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【STM32 基于PID的闭环电机控制系统】

news 来源：原创 2025/9/18 9:24:42

STM32 基于PID的闭环电机控制系统

目录

  • STM32 基于PID的闭环电机控制系统
    • 一、PID算法在STM32F103C8T6中的实现思路
    • 二、代码实现与解释
    • 三、PID算法的调试与优化
    • 四、总结

一、PID算法在STM32F103C8T6中的实现思路

  1. 基本概念
    • 目标 ：通过PID算法调节电机的转速，使其保持恒定或按照给定的曲线变化。
    • 硬件配置 ：
    ○ STM32F103C8T6作为主控制器。
    ○ 电机驱动模块（如L298N、 DRV8825 等）。
    ○ 用于测量电机转速的编码器或霍尔传感器。
    ○ 可选：用于显示目标值和实际值的LCD或LED指示灯。
  2. STM32F103C8T6的功能模块
    • PWM输出 ：通过PWM信号控制电机的转速（占空比调节）。
    • ADC输入 ：采集编码器或传感器的反馈信号（如转速反馈）。
    • 定时器中断 ：用于定期采样系统的反馈信号，并执行PID计算。
  3. PID算法实现的步骤
    1. 初始化STM32的PWM、ADC和定时器模块。
    2. 采集当前系统的状态（如转速）。
    3. 计算PID输出（控制量）。
    4. 根据PID输出调节PWM信号的占空比，控制电机转速。
    5. 重复上述过程，形成闭环控制。

二、代码实现与解释

  1. 头文件与配置 (main.h)
#ifndef __MAIN_H
#define __MAIN_H#include "stm32f10x.h"// 定义PWM输出引脚
#define PWM	GPIO_Pin_6  // PB6用于PWM输出// 定义ADC输入引脚
#define ADC_CHANNEL ADC_Channel_0  // 通道0用于转速反馈// 定义PID参数
#define KP 2.0f    // 比例系数
#define KI 1.0f    // 积分系数
#define KD 0.5f    // 微分系数// 定义系统参数
#define SAMPLE_TIME 20  // 采样时间（ms）
#define SYSTEM_FREQUENCY 1000  // 系统频率（Hz）#endif
  1. PID控制函数 (pid.h 和 pid.c)
    头文件 (pid.h) ：
#ifndef __PID_H
#define __PID_H
#include <stdint.h>
#include <math.h>typedef struct {float setpoint;         // 目标值float processVariable;  // 实际值float output;           // 输出值float integ;            // 积分项float lastError;        // 上次误差float kp;               // 比例系数float ki;               // 积分系数float kd;               // 微分系数
} PID_HandleTypeDef;void PID_Init(PID_HandleTypeDef *pid, float setpoint, float kp, float ki, float kd);
void PID_Update(PID_HandleTypeDef *pid, float processVariable);
float PID_GetOutput(PID_HandleTypeDef *pid);
#endif

实现文件 (pid.c) ：

#include "pid.h"void PID_Init(PID_HandleTypeDef *pid, float setpoint, float kp, float ki, float kd) {pid->setpoint = setpoint;pid->processVariable = 0;pid->output = 0;pid->integ = 0;pid->lastError = 0;pid->kp = kp;pid->ki = ki;pid->kd = kd;
}void PID_Update(PID_HandleTypeDef *pid, float processVariable) {float error = pid->setpoint - processVariable;float deltaError = error - pid->lastError;// 计算积分项（避免积分饱和）pid->integ += error;if (pid->integ > 1000) pid->integ = 1000;if (pid->integ < -1000) pid->integ = -1000;// 计算PID输出pid->output = pid->kp * error + pid->ki * pid->integ + pid->kd * deltaError;// 限制输出范围if (pid->output > 100) pid->output = 100;if (pid->output < 0) pid->output = 0;pid->lastError = error;
}float PID_GetOutput(PID_HandleTypeDef *pid) {return pid->output;
}
  1. 主程序 (main.c)
    代码实现 ：
#include "main.h"
#include "pid.h"// 初始化PWM和ADC
void System_Init(void) {GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseInitStruct;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;// 使能外设时钟RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph(TIM2), ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);// 配置PWM引脚（PB6）GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = PWM;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);// 配置ADC引脚（PB0）GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);// 配置ADCADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ADC_ScanConvMode_Disable;ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ADC_ContinuousConvMode_Enable;ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T1_CC2;ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);ADC_ChannelConfig(ADC1, ADC_CHANNEL, ADC_SampleTime_13Cycles5);ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);// 配置定时器 TIM2，用于PWM和PID周期TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = 10000; // 10 kHzTIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = 72 - 1; // 72 MHz / 72 = 1 MHzTIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD不分频;TIM_TimeBase_Init(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStruct);TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);// 配置PWM输出TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse = 0;TIM_OC_InitStruct TIM_Channel_1, &TIM_OCInitStruct);// 配置定时器中断（用于采样和PID计算）TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 2;NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}// 定时器中断服务程序
void TIM2_IRQHandler(void) {if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) {// 清除中断标志TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);// 采集ADC值（模拟电机转速）ADC_SoftwareStartConv(ADC1);while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);float processVariable = ADC_GetConversionValue(ADC1);// PID计算PID_Update(&pidHandle, processVariable);float output = PID_GetOutput(&pidHandle);// 更新PWM占空比TIM_SetCompare1(TIM2, output * 100);  // 100%对应10000}
}int main(void) {// 初始化系统System_Init();// 初始化PIDPID_Init(&pidHandle, 50.0f, KP, KI, KD);  // 目标值为50pidHandle.integ = 0;pidHandle.lastError = 0;// 进入主循环while (1) {// 可选：更新目标值或显示当前状态// 这里为空循环，由中断服务程序处理PID控制}
}

