STM32程序Keil直流电机算法控制之PID控制

适用场景

STM32程序Keil直流电机PID控制算法适用于各种需要精确控制直流电机转速和位置的工业应用场景。该算法特别适合以下应用领域：

工业自动化：生产线上的传送带控制、机械臂关节驱动、精密定位系统等需要精确速度控制的场合。

机器人技术：移动机器人底盘驱动、机械臂关节控制、无人机电机调速等需要稳定转速控制的应用。

智能家居：智能窗帘控制、电动门窗驱动、智能家电中的电机控制等消费级产品。

汽车电子：汽车座椅调节、车窗控制、雨刷系统等需要平稳运行的电机控制应用。

教学实验：电子工程、自动化控制等相关专业的教学实验和项目开发，帮助学生理解PID控制原理。

适配系统与环境配置要求

硬件要求

• 主控芯片：STM32F1系列、STM32F4系列或其他带有PWM输出和编码器接口的STM32微控制器
• 电机驱动模块：L298N、TB6612FNG、DRV8833等直流电机驱动芯片或模块
• 传感器：光电编码器、霍尔传感器或电位器用于速度/位置反馈
• 电源供应：根据电机功率选择合适的直流电源（通常5-24V）

软件环境

• 开发工具：Keil MDK-ARM开发环境（建议版本5.0以上）
• 编译器：ARMCC或AC6编译器
• 库支持：STM32标准外设库或HAL库
• 调试工具：ST-Link调试器或J-Link仿真器

系统配置

• 时钟配置：根据STM32型号配置系统时钟，确保PWM频率满足电机控制需求
• 定时器配置：使用高级定时器（TIM1/TIM8）或通用定时器产生PWM信号
• ADC配置：如需电流检测，需配置ADC进行电流采样
• 中断配置：配置编码器接口中断和定时器中断

资源使用教程

1. 工程创建与配置

首先在Keil MDK中创建新的STM32工程，选择对应的芯片型号。配置系统时钟、GPIO、定时器等外设。

2. PID算法实现

实现经典的PID控制算法，包含比例、积分、微分三个环节：

typedef struct {
    float Kp;          // 比例系数
    float Ki;          // 积分系数  
    float Kd;          // 微分系数
    float integral;    // 积分项
    float prev_error;  // 上一次误差
    float output;      // 输出值
} PID_Controller;

void PID_Init(PID_Controller* pid, float kp, float ki, float kd) {
    pid->Kp = kp;
    pid->Ki = ki;
    pid->Kd = kd;
    pid->integral = 0;
    pid->prev_error = 0;
    pid->output = 0;
}

float PID_Calculate(PID_Controller* pid, float setpoint, float actual, float dt) {
    float error = setpoint - actual;
    pid->integral += error * dt;
    float derivative = (error - pid->prev_error) / dt;
    
    pid->output = pid->Kp * error + pid->Ki * pid->integral + pid->Kd * derivative;
    pid->prev_error = error;
    
    return pid->output;
}

3. 电机控制实现

配置PWM输出控制电机速度，使用编码器获取实际转速：

void Motor_Control_Init(void) {
    // 初始化PWM定时器
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    
    // 配置定时器参数
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 999;  // 1kHz PWM
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71; // 72MHz/72 = 1MHz
    TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure);
    
    // 配置PWM输出
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;  // 初始占空比0%
    TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);
    
    TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);
    TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE);
}

void Set_Motor_Speed(uint16_t speed) {
    // 限制速度范围
    if(speed > 1000) speed = 1000;
    TIM1->CCR1 = speed;  // 设置PWM占空比
}

4. 编码器接口配置

配置编码器接口获取电机实际转速：

void Encoder_Init(void) {
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
    
    // 配置编码器接口定时器
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
    
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFF;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
    
    // 配置编码器模式
    TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3, TIM_EncoderMode_TI12, 
                              TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);
    
    TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 6;
    TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);
    
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

int32_t Get_Encoder_Value(void) {
    return (int32_t)TIM3->CNT;
}

5. 主控制循环

实现主控制循环，定期执行PID计算和电机控制：

int main(void) {
    SystemInit();
    Motor_Control_Init();
    Encoder_Init();
    
    PID_Controller speed_pid;
    PID_Init(&speed_pid, 1.0, 0.1, 0.05);  // 初始化PID参数
    
    float target_speed = 500.0;  // 目标转速（RPM）
    float actual_speed = 0.0;
    uint32_t last_time = 0;
    
    while(1) {
        uint32_t current_time = Get_Millis();
        float dt = (current_time - last_time) / 1000.0f;
        
        if(dt >= 0.01f) {  // 每10ms执行一次控制
            // 获取实际转速
            actual_speed = Calculate_Actual_Speed();
            
            // PID计算
            float control_output = PID_Calculate(&speed_pid, target_speed, actual_speed, dt);
            
            // 设置电机速度
            Set_Motor_Speed((uint16_t)control_output);
            
            last_time = current_time;
        }
    }
}

常见问题及解决办法

1. 电机振荡或不稳定

问题现象：电机转速出现周期性波动，无法稳定在目标值。

解决办法：

• 调整PID参数，适当减小比例系数Kp
• 增加微分系数Kd来抑制振荡
• 检查编码器反馈信号的稳定性
• 确保电源供应充足稳定

2. 响应速度过慢

问题现象：电机对设定值变化响应迟缓，达到目标速度时间过长。

解决办法：

• 增大比例系数Kp提高响应速度
• 适当增加积分系数Ki消除静差
• 检查PWM频率是否合适（建议1-10kHz）
• 验证电机驱动能力是否足够

3. 超调量过大

问题现象：电机转速超过目标值后才会回调，存在明显过冲。

解决办法：

• 减小比例系数Kp
• 适当增加微分系数Kd
• 采用增量式PID算法
• 加入输出限幅保护

4. 编码器计数异常

问题现象：编码器读数不准确或出现跳变。

解决办法：

• 检查编码器接线是否可靠
• 增加软件滤波算法
• 配置合适的编码器接口滤波器
• 确保编码器电源稳定

5. PWM输出异常

问题现象：PWM输出不稳定或占空比不正确。

解决办法：

• 检查定时器配置是否正确
• 验证时钟配置和分频系数
• 确保GPIO引脚配置为复用功能
• 检查电机驱动模块工作状态

6. 积分饱和问题

问题现象：长时间运行后控制性能下降，出现积分饱和现象。

解决办法：

• 实现抗积分饱和算法
• 设置积分项限幅
• 采用条件积分策略
• 定期重置积分项

通过合理配置PID参数和系统参数，STM32结合Keil开发环境能够实现高性能的直流电机控制，满足各种工业应用的需求。