STM32 平衡车前置：直流电机正反转 PID 控制（编码器测速 + PWM 驱动）

平衡车的核心是通过精准控制左右电机的转速（正反转 + 速度闭环）来维持车身平衡，本文基于 STM32F103 平台，详解一套 "编码器测速 + PWM 驱动 + 正反转控制 + 自动测试" 的电机控制程序，为后续平衡车 PID 闭环控制打下基础。全程不修改代码，仅拆解核心逻辑，新手也能看懂。

一、程序核心功能与硬件基础

1. 核心功能

基于定时器编码器模式采集电机转速（带方向，正负值区分正反转）；
定时器 PWM 输出驱动电机，GPIO 电平控制电机正反转；
50ms 定时中断触发转速计算，实现速度实时监测；
正反转自动测试状态机：自动遍历不同 PWM 值（正转 4000-7000、反转 4000-7000），采集稳定后的平均转速；
串口调试：打印实时 PWM、方向、转速，支持 USMART 在线调试，兼容匿名上位机数据传输。

2. 硬件与定时器资源（核心重点）

外设 / 定时器	功能	关键参数
TIM1	PWM 输出（驱动电机）	72MHz 主频，预分频 1，ARR=7199（10kHz PWM）
TIM2	50ms 定时中断（触发转速计算）	预分频 7199，ARR=499（72M/7200=10kHz，10kHz*500=50ms）
TIM3	编码器模式（采集电机脉冲）	编码器模式 TI12，捕获 AB 相脉冲，溢出中断计数
USART1	串口调试 + 匿名上位机通信	115200 波特率，DMA / 中断接收
GPIOA	电机正反转控制（PA2/PA3）	推挽输出，PA2 = 高 / PA3 = 低→正转；反之反转
其他	I2C/AT24C02/OLED（辅助，非核心）	本文不重点讲解

二、主程序核心逻辑拆解

主程序是整个控制流程的 "大脑"，我们逐段解析关键部分：

1. 全局变量与初始化（程序入口）

cs 复制代码

// 设备句柄（封装外设操作，便于模块化调用）
TMX_UART_DEV* uart_dev;                 //串口设备
TMX_I2C_MASTER_DEV * i2c_master_dev;    //I2C主设备
TMX_AT24C02_DEV * at24c02_dev;          //EEPROM设备
TMX_OLED_DEV * oled_dev;                //OLED设备
TMX_PH2_TIMER_DEV* ph2_timer_dev;       //电机控制设备

// 测试相关变量（正反转自动测试核心）
static int16_t pwm_test_values[] = {4000, 5000, 6000, 7000, -4000, -5000, -6000, -7000};
static uint8_t pwm_index = 0;            // 当前测试的PWM值索引
static uint8_t test_state = 0;           // 测试状态机：0-设置PWM 1-稳定等待 2-数据采集
static int16_t current_pwm_signed = 0;   // 带符号的当前PWM值（正负区分方向）

初始化流程：

cs 复制代码

HAL_Init();                         // 初始化HAL库
sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); // 设置时钟为72MHz（STM32F103核心）
delay_init(72);                     // 延时初始化（对应72MHz主频）
usmart_init(72);                    // USMART在线调试初始化

// 外设初始化（核心电机控制相关）
uart_dev = tmx_uart_init(TMX_UART1,115200,UART_DMA_ON); // 串口1初始化
ph2_timer_dev = tmx_ph2_timer_init();      // 电机控制模块初始化（TIM1/2/3+GPIO）

tmx_ph2_timer_init()是电机控制的核心初始化函数，内部完成：

TIM2（50ms 中断）初始化并开启中断；
TIM3（编码器模式）初始化，开启溢出中断，启动编码器采集；
TIM1（PWM）初始化，配置 CH1 输出 PWM 并启动；
GPIOA2/A3（正反转）初始化，默认设置为正转。

2. 主循环：核心控制逻辑

主循环分为两大分支：定时器事件处理（50ms） 和串口接收处理，其中定时器事件是电机控制的核心。

（1）50ms 定时事件处理（TIM2 中断触发）

cs 复制代码

if(ph2_timer_dev->event == 1){
    temp1++;
    ph2_timer_dev->event = 0;       // 清除TIM2中断标志
    
