ESP32-S3实现SPWM+PID+PLL全攻略

ESP32-S3实现SPWM与PLL控制

以下是基于ESP32-S3实现SPWM、PID、PLL的示例代码及仿真结果,包含SVG格式的波形图及其代码,可直接嵌入网页显示。


ESP32-S3 SPWM + PID + PLL 示例代码

#include <driver/ledc.h>
#include <driver/gptimer.h>
#include <math.h>

// SPWM 配置
#define SPWM_FREQ 50      // 基波频率 (Hz)
#define SPWM_RESOLUTION LEDC_TIMER_10_BIT
#define SPWM_CHANNEL LEDC_CHANNEL_0

// PID 参数
float Kp = 0.5, Ki = 0.1, Kd = 0.01;
float error_prev = 0, integral = 0;

// PLL 参数
float pll_phase = 0;
float pll_freq = 50.0;   // 初始频率 (Hz)

// PID 控制函数
float pid_update(float setpoint, float measurement) {
    float error = setpoint - measurement;
    integral += error;
    float derivative = error - error_prev;
    error_prev = error;
    return Kp * error + Ki * integral + Kd * derivative;
}

// PLL 更新函数
void pll_update(float reference_signal) {
    float phase_error = reference_signal * cos(pll_phase);
    pll_freq += pid_update(0, phase_error);  // PID 调整频率
    pll_phase += 2 * M_PI * pll_freq / 1000; // 假
<think>好的,用户现在想要了解如何结合SPWM和开环PID控制来驱动牙刷中的有刷电机的C代码。首先,我需要回顾之前的对话历史,用户之前已经询问过SPWM控制的基础代码,现在进一步想要引入PID控制,但特别提到是开环PID,这有点矛盾,因为PID通常是闭环控制。可能用户的实际需求是开环控制加上PID调节,或者可能对术语有误。 接下来,我需要分析用户的使用场景。牙刷电机通常是微型有刷电机,用于产生振动,用户可能希望控制振动强度或模式。由于是牙刷,可能对体积和成本敏感,因此可能没有安装速度或位置传感器,所以开环控制比较常见。但用户提到PID,可能希望实现某种自动调节,比如根据负载变化自动调整电机转速,但开环情况下无法反馈,所以这里可能存在混淆。 用户可能真实的需求是使用SPWM生成平滑的控制信号,并通过简单的PID算法来调整PWM占空比,以维持期望的转速或扭矩,但因为没有反馈,所以实际上可能是一个前馈控制,或者用户误将前馈称为开环PID。需要明确开环PID是否有意义,通常PID需要反馈,但可能用户指的是在没有传感器的情况下,通过预设的参数调整输出,比如根据时间或负载预估调整。 接下来,我需要考虑如何将SPWMPID结合。在闭环系统中,PID根据反馈调整SPWM的参数,比如幅值或频率。但在开环情况下,可能需要根据预设的目标和某些模型来调整,比如使用查表法或经验公式。例如,在启动时逐渐增加SPWM的幅值,避免电流冲击,这可能涉及到软启动的PID式调整,但实际是时间-based的渐变。 需要明确用户的实际应用,是否有反馈元件。如果确实是开环,可能需要解释PID在开环中的不适用性,并建议替代方法,如查表、预设曲线或前馈控制。或者用户可能想要的是速度开环但电流闭环,比如通过监测电机电流来调整PWM,这可能涉及到电流环的PID控制。 在代码层面,需要结合之前的SPWM代码,添加PID算法的实现。如果开环的话,PID的输出可能直接映射到SPWM的幅值,但由于没有反馈,积分和微分项可能无法正确工作,导致控制不稳定。因此需要谨慎处理,可能只使用比例项作为前馈控制。 可能的解决方案是:假设用户希望在没有传感器的情况下,通过调整SPWM的参数(如幅值)来实现某种控制,比如根据时间或预设的加速度曲线来改变振动强度,这时可以结合类似PID的结构,但实际是开环的前馈控制。或者用户可能误解了闭环PID的概念,需要澄清。 最后,我需要提供代码示例,结合SPWMPID结构,同时解释在开环情况下的注意事项,比如PID的局限性,建议可能的闭环方案,或者调整方法。需要确保代码结构清晰,参数可调,并加入注释说明关键部分,比如PID计算和SPWM更新。</think>以下是结合 **SPWM(正弦脉宽调制)** 和 **开环PID控制** 实现牙刷有刷电机驱动的C代码框架及技术说明。此方案通过PID算法动态调整SPWM波形幅值,实现电机振动强度的平滑控制(开环场景下,PID用于目标幅值的动态调节而非闭环反馈)。 --- ### **一、控制原理** - **SPWM**:生成正弦波等效PWM信号,降低电机噪音。 - **开环PID**:根据目标强度与时间变化率,动态调整SPWM幅值(无需传感器反馈)。 - **应用场景**:电动牙刷振动模式(如渐强/渐弱、脉冲振动)。 --- ### **二、C代码实现(基于STM32 HAL库)** ```c #include "stm32f1xx_hal.h" #include <math.h> // 硬件配置 #define PWM_TIM htim2 // PWM定时器 #define PWM_CHANNEL TIM_CHANNEL_1 // PWM通道 #define SPWM_RESOLUTION 256 // 正弦表点数 #define SPWM_FREQ 100 // 初始正弦波频率(Hz) #define PWM_FREQ 20000 // PWM载波频率(Hz) // 开环PID参数 typedef struct { float target; // 目标幅值(0~100%) float Kp, Ki, Kd; // PID系数 float integral; // 积分项 float prev_error; // 上次误差 } OpenLoopPID; TIM_HandleTypeDef PWM_TIM; uint16_t