，但到 5% 电机就不转了。
PWM 频率再下调到 10kHz，PWM 到85% 速度开始变化，到 10% 电机不转。从下面的放大图观察开始变化点的位置：
从图中可以看出，85% 之后的速度随 PWM 变化还算是线性，有效的调节范围接近 75%。
当频率降低到5kHz 时，PWM 到 15% 就无法驱动电机了；开始变化点提升到 95%：
从以上测试结果看，如果从调速的角度考虑，并不是 PWM 频率越高越好，至少我的体质如此。但这并不是说前面所下的“PWM频率越高越好”的结论是错的，从电机续流角度考虑，仍是正确的！
可从调速角度考虑，电机断流使电机短时间失去动力，从而引起速度变化，这反而对调速是好事了。
从上面的测试还可以发现：PWM 频率并非一味降低就好，需要和我的特性相配才行。
10.2 改善“体质”
综合上述测试结果，想要实现最佳的调速性能，应该是在 PWM 高时使用较低的 PWM 频率，而 PWM 值较低时使用较高的 PWM 频率。
可我目前的身体是两个轮子使用同一个定时器，无法实现不同频率的硬件 PWM 输出了，看来以后如果要达到最佳效果，最好是一个电机对应一个定时器。
不过打算采用变通的方式：只有一个轮子在转动时，根据转动轮子的 PWM 值设定 PWM 频率，如两轮都在转，则取两轮 PWM 的平均值作为设定 PWM 频率的依据。不知道这样处理的效果如何。
初步确定将PWM分为3段：
75% - 100%，使用5kHz PWM频率；
25% - 75%， 使用 10KHz PWM频率；
0% - 25%， 使用 20kHz PWM频率；
在每次刷新 PWM 时，同时刷新定时器的重加载值。
修改电机驱动函数 BSP_DriveMotor（），将一次驱动一个轮子，改为同时控制两个轮子，正好改进两轮控制的同步性。
初始 PWM 值均按 5kHz，在 BSP_DriveMotor（）函数中根据 PWM 的占空比作相应修改，并刷新定时器的重新加载值和比较值。
我大脑中的程序修改后测试效果如下：
从速度变化曲线上看，在 25% 那个切换点有点不连续，看来从 10kHz 变化到 20kHz 驱动功率变化偏大，所以改为4段控制，即：
75% - 100%，使用 5kHz PWM频率；
50% - 75%， 使用 10KHz PWM频率；
25% - 50%， 使用 15KHz PWM频率；
0% - 25%， 使用 20kHz PWM频率；
修改后测试的结果改善了很多：
从上图看，速度随 PWM 的变化已经比较满意了。这样处理后，PWM 有效的调节范围扩大到接近 90%，这对实现 PID 调速应该很有益处：一个近似线性的系统是最佳的调节对象！
原来的电机驱动函数如下：
void BSP_DriveMotor (INT8U u8MotorFlag, INT8U u8MotorStat,INT16U u16PwmVal)
{
switch (u8MotorStat)
{
case FORWARD:
{
if(u8MotorFlag == LEFT_MOTOR)
{
GPIO_SetBits(GPIOA, BSP_GPIOA_CTRL_L2);
GPIO_ResetBits(GPIOA, BSP_GPIOA_CTRL_L3);
}
else
{
GPIO_SetBits(GPIOC, BSP_GPIOC_CTRL_R2);
GPIO_ResetBits(GPIOC, BSP_GPIOC_CTRL_R3);
}
break;
}
case BACKWARD:
{
if(u8MotorFlag == LEFT_MOTOR)
{
GPIO_ResetBits(GPIOA, BSP_GPIOA_CTRL_L2);
GPIO_SetBits(GPIOA, BSP_GPIOA_CTRL_L3);
}
else
{
GPIO_ResetBits(GPIOC, BSP_GPIOC_CTRL_R2);
GPIO_SetBits(GPIOC, BSP_GPIOC_CTRL_R3);
}
break;
}
case BRAKE:
{
if(u8MotorFlag == LEFT_MOTOR)
{
GPIO_ResetBits(GPIOA, BSP_GPIOA_CTRL_L2);
GPIO_ResetBits(GPIOA, BSP_GPIOA_CTRL_L3);
}
else
{
GPIO_ResetBits(GPIOC, BSP_GPIOC_CTRL_R2);
GPIO_ResetBits(GPIOC, BSP_GPIOC_CTRL_R3);
}
break;
}
case FLOAT:
{
// 必须保证 PWM 输出无效！（0）
if(u8MotorFlag == LEFT_MOTOR)
{
GPIO_SetBits(GPIOA, BSP_GPIOA_CTRL_L2);
