STM32F103C8T6 基于 TB6612 驱动 12V 编码电机的教程

本文将详细介绍如何使用 STM32F103C8T6 微控制器，通过 TB6612 双电机驱动芯片驱动 12V 直流编码电机。我们将采用标准 PWM 调速方式，并利用 PID 控制算法实现电机转速和位置的闭环控制。教程内容从基础原理开始，逐步涵盖硬件连接、开发环境配置、驱动代码实现、PID 控制算法以及完整实例代码，最后提供调试与优化的建议。即使是零基础的读者，通过本教程也能逐步掌握相关知识和实现方法。

1. 基础知识

在开始实际操作之前，需要了解一些基础理论，包括电机驱动芯片 TB6612 的工作原理、编码电机（带霍尔传感器）的工作方式、PWM 调速原理，以及 PID 控制在闭环控制中的作用。

TB6612 驱动芯片工作原理

TB6612FNG（简称 TB6612）是一款常用的双通道直流电机驱动芯片，内部集成了两路 H 桥驱动器。与传统的 L298N 不同，TB6612 采用 MOSFET 输出，具有更低的导通电阻和更高的效率，可提供平均1.2A（峰值3.2A）的电流 (TB6612FNG)。TB6612 支持双通道控制，可以同时驱动两台直流电机。

TB6612 的引脚包括电源引脚、控制引脚和输出引脚三类 (Brief introduction of tb6612fng and its design of DC motor control system with single chip microcomputer - Latest Open Tech From Seeed)。其中重要的控制引脚有:

• PWMA/PWMB: 用于控制电机A和电机B速度的PWM输入引脚。
• AIN1/AIN2 和 BIN1/BIN2: 分别用于控制电机A和电机B转动方向的逻辑输入引脚。
• STBY: 芯片使能（待机）引脚，需置为高电平才能正常工作。
• AO1/AO2 和 BO1/BO2: 电机A和电机B的输出端口，连接到电机两端。
• VM 和 VCC: VM为电机驱动电压输入（可达15V），VCC为逻辑电压输入（2.7~5.5V） (Brief introduction of tb6612fng and its design of DC motor control system with single chip microcomputer - Latest Open Tech From Seeed)。

TB6612 的工作模式由 AIN1/AIN2 (或 BIN1/BIN2) 和 PWM 引脚共同决定 (Brief introduction of tb6612fng and its design of DC motor control system with single chip microcomputer - Latest Open Tech From Seeed)。在 STBY 高电平（芯片使能）的情况下，控制逻辑如下：

• 当提供 PWM 信号且两个方向引脚一高一低时，电机按对应方向转动（CW 或 CCW）。例如对于电机A: AIN1=1、AIN2=0 时正转，AIN1=0、AIN2=1 时反转 (HAL库直流有刷电机的PWM驱动以及PID控制算法的实现_pid控制pwm来控制电机代码-CSDN博客)。
• 当两个方向引脚都为低电平时，电机处于制动（快速刹车）模式，此时如果PWM为高，H桥会短接电机两端使其快速停止；如果 PWM 为0则电机停转且自由滑行。
• 当两个方向引脚都为高电平时，TB6612 也会使电机刹车（与两个为低类似）。
• 要让电机停止且自由滑行（不刹车），可以将 PWM 信号置0占空比，同时将方向引脚任意设定，这样实际没有驱动输出，相当于关闭输出使电机惯性滑行。

简单来说，PWM 引脚控制电机速度，AIN1/AIN2 控制电机转动方向。只有在 STBY=HIGH 且 PWM 有输出的情况下，方向引脚的组合才驱动电机 (HAL库直流有刷电机的PWM驱动以及PID控制算法的实现_pid控制pwm来控制电机代码-CSDN博客)。注意: TB6612 的逻辑电源 VCC 要求2.7~5.5V，确保与 STM32F103C8T6 的3.3V逻辑兼容。同时所有地线需要共地。

