电机转速控制系统算法分析与设计

这个电机驱动的接口电路主要包括以下部分：

电源供给‌：由VCC和GND提供必要的电源电压，C37（100nF）和C38（10uF）电容用于稳定电源电压，减少波动。

控制信号输入‌：‌PA8‌和‌PA11‌作为控制信号源，通过1kΩ的电阻R49和R50分别连接到电机驱动器U21的‌PB6‌和‌PB7‌引脚，用于控制电机的运行状态。

电机驱动核心‌：U21为电机驱动器，其‌OUT1‌和‌OUT2‌输出端直接连接到电机的两个接线端，通过改变这两个端口的电平状态，实现电机的正转、反转或停止。

手动开关控制‌：SK1开关用于手动控制整个电路的通断，从而实现对电机启动和停止的直接操作。

1. ‌**电阻网络（R49-R52）**‌

   • ‌分压作用 ‌：将U21的输出电压按比例衰减，适配下游引脚（如MCU的ADC输入范围）。计算公式为：
     Vout=Vin×RlowerRupper+RlowerVout=Vin×Rupper+RlowerRlower
     例如：若R49=10kΩ、R50=10kΩ，则PA8获得OUT1一半的电压。‌34
   • ‌限流保护‌：防止开关切换时瞬间电流冲击损坏U21或下游元件。‌9

2. ‌**滤波电容（C37, C38）**‌

   • ‌**C37 (100nF)**‌：滤除高频噪声（如开关抖动或电磁干扰），提升信号稳定性。
   • ‌C38 (10μF) ‌：抑制低频纹波，稳定供电电压，防止负载突变导致电压波动。‌56
     二者组合形成宽频带滤波网络。

   #include "sys.h"
   #include "encoder.h"

   /**************************************************************************
   函数功能：编码器初始化函数 PB6 PB7
   入口参数：无
   返回 值：无
   **************************************************************************/
   void MotorEncoder_Init(void)
   {
   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; //定义一个引脚初始化的结构体
   TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;//定义一个定时器初始化的结构体
   TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure; //定义一个定时器编码器模式初始化的结构体

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE); //使能TIM4时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); //使能CPIOB时钟
   
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;	//TIM4_CH1、TIM4_CH2
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);	//根据GPIO_InitStructure的参数初始化GPIO
   
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xffff; //设定计数器自动重装值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0; // 预分频器 
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //选择时钟分频：不分频
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上计数模式
    TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct的参数初始化定时器TIM4

   TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising); //使用编码器模式3：CH1、CH2同时计数，为四分频
   TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure); //把TIM_ICInitStruct 中的每一个参数按缺省值填入
   TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 10; //设置滤波器长度
   TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStructure); //根TIM_ICInitStructure参数初始化定时器TIM4编码器模式

    TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update);//清除TIM的更新标志位

   TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE); //更新中断使能
   TIM_SetCounter(TIM4,0); //初始化清空编码器数值

    TIM_Cmd(TIM4, ENABLE); //使能定时器4

   }
   /**************************************************************************
   函数功能：读取TIM4编码器数值
   入口参数：无
   返回 值：无
   **************************************************************************/
   int Read_Encoder(void)
   {
   //static long int CNT_START=0, CNT_END=0;
   int Encoder_TIM;
   Encoder_TIM=(short)TIM4->CNT; //读取计数

    if(Encoder_TIM>0xefff)
    	Encoder_TIM=Encoder_TIM-0xffff-1; //转化计数值为有方向的值，大于0正转，小于0反转。
   
    
    TIM4->CNT=0; //读取完后计数清零
    return Encoder_TIM; //返回值

   }

电机编码器信号采集，指的是通过硬件（如定时器）和软件配合，把电机编码器输出的脉冲信号实时、准确地转换为电机的转速或位置数据。下面详细解释：

---

1. 编码器信号采集是什么意思？

• 编码器是一种安装在电机轴上的传感器，能输出与电机旋转相关的脉冲信号（通常为A/B两路正交信号）。
• 信号采集就是把这些脉冲信号通过MCU（如STM32）的定时器捕获，转换为数字量，进而计算电机的转速、转向和位置。

---

2. 规则是什么？

• 硬件规则：编码器A/B两路信号接到定时器的输入通道（如TIM4的CH1/CH2），定时器配置为编码器接口模式（四倍频），自动计数。
• 软件规则 ：
  • 每隔固定周期读取一次定时器的计数值（CNT），得到本周期内的脉冲数（即电机转过的"步数"）。
  • 读取后立即清零计数器，保证下次读取的是增量。
  • 若计数值溢出（如超过0xefff），做符号转换，确保正反转都能正确识别。

---

3. 为什么要这么设计？

• 高效：利用硬件定时器自动计数，CPU负担小，实时性强。
• 高精度：四倍频计数，能捕获高速旋转下的每一个脉冲，精度高。
• 方向识别：正交信号能区分正反转，计数值正负表示旋转方向。
• 防止溢出：每次读取后清零，避免长时间运行导致计数溢出。
• 便于控制：实时获得电机运动信息，便于LADRC等控制算法进行闭环调节。