GPIO_SetBits(GPIOA, BSP_GPIOA_CTRL_L3);
}
else
{
GPIO_SetBits(GPIOC, BSP_GPIOC_CTRL_R2);
GPIO_SetBits(GPIOC, BSP_GPIOC_CTRL_R3);
}
break;
}
default: break;
}
if(u8MotorFlag == LEFT_MOTOR)
{
TIM_SetCompare3(TIM2, u16PwmVal);
}
else
{
TIM_SetCompare4(TIM2, u16PwmVal);
}
}
使用 Timer2 的硬件 PWM 输出，每次只修改比较值，改变占空比，PWM 频率由 Timer2 的自动重加载值确定，初始化后不再改变。
为了实现 PWM 频率可以随 PWM 改变，修改后的电机驱动函数如下：
void BSP_DriveMotor (MotorCtrlPara sLeft, MotorCtrlPara sRight)
{
INT8U u8StatFlag = 0;
INT8U u8PwmArea;
switch (sLeft.u8MotorStat)
{
case FORWARD:
{
GPIO_SetBits(GPIOA, BSP_GPIOA_CTRL_L2);
GPIO_ResetBits(GPIOA, BSP_GPIOA_CTRL_L3);
u8StatFlag |= 0x01;
break;
}
case BACKWARD:
{
GPIO_ResetBits(GPIOA, BSP_GPIOA_CTRL_L2);
GPIO_SetBits(GPIOA, BSP_GPIOA_CTRL_L3);
u8StatFlag |= 0x01;
break;
}
case BRAKE:
{
GPIO_ResetBits(GPIOA, BSP_GPIOA_CTRL_L2);
GPIO_ResetBits(GPIOA, BSP_GPIOA_CTRL_L3);
u8StatFlag &= 0xFE;
break;
}
case FLOAT:
{
// 必须保证 PWM 输出无效！（0）
GPIO_SetBits(GPIOA, BSP_GPIOA_CTRL_L2);
GPIO_SetBits(GPIOA, BSP_GPIOA_CTRL_L3);
u8StatFlag &= 0xFE;
break;
}
default: break;
}
switch (sRight.u8MotorStat)
{
case FORWARD:
{
GPIO_SetBits(GPIOC, BSP_GPIOC_CTRL_R2);
GPIO_ResetBits(GPIOC, BSP_GPIOC_CTRL_R3);
u8StatFlag |= 0x02;
break;
}
case BACKWARD:
{
GPIO_ResetBits(GPIOC, BSP_GPIOC_CTRL_R2);
GPIO_SetBits(GPIOC, BSP_GPIOC_CTRL_R3);
u8StatFlag |= 0x02;
break;
}
case BRAKE:
{
GPIO_ResetBits(GPIOC, BSP_GPIOC_CTRL_R2);
GPIO_ResetBits(GPIOC, BSP_GPIOC_CTRL_R3);
u8StatFlag &= 0xFD;
break;
}
case FLOAT:
{
// 必须保证 PWM 输出无效！（0）
GPIO_SetBits(GPIOC, BSP_GPIOC_CTRL_R2);
GPIO_SetBits(GPIOC, BSP_GPIOC_CTRL_R3);
u8StatFlag &= 0xFD;
break;
}
default: break;
}
switch(u8StatFlag)
{
case 1: // 左侧转
u8PwmArea = sLeft.u16PwmVal/PWM_25;
break;
case 2: // 右侧转
u8PwmArea = sRight.u16PwmVal/PWM_25;
break;
case 3: // 两侧都转
u8PwmArea = (sLeft.u16PwmVal + sRight.u16PwmVal)/(2*PWM_25); // 取两侧的 PWM 平均值
break;
default: // 两侧都不转
u8PwmArea = sLeft.u16PwmVal;
break;
}
switch(u8PwmArea)
{
case 0: // PWM < 25%
TIM_SetCompare3(TIM2, sLeft.u16PwmVal/4);
TIM_SetCompare4(TIM2, sRight.u16PwmVal/4);
TIM_SetAutoreload(TIM2,PWM_100_5KHZ/4 - 1); // PWM 频率设置为 20kHz
