在嵌入式系统中，对电机进行精确控制是一项常见而重要的任务。PID（比例-积分-微分）控制算法因其简单、高效而被广泛应用于电机控制领域。本文将详细介绍如何使用STM32微控制器实现对电机的PID控制，包括位置式PID和增量式PID。
PID控制算法基础
PID控制算法是一种线性控制算法，它通过调整系统的偏差（期望值与实际值之差）来实现对系统的控制。PID控制器由三个部分组成：
比例（P）：比例环节直接对偏差进行放大，偏差越大，控制作用越强。
积分（I）：积分环节对偏差进行累积，可以消除系统的静差。
微分（D）：微分环节对偏差的变化率进行预测，可以提高系统的响应速度和稳定性。
硬件准备
STM32F103C8T6开发板
直流电机及驱动器（如TB6612）
编码器（用于速度和位置反馈）
连接线
软件配置
使用STM32CubeMX配置ADC、定时器和GPIO：
配置ADC：用于读取编码器的信号，获取电机的当前位置或速度。
配置定时器：用于生成PWM信号，控制电机的转速。
配置GPIO：用于与电机驱动器和编码器的连接。
代码实现
1. 初始化代码
首先，初始化STM32的相关外设。
#include "stm32f1xx_hal.h"
ADC_HandleTypeDef hadc1;
TIM_HandleTypeDef htim1;
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_ADC1_Init(void);
static void MX_TIM1_Init(void);
int main(void) {
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
MX_ADC1_Init();
MX_TIM1_Init();
// 初始化PWM
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
HAL_TIM_PWM_Stop(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 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);
while (1) {
// PID控制循环
}
}
static void MX_TIM1_Init(void) {
TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
htim1.Instance = TIM1;
htim1.Init.Prescaler = 0;
htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim1.Init.Period = 999;
htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
htim1.Init.RepetitionCounter = 0;
HAL_TIM_Base_Init(&htim1);
sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim1, &sClockSourceConfig);
sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim1, &sMasterConfig);
}
static void MX_ADC1_Init(void) {
ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
hadc1.Instance = ADC1;
hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;
hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
HAL_ADC_Init(&hadc1);
sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;
sConfig.Rank = 1;
sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_1CYCLE_5;
HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
}
static void MX_GPIO_Init(void) {
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
}
2. PID控制函数
实现位置式PID控制函数。
typedef struct {
float Kp;
float Ki;
float Kd;
float target;
float actual;
float error;
float prev_error;
float integral;
} PID_TypeDef;
void PID_Init(PID_TypeDef *pid, float Kp, float Ki, float Kd, float target) {
pid->Kp = Kp;
pid->Ki = Ki;
pid->Kd = Kd;
pid->target = target;
pid->actual = 0;
pid->error = 0;
pid->prev_error = 0;
pid->integral = 0;
}
float PID_Calculate(PID_TypeDef *pid) {
pid->error = pid->target - pid->actual;
pid->integral += pid->error;
float derivative = pid->error - pid->prev_error;
float output = pid->Kp * pid->error + pid->Ki * pid->integral + pid->Kd * derivative;
pid->prev_error = pid->error;
return output;
}
3. 主循环中的PID控制
在主循环中，使用PID控制函数来调整电机的PWM占空比，实现对电机位置的控制。
PID_TypeDef motor_pid;
uint16_t pwm_value;
void SystemClock_Config(void) {
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
/** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
*/
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
RCC_OscInitStruct.HSEPrediv = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK) {
Error_Handler();
}
/** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
*/
RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK) {
Error_Handler();
}
}
int main(void) {
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
MX_ADC1_Init();
MX_TIM1_Init();
PID_Init(&motor_pid, 0.1, 0.01, 0.01, 1000); // 初始化PID参数
while (1) {
// 读取编码器值作为电机的实际位置反馈
motor_pid.actual = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
// 计算PID输出
pwm_value = PID_Calculate(&motor_pid);
// 限制PWM值的范围
if (pwm_value > 999) pwm_value = 999;
if (pwm_value < 0) pwm_value = 0;
// 设置PWM占空比
TIM1->CCR1 = pwm_value;
HAL_Delay(10); // 简单的循环延时
}
}
注意事项
PID参数调整：PID的Kp、Ki、Kd参数需要根据实际系统进行调整，以达到最佳的控制效果。
编码器反馈：编码器的反馈值需要与电机的实际位置相对应，可能需要进行适当的比例转换。
系统稳定性：在调整PID参数时，要注意系统的稳定性，避免出现过调和震荡。
通过上述步骤，我们可以在STM32上使用HAL库成功实现对电机的PID控制。这为开发需要精确电机控制的嵌入式系统提供了基础。
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