基于位置式PID算法调节PWM占空比实现电机转速控制

一、系统架构设计

1. 硬件组成

模块	核心组件	功能说明
主控单元	STM32F407（TIM1+TIM2）	PWM生成与PID运算
电机驱动	TB6612（PWMA/PWMB）	PWM输入控制电机转速
反馈装置	霍尔编码器（500线）	转速检测（2000脉冲/转）
电源模块	12V/2A DC电源	电机供电

2. 电路连接

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STM32引脚连接                | 功能说明
----------------------------|----------------------------
TIM1_CH1 (PA8)              | 电机PWM输出
TIM2_CH1 (PA0)              | 编码器A相信号输入
TIM2_CH2 (PA1)              | 编码器B相信号输入
PB6 (BOOT0)                 | 电机方向控制
3.3V                        | 编码器供电
GND                         | 公共地

二、PID算法实现

1. 位置式PID公式

u(k)=Kpe(k)+Kii=0∑ke(i)+Kd[e(k)−e(k−1)]u(k)=Kpe(k)+Kii=0∑ke(i)+Kd[e(k)−e(k−1)]u(k)=Kpe(k)+Kii=0∑ke(i)+Kd[e(k)−e(k−1)]

输入变量：目标转速（Setpoint）与实际转速（Feedback）的差值
输出变量：PWM占空比（0-100%）

2. 关键参数定义

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typedef struct {
    float Kp;      // 比例系数（建议初始值2.0-5.0）
    float Ki;      // 积分系数（建议初始值0.1-0.5）
    float Kd;      // 微分系数（建议初始值0.01-0.1）
    float integral;// 积分项累加值
    float prev_err;// 上一次误差
    float max_out; // 输出上限（PWM最大占空比）
} PID_HandleTypeDef;

3. PID初始化函数

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void PID_Init(PID_HandleTypeDef *pid, float Kp, float Ki, float Kd) {
    pid->Kp = Kp;
    pid->Ki = Ki;
    pid->Kd = Kd;
    pid->integral = 0.0f;
    pid->prev_err = 0.0f;
    pid->max_out = 100.0f; // PWM占空比上限
}

4. PID计算函数

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float PID_Compute(PID_HandleTypeDef *pid, float setpoint, float feedback, float dt) {
    float error = setpoint - feedback;
    
    // 比例项
    float Pout = pid->Kp * error;
    
    // 积分项
    pid->integral += error * dt;
    float Iout = pid->Ki * pid->integral;
    
    // 微分项
    float derivative = (error - pid->prev_err) / dt;
    float Dout = pid->Kd * derivative;
    
    // 计算总输出
    float output = Pout + Iout + Dout;
    
    // 输出限幅
    if(output > pid->max_out) {
        pid->integral -= error * dt; // 防止积分饱和
        output = pid->max_out;
    } else if(output < 0) {
        output = 0;
    }
    
    pid->prev_err = error;
    return output;
}

三、硬件驱动实现

1. PWM配置（STM32 HAL库）

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void MX_TIM1_Init(void) {
    TIM_HandleTypeDef htim1;
    
    htim1.Instance = TIM1;
    htim1.Init.Prescaler = 84-1;      // 84MHz / 84 = 1MHz
    htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim1.Init.Period = 1000-1;       // 1kHz PWM频率
    htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim1);
    
    // 配置通道1
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 0;              // 初始占空比0%
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
    
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
}

2. 编码器测速

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volatile uint32_t encoder_count = 0;
volatile float motor_speed = 0.0f;

// 编码器中断处理（TIM2）
void TIM2_IRQHandler(void) {
    if(TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_CC1) != RESET) {
        if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_SET) {
            encoder_count++;
        }
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_CC1);
    }
}

// 计算转速（每100ms更新一次）
void Calc_Speed() {
    static uint32_t last_count = 0;
    static float rpm = 0.0f;
    
    motor_speed = (encoder_count - last_count) * 60.0f / 0.1f; // 500线编码器
    last_count = encoder_count;
}

四、主控制循环

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int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    
    MX_TIM1_Init();   // PWM初始化
    MX_TIM2_Init();   // 编码器初始化
    
    PID_HandleTypeDef motor_pid;
    PID_Init(&motor_pid, 2.5f, 0.2f, 0.05f); // 初始参数
    
    while(1) {
        Calc_Speed();               // 更新转速测量值
        float duty = PID_Compute(&motor_pid, 1000.0f, motor_speed, 0.001f); // 1kHz采样
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, duty); // 更新占空比
        HAL_Delay(1);
    }
}

参考代码位置式PID调节PWM占空比控制电动机转速 www.youwenfan.com/contentcsj/70961.html

五、参数整定方法

1. Ziegler-Nichols法

步骤	操作	结果记录
1	关闭I/D项（Ki=0, Kd=0）	基准Kp值
2	逐渐增大Kp至系统持续振荡	记录Ku和Tu
3	计算PID参数：
	Kp = 0.6*Ku
	Ki = 1.2*Ku/Tu
	Kd = 0.075KuTu

2. 实际调试建议

初始参数：Kp=2.0, Ki=0.1, Kd=0.01
调整顺序：先调P→再调I→最后调D
典型调试现象： Kp过小：响应慢，稳态误差大 Kp过大：超调严重，振荡 Ki过大：积分饱和，爬行现象 Kd过大：噪声敏感，产生振荡