电机驱动开发学习11. 速度环控制

电机驱动开发学习11. 速度环控制

• 一、速度环是什么
• • [1.1 开环 PWM 与闭环速度的区别](#1.1 开环 PWM 与闭环速度的区别)
  • [1.2 控制周期](#1.2 控制周期)
• 二、实验简介
• • [2.1 本章目标](#2.1 本章目标)
  • [2.2 硬件说明](#2.2 硬件说明)
• 三、程序设计
• • [3.1 目录与模块划分（规划）](#3.1 目录与模块划分（规划）)
  • [3.2 速度反馈：霍尔 RPM](#3.2 速度反馈：霍尔 RPM)
  • [3.3 速度环 PID 数据流](#3.3 速度环 PID 数据流)
  • [3.4 PID 参数与限幅建议](#3.4 PID 参数与限幅建议)
  • [3.5 基本定时器 TIM6（速度环节拍）](#3.5 基本定时器 TIM6（速度环节拍）)
  • [3.6 核心代码示例](#3.6 核心代码示例)
  • • [3.6.1 单次速度环：`speed_pid_control` + `speed_pid_apply_output`](#3.6.1 单次速度环：speed_pid_control + speed_pid_apply_output)
    • [3.6.2 主循环入口：`speed_pid_poll`](#3.6.2 主循环入口：speed_pid_poll)
    • [3.6.3 占空比与换相](#3.6.3 占空比与换相)
    • [3.6.4 启动与停止](#3.6.4 启动与停止)
• [四、FreeMASTER 与串口调参](#四、FreeMASTER 与串口调参)
• • [4.1 FreeMASTER 监视变量（推荐）](#4.1 FreeMASTER 监视变量（推荐）)
  • [4.2 VOFA+ FireWater 波形（串口）](#4.2 VOFA+ FireWater 波形（串口）)
  • [4.3 串口命令](#4.3 串口命令)
• 五、主程序流程
• • [5.1 初始化](#5.1 初始化)
  • [5.2 主循环](#5.2 主循环)
• [六、建议操作与 PID 整定](#六、建议操作与 PID 整定)
• • [6.1 推荐操作流程（总览）](#6.1 推荐操作流程（总览）)
  • [6.2 开环摸底（必做）](#6.2 开环摸底（必做）)
  • [6.3 启停与改目标](#6.3 启停与改目标)
  • [6.4 推荐 PID 起步参数（空载）](#6.4 推荐 PID 起步参数（空载）)
  • [6.5 分步调参](#6.5 分步调参)
  • [6.6 积分饱和与两种「怪现象」](#6.6 积分饱和与两种「怪现象」)
  • [6.7 负载扰动（可选）](#6.7 负载扰动（可选）)
• 七、本章小结

一、速度环是什么

本章把前面章节的六步换相、位置式PID模块 接到电机上 ：不再手动调 v 3000 这种占空比，而是设定 目标转速（RPM），由 PID 自动算出该输出多少 PWM，让实际转速跟随目标，即闭环控制：

这就是 单环速度闭环：被控量是转速，执行量是 PWM，反馈来自霍尔。

1.1 开环 PWM 与闭环速度的区别

方式	做法	问题
开环	固定占空比，负载变大转速掉、电压变转速漂	同一占空比在不同工况下 RPM 不一致
闭环	给定目标 RPM，PID 自动加减占空比	负载、电压变化时仍能稳住转速（在 PID 能力范围内）

如前章所述，本系列 BLDC 主线统一采用 位置式 PID （lesson8 / lesson9 已说明）。速度环里 PID 的输出就是 PWM 占空比的绝对值 ，直接 set_bldcm_speed(duty)，与 lesson4 开环接口一致。

增量式 PID 更适合「在现有输出上微调」的场景（如步进脉冲频率），速度环用位置式更直观。

1.2 控制周期

PID 必须 固定周期 调用（lesson9 强调 dt 与定时器一致）。野火官方例程常用 TIM6 基本定时器，默认 50 ms 一次速度环；本仓库 lesson9 仿真用 10 ms 。速度环周期越短响应越快，但对 CPU 和测速噪声更敏感，一般 10～50 ms 均可，改周期后 Kp/Ki/Kd 需重新整定。

