STM32实现电机PID精准控制

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#STM32 #PID控制 #电机调速 #编码器 #闭环控制 #OLED显示

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基于STM32F103C8T6的PID算法电机转速精确控制技术分析

在自动化设备、智能小车和工业控制系统中，直流电机无处不在。但你有没有遇到过这样的问题：明明设定好了转速，负载一变，速度就“飘”了？电源电压稍微波动一下，风扇转得忽快忽慢？这正是开环控制的致命短板——它只管输出，不管结果。

要让电机真正“听话”，就得让它具备“感知—判断—调节”的闭环能力。而在这条路上， STM32F103C8T6 + 编码器反馈 + PID算法 的组合，已经成为性价比与性能兼顾的经典方案。本文将带你深入这个系统的核心，不只是告诉你“怎么做”，更要讲清楚“为什么这么设计”。

为什么选STM32F103C8T6？

别看它只是个“蓝色药丸”开发板上的小芯片，STM32F103C8T6的能力远超许多人的想象。基于ARM Cortex-M3内核，72MHz主频，64KB Flash和20KB RAM，在执行浮点运算为主的PID控制时绰绰有余。更重要的是，它的外设资源非常贴合电机控制需求：

高级定时器（TIM1）和通用定时器（TIM2/TIM3） ：一个用来产生高精度PWM驱动H桥，另一个直接接入编码器做正交解码；
多通道ADC ：可用于检测电流或电压，实现过流保护；
USART/I2C/SPI接口 ：方便连接OLED屏、蓝牙模块或其他上位机；
37个可用GPIO ：对于小型控制系统来说，引脚完全够用。

相比传统的51单片机，STM32不仅能处理更复杂的逻辑，还能在同一个主循环中兼顾PID计算、按键扫描、显示刷新等任务而不卡顿。尤其是在需要实时响应的场景下，其NVIC中断系统能确保关键事件（如编码器脉冲捕获）不被遗漏。

PID不是魔法公式，而是工程权衡的艺术

很多人把PID当成一个“调参游戏”：改Kp快一点，Ki大一点消除误差，Kd压住超调……但如果不理解背后的物理意义，很容易陷入“越调越乱”的困境。

我们来看一个实际例子：假设你要控制一台带轮子的小车匀速前进。初始设定转速为100 RPM，但刚启动时由于静摩擦力大，实际只有60 RPM。这时候误差是+40 RPM。

比例项（P） 立刻给出一个较大的输出增量，推动PWM加大功率，加速明显；
积分项（I） 开始缓慢累加误差，补偿长期存在的静态偏差，比如电池老化导致驱动力下降；
微分项（D） 检测到误差正在快速缩小，提前“刹车”，防止冲过头造成振荡。

但在真实系统中，每个部分都有陷阱：

如果Kp太大，电机可能“猛冲”然后剧烈震荡；
Ki太大会导致“积分饱和”——即使目标已到达，积分项仍持续输出，造成严重超调；
Kd对噪声极其敏感，编码器信号稍有抖动就会引发PWM剧烈波动。

所以我在调试时通常采用“分步整定法”：

先关掉I和D，只留Kp，观察系统响应是否稳定；
加入Ki，逐步增加直到稳态误差基本消失，同时注意是否有超调加剧；
最后加入Kd，轻微抑制振荡，一般取Kp的1/10左右即可。

还有一个实用技巧： 使用积分分离 。即当误差超过某个阈值（比如±10%设定值）时，暂时关闭积分作用，避免大误差下的过度累积。代码实现也很简单：

if (fabs(error) < INTEGRAL_THRESHOLD) {
    pid->integral += error;
}

这样既能保证稳态精度，又能提升动态响应的稳定性。

编码器测速：别再用延时计数了！

很多初学者喜欢用外部中断来计数编码器脉冲，每来一个脉冲就给计数器加一。听起来合理，但在高速旋转时会出大问题——中断过于频繁，CPU根本来不及处理，甚至可能导致主程序卡死。