1. MotorEncoder_Init 函数

功能：初始化TIM4为编码器接口模式，配置相关GPIO和定时器参数。

主要步骤：

• 使能TIM4和GPIOB的时钟。
• 配置PB6、PB7为浮空输入（TIM4的CH1、CH2通道）。
• 配置TIM4定时器参数（自动重装值0xffff，向上计数，无分频）。
• 配置TIM4为编码器接口模式（TI12，双通道，四倍频，正交编码器常用）。
• 设置输入捕获滤波器，抗干扰。
• 清除更新中断标志，开启更新中断。
• 计数器清零，启动定时器。

---

2. Read_Encoder 函数

功能：读取编码器计数值，转换为有符号增量，并清零计数器。

主要步骤：

• 读取TIM4->CNT（当前计数值，short类型，防止溢出）。
• 若计数值大于0xefff（接近上限），做溢出处理，转换为负值（支持正反转）。
• 读取后将计数器清零，便于下次读取增量。
• 返回本周期的编码器增量。

---

3. 应用场景

• 适用于直流/步进电机的转速、位置闭环控制。
• 结合LADRC等控制算法，可实现高精度运动控制。

---

4. 关键点说明

• 编码器模式：TIM_EncoderMode_TI12，支持正交编码器A/B两路信号，四倍频计数。

• 滤波器：TIM_ICFilter = 10，有效抑制抖动和干扰。

• 溢出处理：防止计数器溢出导致的方向错误。

• 清零：每次读取后清零，便于获取增量。

  #include "MOTOR.h"
  #include "PWM.h"

  extern u8 Start;
  extern int ARR, PSC;

  //启动电机
  void loadMotor(int pwm)
  {

     if(Start)
     {
    	 if(pwm>=0)
    	 {
    			 
    			Motor_antiClock(  pwm  );
    		}
    		else
    		{
    				
    			Motor_Clock( -pwm);
    			
    		}
    	 
     }
     else
     {
    	 Motor_Clock( 0 );
     }

  }

  void Motor_antiClock(int pwm)
  {

    TIM_SetCompare1(TIM1,  pwm );
    TIM_SetCompare4(TIM1, 00);

  }
  void Motor_Clock(int pwm)
  {

    TIM_SetCompare1(TIM1, 00 );
    TIM_SetCompare4(TIM1,  pwm );

  }

  void Motor_Init(void)
  {
  //开关频率太高，必然短路
  STM32C8T6_PWM_Init( TIM1, CH1, GPIOA, GPIO_Pin_8, ARR, PSC);// 频率1k
  STM32C8T6_PWM_Init( TIM1, CH4, GPIOA, GPIO_Pin_11, ARR, PSC);//频率1k

  }

  int myAbs(int x)
  {
  if (x < 0)
  {
  return -x;
  }
  else
  {
  return x;
  }
  }

  //限幅函数
  int Limit(int x, int MAX)
  {
  if( x>=MAX )
  {
  return MAX;
  }

    else if(x<=-MAX)
    {
    	return -MAX;
    }
    else
    {
    	return x;
    }

  }

1. 主要功能

• loadMotor(int pwm)

  电机主控函数，根据pwm值和Start状态决定电机正转、反转或停止。

  • Start为真时，pwm≥0调用Motor_antiClock（反转），pwm<0调用Motor_Clock（正转）。
  • Start为假时，直接停止电机（pwm=0）。

• Motor_antiClock(int pwm)

  设置定时器通道1输出pwm，占空比控制反转，通道4输出0。

• Motor_Clock(int pwm)

  设置定时器通道4输出pwm，占空比控制正转，通道1输出0。

• Motor_Init(void)

  初始化PWM输出，分别配置TIM1的CH1和CH4通道，频率由ARR和PSC决定。

• myAbs(int x)

  求绝对值函数。

• Limit(int x, int MAX)

  限幅函数，保证x在[-MAX, MAX]区间内。

---

2. 设计规则与原理

• 正反转控制：通过控制两个PWM通道（CH1/CH4）分别输出，保证同一时刻只有一个方向有PWM，防止短路。
• 启停控制：Start变量决定是否允许电机动作，安全性高。
• PWM调速：pwm值决定占空比，进而调节电机速度。
• 限幅保护：Limit函数防止pwm超出硬件允许范围，保护电路和电机。

---

3. 应用场景

• 适用于直流电机的速度和方向控制。

• 可与LADRC等控制算法集成，实现闭环调速。

  void STM32C8T6_PWM_Init(TIM_TypeDef* TIMx, u8 CHx, GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin_x, u16 arr, u16 psc)
  {

     GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
     TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStrue;
     TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitTypeStrue;
     
     //RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);
    	 
