直流电机闭环控制：STM32F1 PWM+ADC电流采集，PID调速实战

LCG元2026-02-22 17:42

文章目录

    • 一、项目背景与原理概述
      • [1.1 核心原理拆解](#1.1 核心原理拆解)
      • [1.2 硬件选型（零基础友好）](#1.2 硬件选型（零基础友好）)
    • 二、硬件电路设计与接线
      • [2.1 电路拓扑（Mermaid流程图展示）](#2.1 电路拓扑（Mermaid流程图展示）)
      • [2.2 详细接线步骤（零基础友好）](#2.2 详细接线步骤（零基础友好）)
    • 三、软件环境搭建
      • [3.1 开发环境配置](#3.1 开发环境配置)
      • [3.2 STM32CubeMX配置步骤](#3.2 STM32CubeMX配置步骤)
    • 四、核心代码编写（详细注释）
      • [4.1 头文件定义与全局变量](#4.1 头文件定义与全局变量)
      • [4.2 PID算法实现](#4.2 PID算法实现)
      • [4.3 PWM输出与电机控制](#4.3 PWM输出与电机控制)
      • [4.4 ADC电流采集](#4.4 ADC电流采集)
      • [4.5 编码器转速采集（可选）](#4.5 编码器转速采集（可选）)
      • [4.6 串口调试函数](#4.6 串口调试函数)
      • [4.7 main函数主逻辑](#4.7 main函数主逻辑)
      • [4.8 时钟配置函数](#4.8 时钟配置函数)
    • 五、调试与参数整定
      • [5.1 硬件调试](#5.1 硬件调试)
      • [5.2 PID参数整定](#5.2 PID参数整定)
      • [5.3 常见问题与解决](#5.3 常见问题与解决)
    • 六、项目扩展与优化
    • 总结

一、项目背景与原理概述

你想要实现的是基于STM32F1系列单片机的直流电机闭环调速系统，核心是通过PWM输出控制电机转速，ADC采集电机工作电流，再结合PID算法实现精准的转速调节，相比开环控制，闭环控制能有效抵抗负载变化、电压波动等干扰，让电机转速保持稳定。

1.1 核心原理拆解

  • PWM调速：通过改变STM32输出的PWM波占空比，调整施加在直流电机两端的平均电压，从而改变电机转速。
  • ADC电流采集：利用采样电阻将电机的工作电流转换为电压信号，通过STM32的ADC通道采集该电压，再换算为实际电流值，用于监测电机运行状态和参与PID调节。
  • PID闭环控制：将电机实际转速（可通过编码器或电流间接反映，本文以电流辅助+转速反馈为例）与目标转速对比，通过比例（P）、积分（I）、微分（D）算法计算出补偿量，动态调整PWM占空比，使实际转速逼近目标转速。

1.2 硬件选型（零基础友好）

硬件模块 型号/规格 作用
主控芯片 STM32F103C8T6 核心控制，输出PWM、采集ADC等
直流电机 12V直流减速电机 被控对象
电机驱动 L298N（或TB6612） 放大STM32的PWM信号，驱动电机
采样电阻 0.1Ω/2W精密电阻 将电机电流转换为电压信号
电源 12V/2A直流电源 给电机供电；5V给STM32供电
编码器（可选） 霍尔编码器（AB相） 采集电机实际转速（精准反馈）
滤波电容 100uF+0.1uF 稳定ADC采集电压
杜邦线/面包板 通用款 电路连接

二、硬件电路设计与接线

2.1 电路拓扑（Mermaid流程图展示）

12V直流电源
IN1/IN2引脚
5V降压模块
STM32F103C8T6
PWM输出通道TIM1_CH1
GPIO输出
直流电机
0.1Ω采样电阻
GND
RC滤波电路
STM32 ADC1_CH0
霍尔编码器
STM32 TIM2_CH1/CH2
PID算法计算
USART串口
上位机

2.2 详细接线步骤（零基础友好）

  1. 电源接线：

    • 12V电源正极接L298N的12V引脚，负极接L298N的GND引脚；
    • L298N的5V引脚可对外供电（若电流不足，建议单独接5V降压模块），接STM32的VCC引脚；
    • 所有GND（STM32、L298N、采样电阻、电源）必须共地，否则ADC采集会有误差。

  2. STM32与L298N接线：

    • STM32的PA8（TIM1_CH1）接L298N的ENA引脚（PWM调速）；
    • STM32的PA0、PA1接L298N的IN1、IN2引脚（控制电机正反转）；
    • L298N的OUT1、OUT2接直流电机的两端。

  3. 电流采集电路接线：

    • 在电机负极回路中串联0.1Ω采样电阻；
    • 采样电阻两端并联100uF电解电容+0.1uF陶瓷电容（RC滤波）；
    • 滤波后的电压信号接STM32的PA0（ADC1_CH0），注意电压范围不超过3.3V（STM32 ADC量程）。

