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【PID】STM32通过闭环PID控制电机系统

article 2025/3/3 5:05:35

一、系统方案设计

1. 硬件架构

主控芯片：STM32F4/F3系列（带高级定时器，如TIM1/TIM8）。
电机类型：直流有刷电机（带正交编码器反馈）。
驱动器：H桥驱动芯片（如L298N或DRV8833），支持PWM调速和方向控制。
反馈装置：增量式正交编码器（分辨率：1000 PPR）。
通信接口：可选UART/USB用于调试和参数调整。

2. 控制流程

编码器读取：通过定时器硬件捕获编码器脉冲，计算实时转速。
PID计算：根据设定转速与反馈转速的偏差，计算PWM输出。
PWM输出：调整占空比控制电机转速，形成闭环。

二、关键代码配置及函数详解

1. 定时器配置（PWM生成）

// TIM1初始化，通道1输出PWM
void MX_TIM1_Init(void) {
  TIM_HandleTypeDef htim1;
  TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};

  htim1.Instance = TIM1;
  htim1.Init.Prescaler = 0;        // 无分频
  htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim1.Init.Period = 8399;        // PWM频率=84MHz/(8400)≈10kHz
  htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  HAL_TIM_PWM_Init(&htim1);

  sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
  sConfigOC.Pulse = 0;             // 初始占空比0%
  sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
  sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
  HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);

  HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1); // 启动PWM
}

2. 编码器接口配置（定时器编码器模式）

// TIM2初始化，编码器模式
void MX_TIM2_Init(void) {
  TIM_Encoder_InitTypeDef sEncoderConfig = {0};
  TIM_HandleTypeDef htim2 = {0};

  htim2.Instance = TIM2;
  htim2.Init.Prescaler = 0;
  htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim2.Init.Period = 0xFFFF;      // 16位计数器
  htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;

  // 配置编码器模式（正交解码）
  sEncoderConfig.EncoderMode = TIM_ENCODERMODE_TI12;
  sEncoderConfig.IC1Polarity = TIM_ICPOLARITY_RISING;
  sEncoderConfig.IC1Selection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
  sEncoderConfig.IC1Prescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
  sEncoderConfig.IC1Filter = 0;
  sEncoderConfig.IC2Polarity = TIM_ICPOLARITY_RISING;
  sEncoderConfig.IC2Selection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
  sEncoderConfig.IC2Prescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
  sEncoderConfig.IC2Filter = 0;
  
  HAL_TIM_Encoder_Init(&htim2, &sEncoderConfig);
  HAL_TIM_Encoder_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_ALL); // 启动编码器
}

3. 定时器中断配置（PID周期计算）

// TIM3初始化，10ms中断触发PID计算
void MX_TIM3_Init(void) {
  TIM_HandleTypeDef htim3;

  htim3.Instance = TIM3;
  htim3.Init.Prescaler = 8400 - 1;     // 84MHz/8400=10kHz
  htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim3.Init.Period = 100 - 1;         // 10kHz/100=100Hz（10ms）
  HAL_TIM_Base_Init(&htim3);
  HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);       // 启动中断
}

4. PID算法实现

typedef struct {
  float Kp, Ki, Kd;
  float integral, prev_error;
} PIDController;

float PID_Compute(PIDController *pid, float setpoint, float measurement) {
  float error = setpoint - measurement;
  pid->integral += error * 0.01f;       // 积分项（10ms周期）
  float derivative = (error - pid->prev_error) / 0.01f; // 微分项
  float output = pid->Kp * error + pid->Ki * pid->integral + pid->Kd * derivative;
  pid->prev_error = error;
  
  // 输出限幅（0~100%占空比）
  if (output > 8399) output = 8399;
  else if (output < 0) output = 0;
  return output;
}

5. 中断服务函数（关键逻辑）

// 定时器中断回调函数（10ms执行一次）
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
  if (htim->Instance == TIM3) {
    static int32_t prev_count = 0;
    int32_t curr_count = TIM2->CNT;     // 读取编码器计数值
    int32_t delta = curr_count - prev_count;
    prev_count = curr_count;

    // 计算转速（假设编码器1000PPR，10ms周期）
    float speed_rpm = (delta * 6000.0f) / (1000 * 4); // 4倍频处理
    
    // PID计算并更新PWM
    float output = PID_Compute(&pid, target_speed, speed_rpm);
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, (uint32_t)output);
  }
}

三、关键配置注意事项

编码器接口
- 使用定时器的编码器模式（如TIM2/TIM3），自动处理A/B相信号的正交计数。
- 注意编码器倍频（4倍频常见），需在转速计算时修正。
PWM频率选择
- 电机驱动器支持的频率范围（通常1kHz-20kHz），避免高频噪声或驱动损耗。
中断优先级
- PID计算中断（TIM3）需高于编码器计数中断（TIM2），确保实时性。
抗积分饱和
- 在PID结构体中加入输出限幅，或使用积分分离算法。
方向控制
- 若需双向控制，可通过GPIO设置电机方向，或配置互补PWM通道。