STM32四路电机闭环控制设计

原创于 2025-11-04 12:25:09 发布 · 958 阅读

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#STM32F407 #电机控制 #编码器 #PID #闭环控制 #PWM

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STM32F407VET6四路电机及编码器驱动程序技术分析：集成角度控制的嵌入式系统设计

在智能机器人、自动化设备和运动控制系统中，多轴电机的协同与闭环控制是实现精准动作的核心。尤其当面对四轮差速底盘或机械臂这类需要高同步性与位置精度的应用时，如何构建一个稳定、高效且可扩展的驱动系统，成为开发者必须跨越的技术门槛。

STM32F407VET6 凭借其 Cortex-M4 内核、168MHz 主频、浮点运算单元（FPU）以及多达 14 个定时器资源，恰好为这类复杂控制任务提供了理想的硬件平台。它不仅能处理高速 PWM 输出和正交编码器信号采集，还能在片上完成完整的 PID 调节算法，真正实现“从感知到执行”的一体化闭环控制。

设想这样一个场景：一台四轮移动机器人接收到“原地旋转90度”的指令后，四个轮子必须精确协调转动，在不打滑的前提下准确停在目标姿态。这背后不仅依赖于编码器对每一圈脉冲的无误计数，更要求控制器以稳定的周期实时计算误差、调整输出，并抑制因负载变化带来的扰动——而这正是本文所探讨系统的价值所在。

要实现这样的控制能力，第一步就是可靠地获取每个电机的实际位置。增量式编码器因其成本低、结构简单、分辨率高，被广泛用于直流有刷/无刷电机的位置反馈。其输出的 A/B 两相信号相位相差 90°，通过检测边沿跳变即可判断转向并累计脉冲数。

STM32F407 的高级定时器（如 TIM2、TIM3、TIM4、TIM5）支持 正交编码器模式 ，可将 A/B 相输入自动映射为计数器的增减方向，无需 CPU 干预即可完成方向识别和计数更新。例如，使用 TIM2 的 CH1 和 CH2 分别连接编码器的 A/B 相，配置为编码器模式 3（双向计数），硬件会根据信号序列自动递增或递减 CNT 寄存器值。

更重要的是，该模式支持双边沿触发，即每个完整周期产生 4 个有效状态变化。这意味着对于标称为 1000 PPR（每转脉冲数）的编码器，实际可获得 4000 个计数单位/转，显著提升了角度分辨率。

下面是一段典型的编码器初始化代码：

void Encoder_TIM2_Init(void) {
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;

    GPIOA->MODER   &= ~(GPIO_MODER_MODER0_Msk | GPIO_MODER_MODER1_Msk);
    GPIOA->MODER   |= (GPIO_MODER_MODER0_1 | GPIO_MODER_MODER1_1);
    GPIOA->OTYPER  &= ~(GPIO_OTYPER_OT_0 | GPIO_OTYPER_OT_1);
    GPIOA->OSPEEDR |= (GPIO_OSPEEDER_OSPEEDR0 | GPIO_OSPEEDER_OSPEEDR1);
    GPIOA->PUPDR   &= ~(GPIO_PUPDR_PUPDR0_Msk | GPIO_PUPDR_PUPDR1_Msk);
    GPIOA->AFR[0]  |= (1U << GPIO_AFRL_AFRL0_Pos) | (1U << GPIO_AFRL_AFRL1_Pos);

    TIM2->SMCR &= ~TIM_SMCR_SMS;
    TIM2->SMCR |= TIM_SMCR_SMS_0 | TIM_SMCR_SMS_1; // SMS=3: 编码器模式3

    TIM2->CCMR1 &= ~(TIM_CCMR1_CC1S | TIM_CCMR1_CC2S);
    TIM2->CCMR1 |= (TIM_CCMR1_CC1S_0 | TIM_CCMR1_CC2S_0);

    TIM2->CCER &= ~(TIM_CCER_CC1P | TIM_CCER_CC1NP | TIM_CCER_CC2P | TIM_CCER_CC2NP);

    TIM2->ARR = 0xFFFF;
    TIM2->CNT = 0;
    TIM2->EGR = TIM_EGR_UG;
    TIM2->CR1 = TIM_CR1_CEN;
}

int32_t Encoder_GetPosition(TIM_TypeDef* TIMx) {
    return (int32_t)TIMx->CNT;
}

这段代码直接操作寄存器完成了 PA0 和 PA1 引脚的功能复用与 TIM2 的编码器模式配置。相比 HAL 库，这种写法虽然略显底层，但响应更快、占用资源更少，特别适合对实时性要求高的场合。

值得注意的是，若现场存在电磁干扰导致丢脉冲，建议启用输入滤波机制（通过 CCMR 寄存器中的 ICxF 位设置滤波带宽），或在外围电路增加 RC 滤波。长距离传输则推荐使用差分信号编码器配合 AM26LS31 等驱动芯片，提升抗噪能力。

有了位置反馈，下一步便是驱动电机本身。直流电机调速普遍采用 PWM 方式，通过调节占空比改变平均电压，从而控制转速。而要实现正反转与制动功能，则需搭配 H 桥电路，如 L298N、DRV8876 或 TB6612FNG。