break;
case 1: // PWM 25 - 50%
TIM_SetCompare3(TIM2, sLeft.u16PwmVal/3);
TIM_SetCompare4(TIM2, sRight.u16PwmVal/3);
TIM_SetAutoreload(TIM2,PWM_100_5KHZ/3 -1); // PWM 频率设置为 15kHz
break;
case 2: // PWM 50 - 75%
TIM_SetCompare3(TIM2, sLeft.u16PwmVal/2);
TIM_SetCompare4(TIM2, sRight.u16PwmVal/2);
TIM_SetAutoreload(TIM2,PWM_100_5KHZ/2 -1); // PWM 频率设置为 10kHz
break;
default:
TIM_SetCompare3(TIM2, sLeft.u16PwmVal);
TIM_SetCompare4(TIM2, sRight.u16PwmVal);
TIM_SetAutoreload(TIM2,PWM_100_5KHZ -1); // PWM 频率设置为 5kHz
break;
}
}
因为需要两侧的 PWM 值来确定 PWM 频率，所以必须同时处理两侧的电机。这样带来一个好处：两侧电机处理应该更容易同步，避免由于先后的时间差，产生偏航，但实际的效果还有待考验。
经过这样的修改，应该说大大改善了我的素质，可以更好的实现PID调速了！
10.3 改进后的 PID 调速性能
为这一步测试所编写的 Processing 程序，不只是增加了测试“PWM-速度”关联性的功能，同时还为了便于整定 PID 参数，设置了方便的 PID 参数改进操作界面。还是利用内存读写功能，在我的程序中设计相应的全局变量，通过 map 文件得到地址，直接修改内存值实现参数的改变。配合速度曲线显示功能，便可以直观的调整PID参数，从而达到最佳效果。
改进后的测试程序界面如下：
“PWM Scan”为自动扫描 PWM 功能按钮，只是针对左侧轮子测试，需要先设置 SoutCtrl 为左侧速度输出到RF通道（3 - L to RF），详细过程见程序。
(这类程序是辅助测试的，所以不必过于精细，但要便于修改，以便随时根据需要增减功能。)
下面一组输入和按钮是为了快速修改 PID 参数所设，此时所修改的只是本次我上电运行的参数，断电后重新上电，则会恢复到程序的默认值。主要目的是观察 PID 参数改变对调速性能的影响，找到最佳的 PID 参数，完成参数整定过程。最佳参数确定后，作为默认值写入我的程序中。
PID 调速是一个可以无限探究的主题，此处不再深入，只是将所需要的手段配齐，日后在实战中逐步完善。
提升我的素质后，仍然使用原来的PID整定参数，测试了以下几个状态：
感觉虽然速度还不是很稳定，但调速的范围加大了，原来低速时会出现走走停停现象，改进后可以持续运动了，到 50mm/s 时才出现走走停停的现象。
虽说从曲线上看速度波动挺大，可因为图中每一点对应时间只有 20ms，拿设定速度 80mm/s 的曲线来说，20ms 只走了1.6mm，因此即便有点波动，范围在设定值上下基本对称，且能在较短的时间内纠正，我看上去走得还是挺流畅的，而且基本可以实现走直线，只是在启 动和停止时还有点问题，似乎不同步，还需要不断修炼！
以下是小车测试的视频，用手机单手拍摄的，凑合看看吧：
http://v.youku.com/v_show/id_XMTUzMTEyNDQwMA==.html
10.4 感悟
当接触到具体的物理世界后，诸多非理想的因素都显现了。这和在计算机中运行的软件不同，在那种理想环境中，程序处理的结果是确定的；而我的程序改进必须和实际的对象相融合，才能产生效果。这就是嵌入式控制程序的难点，它需要在掌握程序控制逻辑之外，了解控制对象的特性，要想办法测得对象的特性，从而有针对性的编写控制程序，尤其是面对不理想的控制对象时。
所以，从学习角度，一个不甚理想的控制对象恰恰是好的学习素材，它会给你增加麻烦，让你有挫败感，可正是这些不利的因素促使你去尝试不同的方式，探究问题的原因，找到合理的方式补救，在不理想的平台上做出最理想的效果。通过这个过程练出“真功夫”！
这一步算是个插曲，下一步继续前面的任务，盘点到此为止所所用的资源，看看还有多少余力去继续练习。
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注：第八步改进的程序（含 Processing 程序）在 QQ 群 180154446 共享文件中，供参考。欢迎交流、讨论！
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发表于 2018-5-2 19:43:06