正确的做法是利用STM32定时器的 编码器模式（Encoder Mode） 。以TIM2为例，将其配置为TI12编码器输入模式，连接PA0（A相）和PA1（B相），硬件自动完成方向识别和脉冲计数，完全不需要软件干预。

void MX_TIM2_Encoder_Init(void) {
    TIM_Encoder_InitTypeDef sConfig = {0};
    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 0;
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim2.Init.Period = 0xFFFF; // 自动溢出
    sConfig.EncoderMode = TIM_ENCODERMODE_TI12;
    sConfig.IC1Polarity = TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING;
    sConfig.IC2Polarity = TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING;
    HAL_TIM_Encoder_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_ALL);
}

之后只需定期读取当前计数值并清零，就能得到单位时间内的脉冲数，进而换算成RPM：

$$
\text{RPM} = \frac{\Delta \text{count} \times 60}{\text{PPR} \times T}
$$

其中，PPR是编码器每圈脉冲数（如20PPR），T是采样周期（建议100ms）。例如，在100ms内读到50个脉冲，PPR=20，则当前转速为：

$$
\frac{50 \times 60}{20 \times 0.1} = 1500 \text{ RPM}
$$

这种方式不仅精度高，而且CPU占用率极低，特别适合多任务运行环境。

⚠️ 实际部署时要注意：编码器线缆一定要使用屏蔽线，否则电机运行时的电磁干扰很容易导致误计数。另外，如果发现计数异常跳变，可以尝试在输入引脚加10kΩ上拉电阻或RC滤波电路。

中文显示不只是“好看”，更是调试利器

一块小小的128×64 OLED屏，成本不过十几元，但它带来的价值远超预期。特别是在调试阶段，你能实时看到“设定转速 vs 实际转速”的对比，一眼就能判断PID是否收敛、是否存在延迟或振荡。

我常用SSD1306驱动的OLED模块，通过I2C接口连接STM32，仅需两个引脚（SCL/SDA），节省宝贵的GPIO资源。配合开源的SSD1306库，几行代码就能实现中文显示：

void Display_Update(float set_speed, float actual_speed, const char* direction) {
    SSD1306_Clear();

    SSD1306_GotoXY(0, 0);
    SSD1306_Puts("设定转速:", &Font_11x18, 1);
    SSD1306_Printf("%4.0f RPM", set_speed);

    SSD1306_GotoXY(0, 25);
    SSD1306_Puts("实际转速:", &Font_11x18, 1);
    SSD1306_Printf("%4.0f RPM", actual_speed);

    SSD1306_GotoXY(0, 50);
    SSD1306_Puts("运行方向:", &Font_11x18, 1);
    SSD1306_Puts(direction, &Font_11x18, 1);

    SSD1306_UpdateScreen();
}

字体库支持GB2312汉字编码，像“正转”、“反转”这类常用词都能正常显示。比起串口打印一堆数字，这种可视化界面大大降低了调试门槛，尤其适合教学和竞赛项目。

💡 小建议：不要每一帧都全屏刷新，尤其是使用I2C时总线速率有限。可以设置标志位，仅当数据变化时才更新对应区域，减少通信负担。

按键交互：别让消抖拖垮系统实时性

五个独立按键——加速、减速、正转、反转、停止，看似简单，但如果处理不当，反而会影响整个系统的响应速度。

最常见的错误是使用 delay(20) 进行消抖。这会导致主循环阻塞，PID控制周期变得不稳定，严重影响控制效果。

正确的方式是采用 非阻塞轮询 + 时间戳记录 的方法：

#define DEBOUNCE_MS 20
static uint32_t last_press[5] = {0};
static uint8_t btn_state[5] = {0};

uint8_t is_button_pressed(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, uint8_t id) {
    uint8_t reading = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOx, GPIO_Pin);
    uint32_t now = HAL_GetTick();

    if (reading == GPIO_PIN_RESET && !btn_state[id]) {
        if (now - last_press[id] > DEBOUNCE_MS) {
            btn_state[id] = 1;
            return 1; // 有效按下
        }
    } else if (reading == GPIO_PIN_SET) {
        btn_state[id] = 0;
        last_press[id] = now;
    }
    return 0;
}

这样做的好处是：既完成了消抖，又不会阻塞主程序。你可以放心地在主循环中每隔10ms扫描一次按键，不影响PID控制的定时执行。

进阶玩法还可以加入“长按连续调节”功能：当某个按键持续按下超过500ms后，每隔100ms自动发送一次“加速”指令，实现平滑变速。