编码电机的工作原理（霍尔传感器测速）

编码电机是指带有位置/速度传感器的直流电机。常见的编码器包括光电编码器和霍尔效应编码器。这里我们以 霍尔传感器编码器 为例说明工作原理。

霍尔编码器通常在电机轴上安装一个带有磁铁的轮盘，旁边布置霍尔传感器。当电机轴旋转时，磁铁随之转动，每经过霍尔传感器一次就会触发传感器输出一个脉冲信号 (Hall Effect Sensor and Its Role in a Motor Controller - Embitel)。典型的单霍尔传感器会输出一连串脉冲，频率与电机转速成正比。某些电机有两个霍尔传感器输出相位相差90度的脉冲（这构成增量式编码器的A/B两路信号），通过这两路信号可以判定转动方向并更精准地计数脉冲。对于初学者，如果电机只提供一路霍尔信号，我们仍可通过记录脉冲数量来得到速度，并利用控制信号方向来推断电机的转动方向。

通过霍尔传感器测速的基本方法有两种：

• 计数法：在固定时间窗口内统计收到的脉冲个数，据此计算转速。例如1秒内收到N个脉冲，若编码器每转一圈产生P个脉冲，那么电机每秒转了 N/P 圈，即 RPM = (N/P)*60。
• 周期法：测量相邻脉冲间的时间间隔，然后计算频率。频率f（每秒脉冲数）与转速的关系： 转速(转每秒) = f / P， 转速(RPM) = (f / P) * 60。对于高速或高分辨率编码器，用周期法可以更快地感知速度变化，而计数法在低速时精度更高些。

编码器不仅可用于测速，也可用于测位置。通过累计脉冲数，我们可以知道电机轴旋转了多少圈或多少角度。例如，如果编码器每圈输出P个脉冲，那么累计计数达到P就代表轴转了一整圈。结合转向信息（由A/B两路或由控制指令知道），可以增加或减少计数，实现对相对位置的检测。如果需要绝对位置，通常要有参考零点或者使用更复杂的绝对编码器。本教程的电机位置控制基于相对脉冲计数，即通过设定脉冲目标值来控制电机转到目标位置。

PWM 控制电机速度的原理

PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）是一种控制电机等执行器的常用技术。PWM 信号本质上是周期性的方波，通过调节方波的占空比（High 电平时间与总周期的比例）来调节功率输出。 (Brief introduction of tb6612fng and its design of DC motor control system with single chip microcomputer - Latest Open Tech From Seeed)指出，PWM 调制改变占空比，相当于快速切换驱动的开关状态，使负载（电机）获得不同的平均电压，从而改变电机速度。

对于直流电机而言：

• 当PWM占空比为0%时，相当于一直断开电源，电机不转动。
• 当占空比为50%时，意味着电机一半时间通电、一半时间断电，电机获得约一半的平均电压，转速降低。
• 当占空比为100%时，相当于一直通电（直流电压全加），电机以最大速度运转。

通过固定频率、可变占空比的PWM，我们可以线性地控制电机速度 (Brief introduction of tb6612fng and its design of DC motor control system with single chip microcomputer - Latest Open Tech From Seeed)。频率一般选择较高值（几千Hz以上）以避免电机产生可闻噪音和降低电流脉动。STM32 定时器可以方便地产生PWM波形，微控制器只需调整占空比（比较值），就能实时改变电机速度。

PID 控制在电机速度/位置闭环中的作用

开环控制（不使用反馈）时，我们仅设置PWM占空比让电机转动，无法确保实际达到期望的速度或位置。例如，负载变化或电压波动会导致电机转速偏离设定值。而闭环控制（反馈控制）通过传感器获取实际速度/位置，并根据期望与实际的误差不断调整驱动输入，从而使电机输出跟随设定目标。

PID 控制器是一种常用且高效的闭环控制算法，由比例 (P)、积分 (I)、微分 (D) 三部分组成:

• 比例 (P): 根据当前误差乘以比例系数调整输出。P 控制能快速响应误差，但单独使用时可能存在稳态误差（无法完全消除偏差）。
• 积分 (I): 积累误差并根据累计量调整输出，可以消除稳态误差。但积分过大会导致系统反应滞后，出现超调或振荡（积分饱和问题）。
• 微分 (D): 根据误差变化率调整输出，有预见性地减小误差趋势。D 控制可以提高系统稳定性，减小超调，但对噪声敏感。

在电机速度控制中，PID 控制器根据“期望转速”和“实际转速”计算误差，不断调整PWM占空比，使实际转速逼近期望值，实现恒速控制。在位置控制中，PID 控制器根据“目标位置”（目标脉冲数）和“当前累计脉冲数”计算误差，调整电机转动方向和速度，使电机移动到目标位置并稳定在那里。