---

二、实验简介

2.1 本章目标

• 在 lesson7 霍尔测速基础上，增加 速度环 PID ，实现 目标 RPM → 自动 PWM
• 复用 lesson9 的 bsp_pid.c/h（输出限幅、积分限幅、抗饱和）
• 用 lesson10 的 FreeMASTER 监视 SP / ACT(RPM) / OUT(PWM) / P/I/D，在线改目标与 PID 参数
• 串口输出 VOFA+ FireWater 7 通道波形（与 lesson9 相同协议）
• 保留 lesson6/7 的 过流保护、堵转检测，闭环运行时仍生效
• 串口保留基本启停与目标 RPM 命令（与 FreeMASTER 互补）

2.2 硬件说明

实验平台：野火骄阳 F407 + 无刷驱动板 + 配套 BLDC 电机（带霍尔）。

接线与 lesson4 / lesson7 相同：三相 U/V/W、霍尔 HU/HV/HW、驱动板 SD、5V/GND 等。推荐使用牛角排线接在开发板 「无刷电机驱动接口 2」。

---

三、程序设计

3.1 目录与模块划分（规划）

在 lesson10 工程基础上扩展，核心新增/改动如下：

User/
├── pid/
│   ├── bsp_pid.c/h          # 复用 lesson9，不改公式
│   └── bsp_pid_app.c/h      # 速度环应用：读 RPM、调 PWM、串口/FreeMASTER
├── vofa/
│   └── bsp_vofa.c/h         # VOFA+ FireWater 7 通道波形
├── tim/
│   └── bsp_motor_tim.c/h    # TIM8 PWM + TIM5 霍尔测速
├── bldcm_control/           # 启停、方向、set_bldcm_speed
├── freemaster/
│   └── bsp_fm_vars.h        # g_fm_target_rpm、g_fm_speed_loop_en 等
└── main.c                   # 初始化电机 + 速度环 + 过流/堵转保护

3.2 速度反馈：霍尔 RPM

lesson7 已在 TIM5 霍尔捕获中断 里更新转速，应用层只需读取：

uint16_t rpm = motor_hall_get_rpm();   /* 无符号转速，单位 RPM */

内部换算（本仓库 bsp_motor_tim.h）要点：

• TIM5 计数时钟 84 MHz ，预分频 128
• 电机 2 对极 ，机械转一圈 12 次霍尔状态变化（6 步 × 2）
• 两次跳变间隔 capture 个计数，则
  RPM = 60 × 84000000 / (6 × 2 × 128 × capture)

主循环中应周期性调用 motor_hall_speed_poll()：超过约 200 ms 无霍尔跳变则 RPM 置 0（电机停转或堵转）。

3.3 速度环 PID 数据流

定时中断（如每 50 ms）或 HAL_GetTick 节拍：
  1. actual_rpm = motor_hall_get_rpm()
  2. out = pid_update(&pid, target_rpm, (float)actual_rpm)
  3. 若 out < 0：取绝对值，direction = 反转；否则 direction = 正转
  4. duty = clamp(out, 0, MOTOR_PWM_MAX_PERIOD_COUNT)
  5. set_bldcm_direction(...); set_bldcm_speed(duty); 使能电机

与野火官方 bldcm_pid_control() 思路一致：PID 输出带符号表示「转矩方向 + 大小」，负值时反转并取绝对值作为占空比。

3.4 PID 参数与限幅建议

项目	建议初值	说明
目标 SP	500～1500 RPM	空载先试，勿一步给过高
out_min	0	PWM 不能为负
out_max	MOTOR_PWM_MAX_PERIOD_COUNT（约 5500）	与 lesson4 一致
integral_max	视 Ki 调整，如 5000～15000	防积分过大
dt	0.05f（50 ms）或 0.01f（10 ms）	与速度环周期严格一致
Kp / Ki / Kd	需实机整定	可参考下文第六节