sineTable[SPWM_RESOLUTION]; // 正弦幅值表 OpenLoopPID pid; // PID控制器实例 float current_amplitude = 0.0f; // 当前输出幅值 // 生成正弦波幅值表(幅值范围由PID输出动态控制) void Generate_SineTable(float amplitude) { for(int i=0; i<SPWM_RESOLUTION; i++) { float angle = 2 * M_PI * i / SPWM_RESOLUTION; sineTable[i] = (sin(angle) * amplitude + 1.0f) * (PWM_TIM.Init.Period / 2); } } // 开环PID计算(动态调整目标幅值) float PID_Update(OpenLoopPID *pid, float dt) { float error = pid->target - current_amplitude; pid->integral += error * dt; float derivative = (error - pid->prev_error) / dt; pid->prev_error = error; // 输出幅值增量 float output = pid->Kp * error + pid->Ki * pid->integral + pid->Kd * derivative; current_amplitude += output; // 幅值限幅(0~100%) if(current_amplitude > 100.0f) current_amplitude = 100.0f; if(current_amplitude < 0.0f) current_amplitude = 0.0f; return current_amplitude; } // 定时器中断更新SPWM void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { static uint16_t phase = 0; if(htim == &PWM_TIM) { // 更新PWM占空比 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&PWM_TIM, PWM_CHANNEL, sineTable[phase]); phase = (phase + 1) % SPWM_RESOLUTION; } } int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); // PWM定时器初始化 PWM_TIM.Instance = TIM2; PWM_TIM.Init.Prescaler = SystemCoreClock / (PWM_FREQ * 1000) - 1; PWM_TIM.Init.Period = 1000 - 1; // 20kHz PWM HAL_TIM_PWM_Init(&PWM_TIM); HAL_TIM_PWM_Start(&PWM_TIM, PWM_CHANNEL); // 初始化开环PID参数 pid.target = 50.0f; // 初始目标幅值50% pid.Kp = 0.5f; // 比例系数(调节响应速度) pid.Ki = 0.01f; // 积分系数(消除静差) pid.Kd = 0.05f; // 微分系数(抑制超调) // 主循环控制 uint32_t last_tick = HAL_GetTick(); while(1) { uint32_t current_tick = HAL_GetTick(); float dt = (current_tick - last_tick) / 1000.0f; // 时间间隔(s) // 更新PID并生成新正弦表 float amplitude = PID_Update(&pid, dt); Generate_SineTable(amplitude / 100.0f); // 幅值归一化 last_tick = current_tick; HAL_Delay(10); // 控制周期约10ms } } ``` --- ### **三、关键功能说明** 1. **动态幅值调整** - `PID_Update()` 根据目标值 (`pid.target`) 计算幅值变化速率,实现平滑过渡(如从0%到80%渐强振动)。 - 调整 `Kp/Ki/Kd` 可改变响应特性(示例参数适用于牙刷振动场景)。 2. **振动模式示例** ```c // 在主循环中添加模式控制 void set_vibration_pattern(float target, float duration_sec) { pid.target = target; // 可通过调整duration_sec实现不同振动节奏 } ``` 3. **硬件保护** ```c // 添加软启动限制 if(amplitude > 80.0f) amplitude = 80.0f; // 防止过载 ``` --- ### **四、参数调试建议** | 参数 | 作用 | 典型值 | 调整方向 | |---------------|--------------------|-------------|-------------------| | `pid.Kp` | 响应速度 | 0.3~1.0 | 过大易振荡 | | `pid.Ki` | 消除稳态误差 | 0.01~0.1 | 过大易积分饱和 | | `pid.Kd` | 抑制超调 | 0.05~0.3 | 过大易响应迟钝 | | `SPWM_FREQ` | 振动频率 | 100~300Hz | 影响刷牙体感 | | `PWM_FREQ` | 电机驱动频率 | 10k~20kHz | 影响噪音和效率 | --- ### **五、硬件连接注意事项** 1. **H桥驱动电路**:必须使用带死区控制的驱动芯片(如DRV11873),防止上下管直通。 2. **电源滤波**:电机电源端并联100μF电解电容+0.1μF陶瓷电容。 3. **电流检测**:建议串联0.1Ω采样电阻+运放检测过流(开环PID仍需基础保护)。 --- 该方案通过软件模拟闭环响应特性,适合无传感器的小型有刷电机控制。实际应用中需结合电机参数(如额定电压、堵转电流)调整PID参数和幅值限制。
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