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基于位置式PID算法调节PWM占空比实现电机转速控制

news 2025/10/21 7:02:39

一、系统架构设计

1. 硬件组成

模块	核心组件	功能说明
主控单元	STM32F407（TIM1+TIM2）	PWM生成与PID运算
电机驱动	TB6612（PWMA/PWMB）	PWM输入控制电机转速
反馈装置	霍尔编码器（500线）	转速检测（2000脉冲/转）
电源模块	12V/2A DC电源	电机供电

2. 电路连接

STM32引脚连接                | 功能说明
----------------------------|----------------------------
TIM1_CH1 (PA8)              | 电机PWM输出
TIM2_CH1 (PA0)              | 编码器A相信号输入
TIM2_CH2 (PA1)              | 编码器B相信号输入
PB6 (BOOT0)                 | 电机方向控制
3.3V                        | 编码器供电
GND                         | 公共地

二、PID算法实现

1. 位置式PID公式

$u (k) = K p e (k) + K ii = 0 \sum k e (i) + K d [e (k) - e (k - 1)]$

输入变量：目标转速（Setpoint）与实际转速（Feedback）的差值
输出变量：PWM占空比（0-100%）

2. 关键参数定义

typedef struct {float Kp;      // 比例系数（建议初始值2.0-5.0）float Ki;      // 积分系数（建议初始值0.1-0.5）float Kd;      // 微分系数（建议初始值0.01-0.1）float integral;// 积分项累加值float prev_err;// 上一次误差float max_out; // 输出上限（PWM最大占空比）
} PID_HandleTypeDef;

3. PID初始化函数

void PID_Init(PID_HandleTypeDef *pid, float Kp, float Ki, float Kd) {pid->Kp = Kp;pid->Ki = Ki;pid->Kd = Kd;pid->integral = 0.0f;pid->prev_err = 0.0f;pid->max_out = 100.0f; // PWM占空比上限
}

4. PID计算函数

float PID_Compute(PID_HandleTypeDef *pid, float setpoint, float feedback, float dt) {float error = setpoint - feedback;// 比例项float Pout = pid->Kp * error;// 积分项pid->integral += error * dt;float Iout = pid->Ki * pid->integral;// 微分项float derivative = (error - pid->prev_err) / dt;float Dout = pid->Kd * derivative;// 计算总输出float output = Pout + Iout + Dout;// 输出限幅if(output > pid->max_out) {pid->integral -= error * dt; // 防止积分饱和output = pid->max_out;} else if(output < 0) {output = 0;}pid->prev_err = error;return output;
}

三、硬件驱动实现

1. PWM配置（STM32 HAL库）

void MX_TIM1_Init(void) {TIM_HandleTypeDef htim1;htim1.Instance = TIM1;htim1.Init.Prescaler = 84-1;      // 84MHz / 84 = 1MHzhtim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;htim1.Init.Period = 1000-1;       // 1kHz PWM频率htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;HAL_TIM_PWM_Init(&htim1);// 配置通道1TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;sConfigOC.Pulse = 0;              // 初始占空比0%sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
}

2. 编码器测速

volatile uint32_t encoder_count = 0;
volatile float motor_speed = 0.0f;// 编码器中断处理（TIM2）
void TIM2_IRQHandler(void) {if(TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_CC1) != RESET) {if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_SET) {encoder_count++;}TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_CC1);}
}// 计算转速（每100ms更新一次）
void Calc_Speed() {static uint32_t last_count = 0;static float rpm = 0.0f;motor_speed = (encoder_count - last_count) * 60.0f / 0.1f; // 500线编码器last_count = encoder_count;
}

四、主控制循环

int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();MX_TIM1_Init();   // PWM初始化MX_TIM2_Init();   // 编码器初始化PID_HandleTypeDef motor_pid;PID_Init(&motor_pid, 2.5f, 0.2f, 0.05f); // 初始参数while(1) {Calc_Speed();               // 更新转速测量值float duty = PID_Compute(&motor_pid, 1000.0f, motor_speed, 0.001f); // 1kHz采样__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, duty); // 更新占空比HAL_Delay(1);}
}