PID 控制属于闭环控制的核心部分，它的引入使得系统能自动补偿外界干扰和参数变化。例如，当上坡导致电机变慢时，速度误差增大，PID 控制会自动提高PWM占空比增大扭矩；在位置控制中，当接近目标位置时误差减小，PID 会降低驱动力度防止冲过头。合理调整 PID 三个参数 (Kp、Ki、Kd) 可以使电机实现快速响应、稳准跟踪、无静差的控制效果。

延伸: PID 控制算法有两种常见实现形式——位置式和增量式。位置式PID直接计算控制量的绝对值，而增量式PID计算控制量的增量，优点是对计算误差累积不敏感。后文将对这两种实现有所提及。

2. 硬件连接

了解原理后，我们需要将 STM32 微控制器、TB6612 驱动板、编码电机和电源正确连接。本节介绍电机驱动和编码器信号的接线方法，以及12V供电的注意事项。

TB6612 与 STM32F103C8T6 的接线方式

首先确定使用 TB6612 的哪个通道来驱动电机。如果只驱动一台电机，我们可以使用 TB6612 的通道A（对应 AIN1, AIN2, PWMA 等引脚）。连接方法如下：

• 电源连接:

  • 将 TB6612 的 VM 引脚连接到直流12V电源的正极；GND 引脚连接电源地。注意: 确保 STM32 和电机驱动共地（GND 相连），否则信号无法正确参考。
  • TB6612 的 VCC 引脚连接到 STM32F103C8T6 的 3.3V 输出（或者5V也可，但用3.3V可保证逻辑电平兼容）。根据 TB6612 数据手册，VCC 范围2.7~5.5V (Brief introduction of tb6612fng and its design of DC motor control system with single chip microcomputer - Latest Open Tech From Seeed)，所以3.3V足以驱动其内部逻辑。
  • STBY 引脚为芯片使能，引脚拉高使能输出。可将 STBY 直接连接到 VCC（3.3V）使其始终使能，或连接到STM32的一个GPIO以便软件控制芯片待机/唤醒（简单起见可直接接3.3V）。
  • 在电源两端（靠近TB6612模块）建议接入适当的去耦电容（如 VM 与地之间 10µF + 0.1µF）以滤除电机电刷噪声，稳定供电 (Brief introduction of tb6612fng and its design of DC motor control system with single chip microcomputer - Latest Open Tech From Seeed)。

• 电机连接:

  • 将直流电机的两个引线分别连接到 TB6612 的 AO1 和 AO2 引脚（A通道输出）。电机引线无极性区分，只是正反转方向相对变化。
  • 如果TB6612模块上有引出 AO1、AO2 接线端子，则将电机连接到相应端子即可。

• 控制信号连接:

  • 选择 STM32F103C8T6 上支持 PWM 输出的一个通用定时器通道，引脚接到 TB6612 的 PWMA 引脚。STM32F103C8T6 有多个定时器，例如 TIM2~TIM4，每个有若干通道支持 PWM 输出。后续我们将通过 CubeMX 选择具体的引脚和定时器。例如，可以使用 TIM3_CH1 (对应引脚 PA6) 或 TIM2_CH1 (PA0) 等作为 PWM 输出。
  • 选择两个通用数字输出引脚，接到 TB6612 的 AIN1 和 AIN2 引脚，用于控制电机方向。任意空闲的 GPIO 都可以，例如将 PA1 接 AIN1，PA2 接 AIN2。注意这些引脚在 CubeMX 中配置为输出模式。
  • 如果需要控制 TB6612 的 STBY（非一直接高），也选择一个GPIO连接 STBY，并确保上电时软件将其拉高，才可驱动电机。

连接完成后，STM32 就可以通过PWM引脚输出的占空比控制转速，通过AIN1/AIN2的电平组合控制转动方向或刹车。务必检查共地，以及所有控制引脚电压均不超过TB6612 VCC电压。