  4. 编码器接线（可选）：

    • 编码器VCC接5V，GND接共地；
    • 编码器A相接STM32的PA0（TIM2_CH1），B相接PA1（TIM2_CH2）（需注意引脚复用）。

  5. 串口接线（调试用）：

    • STM32的PA9（TX）接USB转TTL的RX，PA10（RX）接USB转TTL的TX，GND共地。

三、软件环境搭建

3.1 开发环境配置

  1. 下载并安装STM32CubeMX（版本6.0以上）：用于图形化配置STM32外设；
  2. 下载并安装Keil MDK-ARM（版本5.30以上）：用于代码编译和下载；
  3. 安装STM32F103C8T6的器件库（在Keil中添加对应的Device Pack）；
  4. 配置J-Link/ST-Link调试器驱动，确保能正常下载程序到STM32。

3.2 STM32CubeMX配置步骤

  1. 新建工程：

    • 打开STM32CubeMX，选择"Access to MCU Selector"；
    • 搜索"STM32F103C8T6"，选择对应芯片，点击"Start Project"。

  2. 系统配置：

    • 点击"System Core"→"RCC"，选择"HSE"（外部高速时钟）为"Crystal/Ceramic Resonator"；
    • 点击"System Core"→"SYS"，调试接口选择"Serial Wire"（SWD，节省引脚）。

  3. PWM配置（TIM1）：

    • 点击"Timers"→"TIM1"，模式选择"PWM Generation CH1"；
    • 配置预分频器（PSC）：72-1=71（系统时钟72MHz，分频后1MHz）；
    • 自动重装值（ARR）：999（PWM频率=1MHz/(999+1)=1kHz，适合电机驱动）；
    • PWM模式选择"PWM Mode 1"，使能CH1输出。

  4. ADC配置（ADC1）：

    • 点击"Analog"→"ADC1"，模式选择"Independent Mode"；
    • 启用"IN0"通道，采样时间设置为"239.5 Cycles"（提高采集精度）；
    • 开启ADC连续转换模式，数据对齐方式选择"Right alignment"。

  5. 定时器配置（编码器用TIM2）：

    • 点击"Timers"→"TIM2"，模式选择"Encoder Mode"，选择"Encoder Mode TI1 and TI2"；
    • 预分频器设为0，自动重装值设为65535（最大计数范围）。

  6. GPIO配置：

    • 配置PA0、PA1为"GPIO_Output"（IN1、IN2引脚），默认电平设为低；
    • 其他引脚保持默认。

  7. 串口配置（USART1）：

    • 点击"Connectivity"→"USART1"，模式选择"Asynchronous"（异步通信）；
    • 波特率设为115200，数据位8，停止位1，无校验。

  8. 时钟树配置：

    • 点击"Clock Configuration"，将HCLK设为72MHz（STM32F103最大主频）；
    • 确认各外设时钟分频正确（如APB1=36MHz，APB2=72MHz）。

  9. 生成代码：

    • 点击"Project Manager"，设置工程名称、保存路径，工具链选择"MDK-ARM"；
    • 点击"Code Generator"，选择"Generate peripheral initialization as a pair of '.c/.h' files per peripheral"；
    • 点击"Generate Code"，生成工程后用Keil打开。

四、核心代码编写（详细注释）

4.1 头文件定义与全局变量

c 复制代码 
#include "main.h"
#include "adc.h"
#include "tim.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"

/* PID参数定义 */
typedef struct {
    float Target;    // 目标值（转速/电流）
    float Actual;    // 实际值
    float Kp;        // 比例系数
    float Ki;        // 积分系数
    float Kd;        // 微分系数
    float Error;     // 当前误差
    float LastError; // 上一次误差
    float SumError;  // 误差积分
    float Output;    // PID输出（PWM占空比）
    float MaxOutput; // 输出上限
    float MinOutput; // 输出下限
} PID_TypeDef;

/* 全局变量 */
PID_TypeDef MotorPID;       // 电机PID结构体
uint16_t ADC_Value = 0;     // ADC原始采集值
float Motor_Current = 0.0f; // 电机电流（单位：A）
uint16_t Motor_Speed = 0;   // 电机转速（单位：rpm，编码器采集）
uint16_t Target_Speed = 1000; // 目标转速
uint32_t Encoder_Count = 0; // 编码器计数值

/* 函数声明 */
void PID_Init(PID_TypeDef *pid, float kp, float ki, float kd, float max_out, float min_out);
float PID_Calculate(PID_TypeDef *pid, float target, float actual);
void Motor_Set_PWM(uint16_t duty);
void Motor_Set_Dir(uint8_t dir); // 0-正转，1-反转
void ADC_Get_Current(void);
void Encoder_Get_Speed(void);
void USART_Send_Data(void); // 串口发送调试数据