    // 每500ms（10次*50ms）计算一次转速并执行测试逻辑
    if(temp1 >10){
        // 1. 计算当前电机转速（参数500=计算周期500ms）
        int16_t speed = ph2_timer_dev->get_speed_left(500);
        // 2. 读取当前PWM寄存器值（绝对值）
        uint16_t current_pwm_abs = TIM1->CCR1;
        // 3. 还原带符号的PWM值（正负区分方向）
        int16_t actual_pwm = current_pwm_signed >= 0 ? current_pwm_abs : -current_pwm_abs;
        
        // 4. 打印实时状态（调试用）
        printf("方向: %s, 设定PWM: %d, 实际PWM: %d, 速度: %d RPM\r\n",
               (current_pwm_signed >= 0) ? "正转" : "反转",
               current_pwm_signed, actual_pwm, speed);
        
        // 5. 正反转自动测试状态机（核心中的核心）
        static uint8_t wait_counter = 0;
        static uint8_t sample_counter = 0;
        static int32_t speed_sum = 0;
        static uint16_t abs_pwm_value = 0;
        
        switch(test_state){
            case 0:  // 状态0：设置新的PWM值（切换正反转/不同PWM）
                current_pwm_signed = pwm_test_values[pwm_index];
                abs_pwm_value = (current_pwm_signed >= 0) ? current_pwm_signed : -current_pwm_signed;
                
                printf("\n=== 测试 %s, PWM=%d ===\r\n",
                       (current_pwm_signed >= 0) ? "正转" : "反转",
                       abs_pwm_value);
                
                // 设置PWM（内部自动处理方向：正→PA2=高，反→PA3=高）
                ph2_timer_dev->set_pwm_left(current_pwm_signed);
                
                test_state = 1;  // 切换到"稳定等待"状态
                wait_counter = 0;
                sample_counter = 0;
                speed_sum = 0;
                break;
                
            case 1:  // 状态1：等待电机稳定（2秒=4次*500ms）
                wait_counter++;
                if(wait_counter >= 4) {  
                    printf("电机已稳定，开始采集数据...\r\n");
                    test_state = 2;  // 切换到"数据采集"状态
                }
                break;
                
            case 2:  // 状态2：采集3秒数据（6次*500ms），计算平均转速
                sample_counter++;
                speed_sum += speed;  // 累加每次的转速值
                
                if(sample_counter >= 6) {  
                    int16_t avg_speed = speed_sum / 6;  // 计算平均转速
                    
                    // 打印测试结果
                    printf("测试结果: %s PWM=%d -> 平均速度=%d RPM\r\n",
                           (current_pwm_signed >= 0) ? "正转" : "反转",
                           abs_pwm_value, avg_speed);
                    
                    // 切换到下一个测试PWM值
                    pwm_index++;
                    if(pwm_index >= sizeof(pwm_test_values)/sizeof(pwm_test_values[0])) {
                        pwm_index = 0;  // 测试完一轮，从头再来
                        printf("\n=== 正反转完整测试完成 ===\r\n");
                    }
                    
                    test_state = 0;  // 回到"设置PWM"状态
                }
                break;
        }
        
        // 6. 发送转速到匿名上位机（可视化）
        send_speed_to_anonymous(speed);
        temp1 = 0;  // 重置计数器
    }
}

关键解析：

ph2_timer_dev->event == 1：由 TIM2 的 50ms 中断回调函数置 1，是整个电机控制的 "心跳"；
get_speed_left(500)：核心测速函数，基于 TIM3 编码器的脉冲数 + 溢出数，计算 500ms 内的电机转速（RPM）；
状态机设计：避免电机刚切换 PWM 就采集数据（转速不稳定），先等 2 秒稳定，再采集 3 秒数据求平均，保证测试准确性；
set_pwm_left(current_pwm_signed)：封装函数，内部根据 PWM 正负设置 GPIO 方向，再将绝对值写入 TIM1->CCR1（PWM 占空比）。

（2）串口接收处理（USMART 调试 + 数据打印）

cs 复制代码

if(uart_dev->finish == 1){
  // 识别USMART格式（u_xxx(yyy)\r\n），交给USMART处理
  if(uart_dev->length>=8 && 
     uart_dev->buffer[0] == 'u' && 
     uart_dev->buffer[1] == '_' && 
     uart_dev->buffer[uart_dev->length-2] == '\r' && 
     uart_dev->buffer[uart_dev->length-1] == '\n'){
    usmart_action((char *)(uart_dev->buffer));
  }
  else{
    // 非USMART格式，直接打印接收的数据（调试用）
    printfBuffer(uart_dev->buffer,uart_dev->length);
  } 
  // 重新开启串口接收（DMA/中断）
  uart_dev->start_receive();
}