编码器霍尔信号与 STM32 连接

编码电机上通常引出编码器的信号线。以常见的双霍尔（两相 AB 相位）编码器为例，会有A相、B相两根信号线（还有电源供电线，一般为 Vcc 和 GND）。若是单霍尔传感器，则只有一根脉冲输出线和电源线。典型的霍尔传感器工作电压为5V或3.3V，如果编码器模块标称5V且输出也是5V电平，直接接STM32（3.3V逻辑）需要注意电平兼容，可通过电阻分压或逻辑电平转换。很多情况下霍尔传感器输出为开漏集电极，需要上拉电阻，可利用STM32的内部上拉或外接上拉到3.3V来获得可靠的3.3V脉冲信号。

将编码器信号连接 STM32 的方法：

• 单通道测速：将编码器的脉冲输出连接到 STM32 的一个定时器输入捕获通道或外部中断引脚。例如，使用 TIM4_CH1 (对应引脚 PA0) 配置为输入捕获；或者使用 PA0 的外部中断通道 EXTI0。如果编码器有两路信号但初学阶段只需要测速，也可以暂时只接A相信号进行测速。
• 双通道计数：如果需要知道方向并精确计数位置，可将编码器的A相、B相分别接到STM32一个定时器的编码器接口模式支持的两路输入。例如 STM32F103 的 TIM2、TIM3、TIM4 支持编码器模式，将 CH1, CH2 分别接A相和B相。CubeMX 可以将某个定时器设置为 “Encoder Mode”，硬件自动对脉冲进行计数增减。但编码器模式较复杂，这里主要介绍单通道捕获测速的方法，并通过代码逻辑处理方向/位置。
• 将编码器的地线接STM32地，编码器的电源线接5V或3.3V（根据编码器规范）。确保编码器输出的高电平不超过STM32的允许范围。如果编码器必须由5V供电且输出5V，高电平需通过硬件降到3.3V再接入（可用电阻分压，如 10k/10k 将5V分压为2.5V左右，或用芯片转换）。

如果使用定时器捕获模式读取速度：选用STM32的一个定时器通道作为输入捕获。在硬件上，将该定时器通道对应的引脚连接到编码器脉冲输出。例如 TIM2_CH1 (PA0) 或 TIM3_CH1 (PA6) 等。该引脚在 CubeMX 中配置为 “GPIO_Input” 并开启 “TIMx CHy Input Capture” 功能。硬件连接完成后，我们可以在软件中捕获脉冲的时间间隔或频率，进而算出转速。

12V 电源管理

由于电机使用12V供电，而且电机启动瞬间和堵转时电流较大（可能几百毫安到数安培，视电机而定），电源部分需要注意以下几点：

• 电源容量: 使用能够提供足够电流的直流电源。若使用电池，要确保电池输出稳定且有足够放电能力；若用电源适配器，建议选择比电机空载电流高出数倍容量的适配器。
• 降压稳压: STM32F103C8T6 工作在3.3V电压，TB6612的逻辑也需要3.3~5V电压。因此需要一个将12V降压为稳定5V和3.3V的电路。常用方案是在12V输入后使用一块 DC-DC 降压模块（或7805等稳压器）得到5V，再通过 AMS1117-3.3 等线性稳压得到3.3V**（如果没有其他3.3V源）**。实际应用中，“蓝色小板 (BluePill)” STM32开发板上已经有USB供电转3.3V的稳压芯片，但12V不能直接给开发板，需要外部先降到5V输入板子的5V脚或直接提供3.3V。
• 电源隔离与保护: 电机在切换和停止时会产生反向电动势冲击。TB6612 内部已集成二极管处理反冲，但仍建议在电机两端跨接一个小的电容来滤波（如0.1µF陶瓷电容）。此外，可以在TB6612的VM引脚附近加入一个TVS二极管以吸收瞬态过压（视情况而定）。确保电源线路尽可能短粗，减少线路压降。
• 地线连接: 强调所有设备共地：电源地、TB6612地、STM32地、编码器地要连接在一起形成公共地。否则信号基准不同，会导致测量和控制异常。

完成以上硬件连接与电源准备后，整个系统的结构如下：STM32通过PWM和方向引脚控制TB6612，TB6612驱动电机；编码器霍尔传感器将电机转动反馈给STM32输入引脚；12V电源为电机提供动力并通过降压为控制电路供电。确认连接无误后即可进行软件配置和编程。

3. 开发环境配置

在开始编写代码前，我们需要搭建 STM32 的开发环境并进行初步配置。我们将使用 STM32CubeIDE（集成了 CubeMX 图形配置和IDE）来创建工程，通过 CubeMX 配置 PWM 和定时器输入捕获（或外部中断）等外设，从而生成基础初始化代码。