4.2 PID算法实现

c 复制代码 
/**
  * @brief  PID参数初始化
  * @param  pid: PID结构体指针
  * @param  kp: 比例系数
  * @param  ki: 积分系数
  * @param  kd: 微分系数
  * @param  max_out: 输出上限
  * @param  min_out: 输出下限
  * @retval 无
  */
void PID_Init(PID_TypeDef *pid, float kp, float ki, float kd, float max_out, float min_out)
{
    pid->Kp = kp;
    pid->Ki = ki;
    pid->Kd = kd;
    pid->MaxOutput = max_out;
    pid->MinOutput = min_out;
    pid->Target = 0.0f;
    pid->Actual = 0.0f;
    pid->Error = 0.0f;
    pid->LastError = 0.0f;
    pid->SumError = 0.0f;
    pid->Output = 0.0f;
}

/**
  * @brief  PID计算
  * @param  pid: PID结构体指针
  * @param  target: 目标值
  * @param  actual: 实际值
  * @retval PID输出值
  */
float PID_Calculate(PID_TypeDef *pid, float target, float actual)
{
    // 更新目标值和实际值
    pid->Target = target;
    pid->Actual = actual;
    
    // 计算当前误差
    pid->Error = pid->Target - pid->Actual;
    
    // 积分项（积分限幅，防止积分饱和）
    pid->SumError += pid->Error;
    if(pid->SumError > pid->MaxOutput / pid->Ki)
    {
        pid->SumError = pid->MaxOutput / pid->Ki;
    }
    else if(pid->SumError < pid->MinOutput / pid->Ki)
    {
        pid->SumError = pid->MinOutput / pid->Ki;
    }
    
    // PID公式计算
    pid->Output = pid->Kp * pid->Error + pid->Ki * pid->SumError + pid->Kd * (pid->Error - pid->LastError);
    
    // 输出限幅
    if(pid->Output > pid->MaxOutput)
    {
        pid->Output = pid->MaxOutput;
    }
    else if(pid->Output < pid->MinOutput)
    {
        pid->Output = pid->MinOutput;
    }
    
    // 更新上一次误差
    pid->LastError = pid->Error;
    
    return pid->Output;
}

4.3 PWM输出与电机控制

c 复制代码 
/**
  * @brief  设置电机PWM占空比
  * @param  duty: 占空比（0-999，对应0-100%）
  * @retval 无
  */
void Motor_Set_PWM(uint16_t duty)
{
    // 限幅，防止超出PWM范围
    if(duty > 999)
    {
        duty = 999;
    }
    else if(duty < 0)
    {
        duty = 0;
    }
    // TIM1_CH1的PWM值更新（CCR1寄存器）
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, duty);
}

/**
  * @brief  控制电机正反转
  * @param  dir: 0-正转，1-反转
  * @retval 无
  */
void Motor_Set_Dir(uint8_t dir)
{
    if(dir == 0)
    {
        // 正转：IN1=高，IN2=低
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);
    }
    else
    {
        // 反转：IN1=低，IN2=高
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET);
    }
}

4.4 ADC电流采集

c 复制代码 
/**
  * @brief  获取电机电流值
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void ADC_Get_Current(void)
{
    // 启动ADC转换
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    // 等待转换完成
    if(HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10) == HAL_OK)
    {
        // 读取ADC原始值（12位ADC，范围0-4095）
        ADC_Value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
        // 转换为电压值：V = (ADC_Value / 4095) * 3.3V
        float Voltage = (float)ADC_Value * 3.3f / 4095.0f;
        // 转换为电流值：I = V / R（R=0.1Ω）
        Motor_Current = Voltage / 0.1f;
    }
    // 停止ADC转换
    HAL_ADC_Stop(&hadc1);
}

4.5 编码器转速采集（可选）

c 复制代码 
/**
  * @brief  获取电机转速
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void Encoder_Get_Speed(void)
{
    // 读取编码器计数值（TIM2的CNT寄存器）
    Encoder_Count = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2);
    // 转速计算：假设编码器每转脉冲数为11，减速比为30
    // 转速(rpm) = (计数值 * 60) / (脉冲数 * 减速比 * 采样时间)
    // 采样时间设为100ms（0.1s）
    Motor_Speed = (Encoder_Count * 60) / (11 * 30 * 0.1f);
    // 清零计数值，准备下一次采样
    __HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim2, 0);
}