USMART 作用 ：无需重新烧录程序，直接通过串口调用自定义函数（如u_test1(1)），快速调试电机参数。

3. 辅助函数：上位机通信

send_speed_to_anonymous(int16_t speed)：将转速数据封装成匿名上位机的通信协议（帧头 + 功能字 + 数据 + 校验和），通过串口发送，实现转速可视化（上位机可实时绘图）。

三、核心定时器工作原理（新手必懂）

1. TIM2：50ms 定时中断（心跳定时器）

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htim2.Init.Prescaler = 7200-1;  // 预分频=7199 → 72MHz/7200=10kHz
htim2.Init.Period = 500-1;      // 自动重装值=499 → 10kHz/(499+1)=20Hz → 周期50ms

中断回调：HAL_TIM_PeriodElapsedCallback中检测到 TIM2 中断，置位_ph2_timer_dev.event = 1，触发主循环的转速计算。

2. TIM3：编码器模式（测速核心）

编码器模式原理：电机带动编码器旋转，输出 AB 相脉冲，TIM3 通过捕获 AB 相脉冲的上升沿 / 下降沿，自动计数（正转加、反转减），溢出时触发中断，记录溢出次数（n_left）。

测速公式（get_speed_left内部）：

cs 复制代码

int32_t P = (int32_t)n * 65535 + (int32_t)x;  // 总脉冲数（溢出数*最大值 + 当前计数值）
int32_t rpm = (P * 60000) / (4 * XIANSHU * JIANSUBI * d);  // 转成RPM

4：编码器 AB 相四倍频（TIM3 编码器模式默认）；
XIANSHU=11：编码器每圈 11 个脉冲；
JIANSUBI=20：电机减速比 20（编码器转 20 圈 = 轮子转 1 圈）；
d=500：计算周期（ms），60000=60*1000（转成每分钟转速）。

3. TIM1：PWM 输出（驱动电机）

初始化参数：

cs 复制代码

htim1.Init.Prescaler = 1-1;     // 预分频=0 → 72MHz主频
htim1.Init.Period = 7200-1;     // ARR=7199 → PWM频率=72MHz/7200=10kHz（电机驱动常用频率）

PWM 占空比：TIM1->CCR1的值决定占空比，例如CCR1=3600 → 占空比 = 3600/7200=50%，值越大转速越快。

四、测试效果与后续扩展

1. 测试效果

串口打印示例：

cs 复制代码

=== 测试 正转, PWM=4000 ===
方向: 正转, 设定PWM: 4000, 实际PWM: 4000, 速度: 120 RPM
方向: 正转, 设定PWM: 4000, 实际PWM: 4000, 速度: 119 RPM
电机已稳定，开始采集数据...
测试结果: 正转 PWM=4000 -> 平均速度=120 RPM

=== 测试 正转, PWM=5000 ===
...
=== 测试 反转, PWM=4000 ===
方向: 反转, 设定PWM: -4000, 实际PWM: -4000, 速度: -118 RPM
...
=== 正反转完整测试完成 ===
测试序列: 正转4000-7000, 反转4000-7000

2. 后续扩展（平衡车方向）

加入 PID 闭环控制：根据 "目标转速 - 实际转速" 的误差，自动调整 PWM 值，实现转速精准跟随；
双轮控制：复制左轮逻辑到右轮，同步控制左右电机；
加入姿态传感器（MPU6050）：采集车身倾角，结合电机转速 PID，实现平衡车自平衡；
优化测速：加入卡尔曼滤波，抑制转速数据抖动。

总结

本文详解的程序是平衡车开发的核心前置模块，核心逻辑是 "TIM2 定时触发→TIM3 编码器测速→状态机测试→TIM1 PWM 驱动 + GPIO 方向控制"。程序采用模块化封装（设备句柄），便于后续扩展；状态机设计保证测试准确性，USMART 和上位机通信降低调试难度。

掌握这套程序后，只需加入姿态传感器和 PID 闭环算法，就能实现平衡车的基础自平衡控制。核心是理解三个定时器的分工：TIM2 做定时、TIM3 做测速、TIM1 做驱动，这也是 STM32 电机控制的经典搭配。