注意 ：lesson9 仿真里 SP/ACT 是 0～100 的无量纲值；本章 SP 与 ACT 都是 RPM ，数量级变大，不能直接照搬 lesson9 的 Kp=1.5、Ki=0.35，必须重新整定。

3.5 基本定时器 TIM6（速度环节拍）

野火例程用 TIM6 产生固定周期中断，在中断里调用速度环，保证 dt 恒定。配置要点（与官方一致）：

• 时钟源 TIM6CLK = 84 MHz（APB1 定时器倍频）
• 预分频 1680 → 计数频率 50 kHz
• 自动重装载 ARR = 50×N − 1 → 周期 N ms（N=1～1000）

也可像 lesson10 一样在 pid_app_poll() 里用 HAL_GetTick() 做 10 ms 节拍；两种方式二选一，不要中断和主循环各算一遍 PID。

3.6 核心代码示例

位于 User/pid/bsp_pid_app.c。

3.6.1 单次速度环：speed_pid_control + speed_pid_apply_output

/**
 * speed_pid_control --- 读霍尔 RPM → 算 PID → 输出 PWM
 * 由 speed_pid_poll() 每 50ms 调用，或在 g_fm_speed_loop_en 0→1 时立即调用一次
 */
static void speed_pid_control(void)
{
    float cont_val;
    uint16_t actual_rpm;

    /* ① 反馈：TIM5 霍尔捕获中断里更新的 motor_rpm，经 EMA 滤波 */
    actual_rpm = motor_hall_get_rpm();
    g_fm_actual_rpm = (float)actual_rpm;
    g_fm_error = g_fm_target_rpm - g_fm_actual_rpm;   /* 供 FreeMASTER / VOFA+ 监视 */

    /* ② SP 低于 SPEED_PID_STOP_RPM(10)：视为停转，不跑 PID，清积分 */
    if (g_fm_target_rpm < SPEED_PID_STOP_RPM)
    {
        set_bldcm_speed(0U);
        bldcm_apply_state();
        g_fm_pwm_out = 0.0f;
        pid_reset(&g_fm_pid);
        return;
    }

    /* ③ 位置式 PID：out 为带符号控制量，量纲 ≈ PWM 计数 (0~5500) */
    cont_val = pid_update(&g_fm_pid, g_fm_target_rpm, g_fm_actual_rpm);

    /* ④ 符号→方向、限幅、斜坡、写硬件 */
    speed_pid_apply_output(cont_val);
}

/**
 * speed_pid_apply_output --- 把 PID 浮点输出变成「方向 + 占空比」
 * @param cont_val  PID 输出；负值表示反转，绝对值为 PWM 大小
 */
static void speed_pid_apply_output(float cont_val)
{
    uint16_t duty;
    motor_dir_t dir;

    /* 负输出：反转；正输出：正转（与野火 bldcm_pid_control 思路一致） */
    if (cont_val < 0.0f)
    {
        cont_val = -cont_val;
        dir = MOTOR_REV;
    }
    else
    {
        dir = MOTOR_FWD;
    }

    duty = (uint16_t)cont_val;
    if (duty > MOTOR_PWM_MAX_PERIOD_COUNT)   /* 约 5500，与 lesson4 一致 */
    {
        duty = MOTOR_PWM_MAX_PERIOD_COUNT;
    }

