一文看懂舵机硬件pid电路原理

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

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：

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：

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：

（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）

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：

（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。

公式：

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：

其他：

反馈系统：

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。