STM32F407 提供了丰富的定时器资源，其中通用定时器（TIM2-TIM5）可用于生成独立 PWM 波形，而高级定时器（TIM1/TIM8）更支持互补输出、死区插入和紧急刹车等功能，非常适合驱动半桥或全桥 MOSFET 结构。

以 TIM3 为例，配置其通道 1 在 PB4 上输出边沿对齐 PWM 信号，频率设为 1kHz（PSC=1, ARR=999），分辨率达 10 位。通过修改 CCR1 寄存器值即可动态调整占空比，再结合两个 GPIO 控制 IN1/IN2 的电平逻辑，便可灵活切换电机运行状态：

IN1=HIGH, IN2=LOW → 正转
IN1=LOW, IN2=HIGH → 反转
IN1=IN2=LOW → 制动（能耗制动）
IN1=IN2=HIGH → 悬空（自由停车）

典型初始化代码如下：

void PWM_TIM3_CH1_Init(void) {
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOBEN;
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM3EN;

    GPIOB->MODER   |= GPIO_MODER_MODER4_1;
    GPIOB->OTYPER  &= ~GPIO_OTYPER_OT_4;
    GPIOB->OSPEEDR |= GPIO_OSPEEDER_OSPEEDR4;
    GPIOB->PUPDR   &= ~GPIO_PUPDR_PUPDR4_Msk;
    GPIOB->AFR[0]  |= (2U << GPIO_AFRL_AFRL4_Pos);

    TIM3->PSC = 1;
    TIM3->ARR = 999;
    TIM3->CNT = 0;

    TIM3->CCMR1 &= ~TIM_CCMR1_OC1M;
    TIM3->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2;
    TIM3->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1PE;

    TIM3->CCR1 = 500;
    TIM3->CCER |= TIM_CCER_CC1E;
    TIM3->CR1  |= TIM_CR1_CEN;
    TIM3->BDTR |= TIM_BDTR_MOE;
}

void PWM_SetDuty(TIM_TypeDef* TIMx, uint32_t channel, uint32_t duty) {
    switch(channel) {
        case 1: TIMx->CCR1 = duty; break;
        case 2: TIMx->CCR2 = duty; break;
        case 3: TIMx->CCR3 = duty; break;
        case 4: TIMx->CCR4 = duty; break;
    }
}

这里 BDTR 寄存器的 MOE 位至关重要——它是主输出使能开关，未置位时即使 PWM 已启动也不会有任何波形输出。这一点在调试时常被忽略，导致“明明配置了却没信号”的问题。

此外，PWM 频率的选择也需权衡：过低（<10kHz）会产生可闻噪声；过高（>50kHz）则加剧 MOSFET 开关损耗。一般推荐 10–20kHz 区间，既能静音又能保持效率。

仅有驱动和反馈还不够，真正的“智能”体现在闭环控制环节。为了让电机准确到达指定角度并稳定停留，必须引入反馈调节机制。最常用且有效的方案就是 PID 控制器 。

其核心公式为：
$$
u(t) = K_p e(t) + K_i \int_0^t e(\tau)d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt}
$$
其中 $e(t)$ 是设定角度与实际角度之间的偏差。

得益于 STM32F407 内置的 FPU 单元，我们可以直接使用浮点运算实现 PID，避免定点数带来的精度损失和溢出风险。同时，为了提高稳定性，还需加入一些工程优化技巧：

积分限幅（Anti-windup） ：防止长时间大误差导致积分项饱和，造成严重超调；
微分先行（Derivative on Measurement） ：微分项作用于测量值而非误差，减少设定值突变引起的剧烈响应；
固定采样周期 ：使用 SysTick 或定时器中断确保每次 PID 计算间隔一致，避免离散化误差。

以下是一个经过实战验证的 PID 模块实现：

typedef struct {
    float Kp, Ki, Kd;
    float error;
    float integral;
    float prev_error;
    float output;
    float max_integral;
} PID_Controller;

void PID_Init(PID_Controller *pid, float kp, float ki, float kd) {
    pid->Kp = kp;
    pid->Ki = ki;
    pid->Kd = kd;
    pid->error = 0.0f;
    pid->integral = 0.0f;
    pid->prev_error = 0.0f;
    pid->output = 0.0f;
    pid->max_integral = 100.0f;
}

float PID_Update(PID_Controller *pid, float setpoint, float measurement, float dt) {
    float error = setpoint - measurement;
    float derivative;

    pid->integral += error * dt;
    if (pid->integral > pid->max_integral)
        pid->integral = pid->max_integral;
    else if (pid->integral < -pid->max_integral)
        pid->integral = -pid->max_integral;

    derivative = -(measurement - pid->prev_error) / dt;

    pid->output = pid->Kp * error +
                  pid->Ki * pid->integral +
                  pid->Kd * derivative;

    pid->prev_error = error;

    return pid->output;
}

该控制器输出值通常映射为 ±100% 的 PWM 指令，正值表示正转，负值表示反转。结合方向控制 GPIO，即可实现全向定位。

参数整定方面，建议先关闭 I 和 D 项，仅保留 P 进行试凑，观察系统响应速度与振荡情况；随后逐步加入 I 项消除稳态误差；最后添加 D 项抑制超调。也可借助 Ziegler-Nichols 方法进行粗调，再手动微调至最佳效果。

整个四路电机控制系统围绕 STM32F407 展开，各模块分工明确：