    /* 斜坡限幅：每 50ms PWM 最多 ±250，抑制霍尔噪声导致 OUT 锯齿 */
    if (duty > s_pwm_slew_duty + SPEED_PID_PWM_MAX_STEP)
        duty = (uint16_t)(s_pwm_slew_duty + SPEED_PID_PWM_MAX_STEP);
    else if (duty + SPEED_PID_PWM_MAX_STEP < s_pwm_slew_duty)
        duty = (uint16_t)(s_pwm_slew_duty - SPEED_PID_PWM_MAX_STEP);
    s_pwm_slew_duty = duty;

    set_bldcm_direction(dir);
    set_bldcm_speed(duty);      /* 内部 set_pwm_pulse()，换相中断里真正输出 */
    bldcm_apply_state();        /* 使能 SD、hall_enable，电机转起来 */

    g_fm_pwm_out = (float)duty; /* FreeMASTER 必看：实际占空比 */
}

3.6.2 主循环入口：speed_pid_poll

本章用 HAL_GetTick() + 50ms 节拍，未用 TIM6 中断（与 3.5 二选一即可，勿重复算 PID）：

/**
 * main() while(1) 每圈调用一次
 * 顺序：deal_speed_pid_serial_data() → speed_pid_poll() → speed_pid_vofa_poll()
 */
void speed_pid_poll(void)
{
    uint32_t now = HAL_GetTick();
    static float s_prev_loop_en = 0.0f;
    int loop_on = speed_loop_is_on();   /* g_fm_speed_loop_en >= 0.5f */
    int prev_on = (s_prev_loop_en >= 0.5f) ? 1 : 0;

    /* --- 闭环开关边沿 --- */
    if (loop_on && !prev_on)            /* 0→1：用户串口 s 1 或 FreeMASTER 写 loop_en=1.0 */
    {
        pid_reset(&g_fm_pid);
        set_bldcm_direction(MOTOR_FWD);
        motor_stall_reset_timer();
        s_pwm_slew_duty = get_bldcm_speed();  /* 从当前 PWM 起坡，避免启环突跳 */
        speed_pid_control();                  /* 立刻算一次，不必等 50ms */
    }
    else if (!loop_on && prev_on)       /* 1→0：关环停电机 */
    {
        speed_pid_stop_motor_only();
    }
    s_prev_loop_en = g_fm_speed_loop_en;

    /* --- 监视量（开/闭环都刷新）--- */
    g_fm_actual_rpm = (float)motor_hall_get_rpm();
    g_fm_error = g_fm_target_rpm - g_fm_actual_rpm;
    g_fm_pwm_out = (float)get_bldcm_speed();  /* 开环 v/按键时也能看到真实 PWM */
    g_fm_vbus_v = get_vbus_val();

    speed_pid_apply_target_stop();      /* SP≈0 强制停，与 loop_en 无关 */

    if (!loop_on)
        return;                         /* 闭环关：只刷新监视量，不算 PID */

    if ((now - s_last_pid_ms) < SPEED_PID_LOOP_MS)  /* 50ms 未到 */
        return;

    s_last_pid_ms = now;
    fm_reset_on_param_change();         /* FreeMASTER 改 SP/Kp/Ki/Kd 时清积分 */
    speed_pid_control();
}

要点：

条件	行为
只改 g_fm_target_rpm	不会自动启电机
g_fm_speed_loop_en = 1.0	才进入上面 0→1 分支，开始 PID
g_fm_speed_loop_en = 0	可串口 v [pwm] 开环摸底

3.6.3 占空比与换相

set_pwm_pulse() / set_bldcm_speed() 只保存 motor_bldcm_pulse；霍尔 TIM5 触发中断 HAL_TIM_TriggerCallback 里 bldcm_commutate() 才按六步表输出 PWM。

速度环每次改占空比后调用 bldcm_apply_state()，保证换相逻辑读到最新 pulse（与开环相同）。

3.6.4 启动与停止

操作	代码路径	说明
上电	speed_pid_init()	默认 SP=500、闭环关、PID Kp=2 Ki=0.5
启闭环	串口 s 1 或写 g_fm_speed_loop_en=1.0	建议先 t 300 低目标；大改 SP 前 r 清积分
停闭环	串口 s 0 → speed_pid_stop()	清 loop_en + 停电机
SP 停转	写 g_fm_target_rpm=0	speed_pid_apply_target_stop() 自动关 PWM
堵转/过流	speed_pid_fault_stop()	只停电机，不清 loop_en，便于 FreeMASTER 观察
开环摸底	s 0 后 v 2500	PWM 0～5500，记录 ACT 与 PWM 关系