三、PID算法的调试与优化

  1. 参数调整
    • Kp（比例系数） ：过大可能导致系统振荡，过小则响应速度慢。
    • Ki（积分系数） ：过大可能导致积分饱和，过小则无法消除静差。
    • Kd（微分系数） ：过大可能导致系统不稳定，过小则无法有效抑制动态误差。
  2. 调试技巧
    • 从小的Kp值开始，逐步增大，直到系统开始振荡。
    • 适当增加Ki，确保系统在稳态时无静差。
    • 调整Kd，减少系统的超调和振荡。
  3. 实际应用中的考虑
    • 采样时间 ：根据系统的动态特性选择合理的采样时间，以确保闭环控制的稳定性。
    • 抗噪声处理 ：在ADC采样和PID计算中加入滤波处理，避免噪声干扰。
    • 输出限制 ：防止PWM输出超过硬件限制（如0-100%占空比）。

四、总结

通过上述代码示例，可以在STM32F103C8T6微控制器上实现基于PID算法的电机控制。PID算法的核心在于参数的合理选择和系统的稳定性调试。通过不断实验和调整，可以实现高精度的电机控制。后续可以根据具体需求，优化PWM输出策略、加入更加复杂的控制逻辑（如前馈控制）或扩展系统的功能（如多电机同步控制）。

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编程日记 2025/9/13 20:46:26

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WebRTC最初是为浏览器之间的实时通信设计的&#xff0c;其资源需求和复杂性可能对嵌入式设备的性能提出较高要求&#xff0c;因此在嵌入式系统中应用时面临一些挑战&#xff1a; 1&#xff09;资源消耗较高 CPU和内存占用&#xff1a;WebRTC是一个功能强大的实时通信框架&…...

编程日记 2025/9/13 20:46:25

【Blender】二、建模篇--05，阵列修改器与晶格形变

阵列修改器是bender里面一个比较常用的修改器，所以我们单独开口来讲，我们会先从几片树叶出发，然后我们用阵列修改器把这几片树叶变成这样的造型和这样的造型。这两个造型分别就代表着阵列修改器最常用的两种偏移方法，我们现在就开始我们先来做几个树叶。 1.树叶建模 首先…...

编程日记 2025/9/13 20:46:22

Python爬虫实战：获取12306特定日期、城市车票信息，并做数据分析以供出行参考

注意：以下内容仅供技术研究，请遵守目标网站的robots.txt规定，控制请求频率避免对目标服务器造成过大压力！ 1. 核心思路 需求：获取明天（2025 年 2 月 21 日）从北京到上海的车次、票价、出发时间、硬卧二等卧信息，并保存到 CSV 文件，然后分析出价格最低的 10 趟车次。目…...

编程日记 2025/9/13 20:46:20

C++ 设计模式-策略模式

支付策略 #include <iostream> #include <memory> #include <unordered_map> #include <vector> #include <ctime>// 基础策略接口 class PaymentStrategy { public:virtual ~PaymentStrategy() default;virtual std::string name() const 0;…...

编程日记 2025/9/13 20:46:18

数据结构：哈希表（unordered_map）

unordered_map 是 C 标准库中的一种哈希表实现&#xff0c;它提供了基于键值对&#xff08;key-value&#xff09;的存储&#xff0c;提供了常数时间复杂度的查找、插入和删除键值对的操作。 初始化代码示例&#xff1a; #include <unordered_map> using namespace std…...

编程日记 2025/9/13 20:46:16

鸿蒙-自定义布局-实现一个可限制行数的-Flex

文章目录 前提onMeasureSizeselfLayoutInfoconstraintchildren onPlaceChildren 实现思路属性准备测量组件布局小结 刷新 千呼万唤始出来的自定义布局功能终于可以用了&#xff0c;这就给了我们更多自由发挥创造的空间&#xff0c;不再局限于使用已有组件做组合。当然&#xff…...

编程日记 2025/9/15 7:49:36