基于STM32与双路驱动模块的PID电机控制系统设计与实现

2026年1月27日 互联网

一、系统架构与核心组件选型

本方案采用分层架构设计，由控制核心、驱动模块、反馈单元和交互接口四部分构成。控制核心选用32位ARM Cortex-M3内核的STM32F103系列微控制器，其优势在于：

  • 72MHz主频满足实时控制需求
  • 集成多个高级定时器（TIM1/TIM2/TIM4）
  • 丰富的外设接口支持多路编码器接入

驱动模块选用双路H桥驱动芯片，具备以下特性：

  • 支持最高15V/3A持续输出
  • 内置死区时间控制防止直通
  • 独立的使能控制引脚
  • 低导通电阻（0.3Ω典型值）

反馈系统采用增量式光电编码器，提供AB相正交编码信号，每转可输出1000个脉冲，配合定时器的四倍频功能可实现4000PPR的分辨率。

二、硬件连接与电气设计

2.1 驱动模块接口配置

驱动模块与微控制器的连接需特别注意电源隔离和信号完整性：

  1. STM32引脚    驱动模块引脚    功能说明
  2. PA8(TIM1_CH1) PWMA           速度控制PWM输出
  3. PA9           AIN1           方向控制信号1
  4. PA10          AIN2           方向控制信号2
  5. PB0           STBY           使能控制（高有效）

电源设计采用双电源方案：

  • 逻辑电源：5V（与MCU共用）
  • 驱动电源：7.4V锂电池直接供电
  • 关键设计：在VM与GND之间并联1000μF电解电容和0.1μF陶瓷电容

2.2 编码器接口实现

编码器信号接入需配置定时器的编码器接口模式：

  1. STM32引脚    编码器信号    配置参数
  2. PA0(TIM2_CH1) A相          输入捕获模式
  3. PA1(TIM2_CH2) B相          输入捕获模式
  4. PB6(TIM4_CH1) 主电机A相    输入捕获模式
  5. PB7(TIM4_CH2) 主电机B相    输入捕获模式

硬件电路需添加RC滤波网络（10kΩ+10nF）抑制高频噪声，同时确保信号上升时间小于1μs。

2.3 用户交互接口设计

系统提供三组按键控制：

  1. STM32引脚    外设        功能
  2. PC13         模式按键     下拉输入，切换控制模式
  3. PC14         正转按键     下拉输入，设置正转方向
  4. PC15         反转按键     下拉输入，设置反转方向

按键消抖采用硬件RC滤波（10kΩ+0.1μF）结合软件延时（20ms）的复合方案。

三、软件架构与PID实现

3.1 系统软件框架

采用RTOS架构实现多任务管理：

  • 任务1：PWM生成（周期1ms）
  • 任务2：编码器数据采集（周期5ms）
  • 任务3：PID计算（周期10ms）
  • 任务4：串口通信（事件触发）

3.2 PID算法实现

位置式PID算法核心代码：

  1. typedef struct {
  2.     float Kp, Ki, Kd;
  3.     float integral;
  4.     float prev_error;
  5. } PID_Controller;
  7. float PID_Calculate(PID_Controller* pid, float setpoint, float feedback) {
  8.     float error = setpoint - feedback;
  9.     pid->integral += error;
  10.     float derivative = error - pid->prev_error;
  11.     pid->prev_error = error;
  13.     // 抗积分饱和处理
  14.     if(pid->integral > MAX_INTEGRAL) pid->integral = MAX_INTEGRAL;
  15.     if(pid->integral < MIN_INTEGRAL) pid->integral = MIN_INTEGRAL;
  17.     return pid->Kp * error + pid->Ki * pid->integral + pid->Kd * derivative;
  18. }

参数整定采用临界比例度法：

  1. 仅投入P环节，逐渐增大Kp直至系统等幅振荡
  2. 记录临界增益Ku和振荡周期Tu
  3. 按Ziegler-Nichols规则设置初始参数：
    • Kp = 0.6Ku
    • Ki = 2Kp/Tu
    • Kd = Kp*Tu/8

3.3 串级控制实现

针对需要精确位置控制的场景，采用速度-位置双环控制：

  1. 外环（位置环）输出 → 内环（速度环）设定值
  2. 内环输出 → PWM占空比
  3. 采样周期：位置环50ms，速度环10ms

关键实现要点：

  • 内环采用增量式PID减少积分饱和影响
  • 外环输出限幅防止速度环超调
  • 动态调整内环参数适应不同负载

四、调试技巧与优化方法

4.1 硬件调试要点

  1. 电源完整性检查：

    • 使用示波器观察VM引脚纹波（应小于50mV）
    • 测量逻辑电源与驱动电源的隔离电阻（应大于1MΩ）

  2. 信号完整性验证：

    • 检查PWM信号边沿陡度（上升/下降时间<500ns）
    • 验证编码器信号相位差（严格90°±5°）

4.2 软件调试策略

  1. 分模块验证：

    • 先验证PWM输出功能
    • 单独测试编码器计数
    • 最后进行闭环控制测试

  2. 监控工具配置：

    • 使用逻辑分析仪捕获PWM和编码器信号
    • 通过串口输出实时数据到上位机
    • 示例数据格式：$POS,1234,SPD,456,PWM,789*

4.3 性能优化方向

  1. 计算效率提升：

    • 采用Q格式定点数运算替代浮点运算
    • 使用DMA进行编码器数据采集

  2. 动态响应优化：

    • 实现前馈补偿减少滞后
    • 添加加速度前馈改善轨迹跟踪

  3. 故障处理机制：

    • 过流保护（通过驱动模块FAULT引脚检测）
    • 堵转检测（编码器计数异常判断）
    • 看门狗定时器防止系统死锁

五、扩展应用场景

本方案可扩展应用于：

  1. 双轮差速驱动机器人：

    • 增加第二个驱动通道
    • 实现里程计计算
    • 添加PID参数在线调整接口

  2. 3D打印机挤出机控制：

    • 增加温度监测模块
    • 实现压力闭环控制
    • 添加挤出量补偿算法

  3. 自动化生产线输送系统：

    • 增加光电传感器接口
    • 实现多电机同步控制
    • 添加故障诊断与报警功能

通过合理的参数配置和系统优化，该方案在典型应用中可达到：

  • 位置控制精度：±0.1°
  • 速度响应带宽：20Hz
  • 稳态误差：<0.5%
  • 最大转速：3000RPM

实际部署时建议根据具体负载特性进行参数微调，并建立完善的测试用例库确保系统可靠性。

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