---

四、FreeMASTER 与串口调参

4.1 FreeMASTER 监视变量（推荐）

编译后将 .axf 加载到 FreeMASTER，Watch / Scope 使用 符号名（不要自起名 SP/OUT 以免绑错地址）：

符号	类型	含义
g_fm_target_rpm	float	目标转速 SP
g_fm_actual_rpm	float	霍尔反馈 ACT
g_fm_error	float	SP − ACT
g_fm_pid.output	float	PID 总输出
g_fm_pid.p_term / i_term / d_term	float	P / I / D 分项
g_fm_pwm_out	float	实际 PWM 占空比（最重要）
g_fm_vbus_v	float	母线电压 (V)，PF9 ADC，与 lesson5 一致
g_fm_speed_loop_en	float	1.0=闭环开，0.0=关（必须 float 4 字节）
g_fm_fault_code	float	0=正常，1=堵转，2=过流

启停闭环 ：只改 g_fm_target_rpm 不会 自动启电机，须另写 g_fm_speed_loop_en = 1.0 。保护触发后 g_fm_fault_code 非 0，电机停转但 loop_en 可仍为 1（便于观察）。

在线修改 g_fm_target_rpm、g_fm_pid.kp/ki/kd 时，程序会自动 pid_reset()（带浮点容差，避免 FreeMASTER 抖动误触发）。

Scope 建议同时看：g_fm_target_rpm、g_fm_actual_rpm、g_fm_pwm_out、g_fm_vbus_v。

4.2 VOFA+ FireWater 波形（串口）

本章串口波形为 VOFA+ FireWater：

通道	含义
ch0 SP	g_fm_target_rpm
ch1 ACT	g_fm_actual_rpm
ch2 ERR	SP − ACT
ch3 OUT	PID 总输出
ch4/5/6 P/I/D	分项

每 50ms 一行 CSV，例如：400.00,363.00,37.00,2692.13,28.00,2664.13,0.00

VOFA+ 设置 ：115200、协议 FireWater 、通道数 7 。命令回显带 [MOT] 前缀，波形为纯 CSV。

4.3 串口命令

波特率 115200，以回车结束；与 FireWater 共用 USART1。

命令	作用	示例
t [rpm]	设置目标转速 SP	t 300
kp / ki / kd	修改 PID 系数	kp 8
s 1 / s 0	启动 / 停止速度环	s 1
pid	打印 SP、ACT、PWM、loop	pid
r	复位 PID（清积分）	r
?	帮助	?
v [pwm]	闭环关时开环 PWM（0～5500）	v 2500
`d [0	1]`	闭环关时改方向

闭环关 （s 0 或 g_fm_speed_loop_en=0）：按键 K1/K2 可调开环 PWM；改 SP 不驱动电机。

闭环开：PID 自动控制 PWM，按键无效。

---

五、主程序流程

5.1 初始化

1. 时钟、LED、串口
2. bldcm_init()：TIM8 PWM、TIM5 霍尔
3. ADC / 过流（lesson6）
4. pid_init()：设置速度环 Kp/Ki/Kd、dt、输出限幅
5. 启动 TIM6 中断 或 记录 HAL_GetTick 基准
6. 默认 不使能电机 ，等待 s 1 或 FreeMASTER 写启动标志

5.2 主循环

while (1)
{
    deal_speed_pid_serial_data();
    deal_key_input();
    speed_pid_poll();          /* 50ms 速度环 PID */
    speed_pid_vofa_poll();     /* 50ms FireWater 波形 */
    motor_stall_poll();
    motor_hall_speed_poll();
    motor_overcurrent_poll();
}

