【STM32 基于PID的闭环电机控制系统】

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

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

2. 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;
}

3. 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ADC
    ADC_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 kHz
    TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = 72 - 1; // 72 MHz / 72 = 1 MHz
    TIM_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PID
    PID_Init(&pidHandle, 50.0f, KP, KI, KD);  // 目标值为50
    pidHandle.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）。