4.6 串口调试函数

c 复制代码 
/**
  * @brief  串口发送调试数据（电流、转速、PWM占空比）
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void USART_Send_Data(void)
{
    char buf[100];
    sprintf(buf, "Target_Speed: %d rpm, Actual_Speed: %d rpm, Current: %.2f A, PWM_Duty: %d\r\n",
            Target_Speed, Motor_Speed, Motor_Current, (uint16_t)MotorPID.Output);
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)buf, strlen(buf), 100);
}

4.7 main函数主逻辑

c 复制代码 
int main(void)
{
    /* 初始化HAL库 */
    HAL_Init();
    /* 配置系统时钟 */
    SystemClock_Config();
    /* 初始化外设 */
    MX_GPIO_Init();
    MX_ADC1_Init();
    MX_TIM1_Init();
    MX_TIM2_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
    
    /* 启动PWM输出 */
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
    /* 启动编码器模式 */
    HAL_TIM_Encoder_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_ALL);
    
    /* PID参数初始化（需根据实际电机调试） */
    // Kp=1.2, Ki=0.5, Kd=0.1, 输出上限999, 下限0
    PID_Init(&MotorPID, 1.2f, 0.5f, 0.1f, 999.0f, 0.0f);
    
    /* 设置电机正转 */
    Motor_Set_Dir(0);
    
    /* 主循环 */
    while (1)
    {
        /* 采集电流（10ms一次） */
        ADC_Get_Current();
        /* 采集转速（100ms一次） */
        Encoder_Get_Speed();
        /* PID计算，调整PWM占空比 */
        PID_Calculate(&MotorPID, Target_Speed, Motor_Speed);
        /* 设置PWM占空比 */
        Motor_Set_PWM((uint16_t)MotorPID.Output);
        /* 串口发送调试数据（200ms一次） */
        USART_Send_Data();
        
        /* 延时10ms */
        HAL_Delay(10);
    }
}

4.8 时钟配置函数

c 复制代码 
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
  * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

/* 错误处理函数 */
void Error_Handler(void)
{
  __disable_irq();
  while (1)
  {
    // 可添加LED闪烁等错误提示
  }
}

五、调试与参数整定

5.1 硬件调试

  1. 电源检查：上电后，测量STM32的VCC引脚是否为3.3V，L298N的12V引脚是否为12V，确保无短路；
  2. PWM输出检查：用示波器测量PA8引脚，查看是否有1kHz的PWM波输出，占空比是否随PID调节变化；
  3. ADC采集检查：用万用表测量采样电阻两端电压，对比STM32串口输出的电流值，验证采集精度；
  4. 编码器检查：手动转动电机，查看串口输出的Actual_Speed是否有变化，确保编码器计数正常。

5.2 PID参数整定

PID参数是闭环控制的核心，需耐心调试，步骤如下：

  1. 先调P参数：将Ki=0、Kd=0，逐渐增大Kp，直到电机转速接近目标转速但有小幅波动；
  2. 再调I参数：保持Kp不变，逐渐增大Ki，消除静态误差（转速稳定在目标值）；
  3. 最后调D参数：小幅增大Kd，抑制转速波动，提高响应速度（D参数过大易导致震荡）；
  4. 微调优化：反复调整Kp、Ki、Kd，使电机在负载变化时转速仍能快速稳定。

5.3 常见问题与解决

问题现象 可能原因 解决方法
电机不转 PWM无输出/电机驱动板故障/接线错误 检查PWM引脚电平/更换驱动板/核对接线
电流采集值不准 采样电阻误差/滤波电路缺失/共地问题 更换精密电阻/添加RC滤波/确保共地
电机转速震荡 PID参数过大（尤其是P/D） 减小Kp/Kd参数
转速无法达到目标值 电源功率不足/PWM占空比已到上限 更换更大功率电源/调整PID输出上限

六、项目扩展与优化

  1. 添加过流保护：在ADC_Get_Current函数中，当电流超过阈值（如2A）时，关闭PWM输出，保护电机和驱动板；
  2. 添加LCD显示：外接1602/12864 LCD，实时显示目标转速、实际转速、电流等参数；
  3. 上位机控制：通过串口接收上位机指令，动态修改目标转速；
  4. 加入速度环+电流环双闭环：在转速环基础上，增加电流环，提高电机动态响应和过载保护能力；
  5. 低功耗优化：在电机停转时，关闭不必要的外设，降低STM32功耗。

总结

  1. 直流电机闭环控制的核心是PWM输出（调速）+ ADC/编码器采集（反馈）+ PID算法（调节），三者结合实现精准调速；
  2. 硬件接线需注意共地 和电压范围，软件需重点关注PID参数整定（先调P、再调I、最后调D）；
  3. 本教程的代码可直接移植到STM32F103C8T6开发板，零基础用户按接线、配置、编译、调试的步骤操作，即可完成闭环调速系统的落地。
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