速度环在 speed_pid_poll()（50 ms） 中执行；VOFA+ 波形在 speed_pid_vofa_poll() 中发送。

---

六、建议操作与 PID 整定

安全提示 ：首次闭环请 空载、低目标 RPM（200～500） ，手不要靠近转子；振动大、过流或堵转时立即 s 0 或按复位。

6.1 推荐操作流程（总览）

① 烧录 → ② 开环摸底(v) → ③ 清积分(r) → ④ 设参数(kp/ki) → ⑤ 设目标(t) → ⑥ 启闭环(s 1) → ⑦ 看波形调参

步骤	操作	目的
1	烧录 lesson11，FreeMASTER 加载 .axf	确认符号、变量类型
2	s 0 ，串口 v 1500 / v 2500 / v 3500	记录「PWM → RPM」关系
3	r 或写 g_fm_pid.integral = 0	清积分，避免旧状态
4	kp 4、ki 1、kd 0（起步值；过大易 OUT 锯齿振荡）	已加转速 EMA + PWM 斜坡限幅
5	t 300 或写 g_fm_target_rpm = 300	先低目标
6	s 1 或写 g_fm_speed_loop_en = 1.0	必须单独启闭环
7	FreeMASTER / VOFA+ 看 SP、ACT、g_fm_pwm_out	调 Kp/Ki

6.2 开环摸底（必做）

闭环前先用开环弄清本机 PWM--RPM 关系：

s 0
v 1000
v 2000
v 3000

记下：

• PWM=1500 → 约 180 RPM；
• PMM=2000 → 约 240 RPM；
• PWM=3000 → 约 350 RPM；

PID 稳态时 g_fm_pwm_out 应接近该开环 PWM。

6.3 启停与改目标

FreeMASTER：

g_fm_target_rpm = 300 →

g_fm_speed_loop_en = 1.0 →

观察 g_fm_pwm_out。

串口：

t 300 → s 1。

停止： s 0。

大改 SP 前先 r。

6.4 推荐 PID 起步参数（空载）

参数	起步值	说明
Kp	5～15	lesson9 的 1.5 不能直接搬
Ki	1～5	不要用 0.1
Kd	0	有噪声再试 0.01～0.05
目标 SP	200～500	确认后再升高

转速上不去 （SP=300，ACT≈93，PWM≈800）：Ki 太小、PWM 仅 ~15% 满量程 → r → kp 8 → ki 2 → t 300 → s 1。

6.5 分步调参

只加 P： r → ki 0 → kd 0 → kp 5（逐步加大）→ t 300 → s 1。

加 I： ki 1 起，逐步加大。加 D（可选）： kd 0.02。

阶跃： 稳定后 t 500，观察 ACT 上升与超调。

6.6 积分饱和与两种「怪现象」

现象	SP vs ACT	OUT / I	处理
积分饱和	ACT 已接近 SP	I≈2000+	r 清积分；减小 Ki
增益过小	ACT 远低于 SP	PWM 偏小且缓升	加大 Kp/Ki；开环摸底

重点看 g_fm_pwm_out 、g_fm_pid.p_term，勿绑错 FreeMASTER 符号。

6.7 负载扰动（可选）

空载稳定后轻触加阻力，观察 ACT 跌落再恢复。

---

实测只能上700RPM左右，离电机额定转速相差比较大，如果用FOC转速能再高一些，以后再测。

七、本章小结

• 速度环 = 以 RPM 为反馈 、PWM 为输出 的单环 PID。
• 启闭环 须 g_fm_speed_loop_en=1.0 或 s 1；只改 SP 不会自动启电机。
• RPM 环 Kp/Ki 须重调 ；建议先开环摸底，再 kp 8 ki 2 量级起步。
• FreeMASTER （SWD）+ VOFA+ FireWater（串口）+ 串口命令可并用。
• 大改 SP 前 r 清积分；区分「积分饱和」与「增益过小」两种波形。

下一章 lesson12 位置环控制 将把目标从 RPM 换成 累计位置（霍尔圈数/计数） ，控制结构类似，但需注意 位置误差 wrap 与 速度限制。

---

*参考：野火《电机应用开发实战指南》「无刷电机速度环控制（BLDC）」；

代码地址：https://gitee.com/xundh/learn-motor-stm32