     //RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO ,ENABLE);
     
     if(TIMx==TIM1)
     {
    		RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1,ENABLE); //ʹ��TIM1��ʱ��ʱ���� 
     }
     if(TIMx==TIM2)
     {
    		RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE);	 
     }
     if(TIMx==TIM3)
     {
    		RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);	  
     }
     if(TIMx==TIM4)
     {
    		RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4,ENABLE);
     }
     if(GPIOx==GPIOA)
     {
    	 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO ,ENABLE);
     }
     if(GPIOx==GPIOB)
     {
    	 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_AFIO ,ENABLE);
     }
     if(GPIOx==GPIOC)
     {
    	 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC | RCC_APB2Periph_AFIO ,ENABLE);
     }
  
    //�˿ڸ���ΪPWM���ģʽ
     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_x;				 //LED0-->PB.5 �˿�����
     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; 		 //�����������
     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;		 //IO���ٶ�Ϊ50MHz
     GPIO_Init(GPIOx, &GPIO_InitStructure);					 //�����趨������ʼ��GPIOB.5
    
    //��ʱ����ʼ��
    TIM_TimeBaseInitStrue.TIM_Period=arr; //�Զ�װ��ֵ
    TIM_TimeBaseInitStrue.TIM_Prescaler=psc;//Ԥ��Ƶϵ��
    TIM_TimeBaseInitStrue.TIM_CounterMode= TIM_CounterMode_Up;//����ģʽ
    TIM_TimeBaseInitStrue.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;//ʱ��ϵ��Tclk
    
    TIM_TimeBaseInit(TIMx, &TIM_TimeBaseInitStrue);
    
    //��ʼ���ȽϺ���
    TIM_OCInitTypeStrue.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1;//PWMģʽ1
    TIM_OCInitTypeStrue.TIM_OCNPolarity=TIM_OCNPolarity_High; //CNT<CCRΪ�ߵ�ƽ
    TIM_OCInitTypeStrue.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable;//ʹ��
    TIM_OCInitTypeStrue.TIM_Pulse = 0;//��ʼ״̬ռ�ձ�Ϊ0
    
    
    if(TIMx==TIM1)
    {
    	//��������Ǹ߼���ʱ�����У����PWM�����
    	TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1,ENABLE);  //ȷ����TIM1����PWM
    	
    }
    //ͨ��Ԥװ��  �ַ�����
    switch(CHx)
    {
    	case 1:
    		TIM_OC1Init(TIMx, &TIM_OCInitTypeStrue);//ͨ����ʼ��
    		TIM_OC1PreloadConfig(TIMx, TIM_OCPreload_Enable);
    		break;
    	case 2:
    		TIM_OC2Init(TIMx, &TIM_OCInitTypeStrue);//ͨ����ʼ��
    		TIM_OC2PreloadConfig(TIMx, TIM_OCPreload_Enable);
    		break;
    	case 3:
    		TIM_OC3Init(TIMx, &TIM_OCInitTypeStrue);//ͨ����ʼ��
    		TIM_OC3PreloadConfig(TIMx, TIM_OCPreload_Enable);
    		break;
    	case 4:
    		TIM_OC4Init(TIMx, &TIM_OCInitTypeStrue);//ͨ����ʼ��
    		TIM_OC4PreloadConfig(TIMx, TIM_OCPreload_Enable);
    		break;
    	default:
    		break;
    	
    }
    	
    //ʹ�ܶ�ʱ��
    TIM_Cmd(TIMx,ENABLE);

  }

1. PWM的作用

PWM（脉宽调制）是一种通过调整高电平占空比来控制电机功率的方法。占空比越大，电机转速越快；占空比为0时，电机停止。

---

2. 代码实现分析

主要接口

• STM32C8T6_PWM_Init(TIM1, CH1, GPIOA, GPIO_Pin_8, ARR, PSC)
• STM32C8T6_PWM_Init(TIM1, CH4, GPIOA, GPIO_Pin_11, ARR, PSC)

这两行代码初始化了TIM1的CH1和CH4通道，分别用于电机的正转和反转PWM输出。

ARR和PSC决定PWM的频率。

PWM输出控制

• TIM_SetCompare1(TIM1, pwm)
  设置TIM1通道1的比较值，决定CH1的占空比。
• TIM_SetCompare4(TIM1, pwm)
  设置TIM1通道4的比较值，决定CH4的占空比。

电机正反转

• Motor_antiClock(int pwm)
  反转：CH1输出pwm，CH4输出0。
• Motor_Clock(int pwm)
  正转：CH4输出pwm，CH1输出0。

启停与限幅

• loadMotor(int pwm)
  根据全局变量Start和pwm值，决定电机的启停和转向。
• Limit(int x, int MAX)
  防止pwm超出允许范围，保护电机和驱动电路。

---

3. 设计规则

• 只允许一个通道输出PWM，另一个通道输出0，防止桥臂短路。
• 通过改变pwm值（占空比）调速，方向由通道选择决定。
• 频率和分辨率由ARR、PSC参数灵活配置，适应不同电机需求。

可以看到定义PWM为7200-1，那么我的占空比为占7200的分数。

int ARR=7200-1, PSC=10-1; //