STM32CubeIDE 项目创建

1. 安装 STM32CubeIDE: 如果尚未安装，请从 ST 官方网站下载 STM32CubeIDE 并安装。该工具集成了工程管理、代码编辑、调试和 CubeMX 配置功能，适合本案例使用。
2. 新建工程: 打开 STM32CubeIDE，选择 "File -> New -> STM32 Project"。在芯片/板卡列表中找到 STM32F103C8T6（如果使用的是“Blue Pill”开发板，可以直接选择芯片 STM32F103C8Tx）。点击 Next。
3. 选择项目模板: 选择 “CMSIS/Core” 或 “STM32Cube” 默认初始化项目，确保勾选 “Initialize all peripherals with their default Mode” 以使用 CubeMX 初始化外设。填写工程名称和保存位置，完成向导。
4. 打开 CubeMX 配置: 工程创建完成后，会自动打开 CubeMX 图形化配置界面（.ioc 文件）。我们将在其中配置时钟和所需的GPIO/定时器外设。首先，在 "Pinout & Configuration" 视图下，配置系统时钟为合适频率（比如开启 HSE 外部晶振8MHz并启用 PLL，使SYSCLK=72MHz，这是 STM32F103C8 的最高主频）。
5. 时钟树: 在 “RCC” 中选择 HSE 和 PLL的设置。CubeMX 一般能自动计算 PLL参数以达到72MHz。
6. 保存: 在进行具体外设配置前，先保存工程以应用时钟配置。

CubeMX 配置 PWM 输出控制 TB6612

接下来配置定时器PWM输出，以产生控制 TB6612 所需的 PWM 信号：

1. 选择定时器: 打开 CubeMX 的 Pinout 界面下的 “Timers” 列表。在 STM32F103C8T6 上，有通用定时器 TIM2~TIM4 以及高级定时器 TIM1 可用于 PWM。选择一个空闲的定时器，比如 TIM3，用于产生PWM。
2. 开启 PWM 通道: 展开 TIM3 配置，将 Channel1（假设用通道1）模式设置为 “PWM Generation CH1”。这样 TIM3_CH1 就被启用为PWM输出模式。
3. 引脚映射: 当启用 TIM3_CH1 后，CubeMX 左侧的引脚视图会高亮对应引脚（STM32F103C8T6 的 TIM3_CH1 默认映射在 PA6）。点击该引脚可以看到功能已被分配为 TIM3_CH1。我们可以保留这个引脚用于 PWM 输出，并将其实际连接到 TB6612 的 PWMA 引脚（在硬件连接中已确定）。
4. PWM参数: 切换到 Configuration 标签，找到 TIM3 的参数设置。设置 Prescaler 和 Counter Period 以得到合适的 PWM 频率和分辨率。例如，我们希望 PWM 频率为 10 kHz 左右。假设 APB1 定时器时钟频率为 72 MHz（因为TIM3挂在APB1，APB1默认分频2倍给定时器，实际TIM时钟可能是 36MHz或72MHz，需留意），我们可以设置 Prescaler 和 Period 满足: PWM_frequency = TimerClk / ((Prescaler+1)*(Period+1))。例如，Prescaler=71，Period=99，将得到约10kHz的PWM(72MHz/(72*100) = 10kHz)。注意: 实际计算需根据 Timer 时钟计算。CubeMX 也提供直接填写期望频率的选项（在 PWM 设置中可填写 Desired frequency，然后调整Period/Prescaler）。
5. PWM极性和模式: 一般默认配置下，PWM极性为高电平有效（High True），即占空比对应高电平时间比例。这符合我们的需求。确保 PWM 模式选择为 PWM mode 1（对应比较值越高输出高电平时间越长）。
6. 使能定时器中断（可选）: 对于PWM输出，我们通常不需要中断。但如果希望在定时器更新时做某些处理，可以在 NVIC 设置里启用 TIM3 更新中断。本例暂不启用，因为PWM不需要软件实时干预。

配置完成后，TIM3_CH1 将输出 PWM 波形。稍后我们会在代码中调用 HAL 库函数启动 PWM 输出，并根据 PID 计算结果修改占空比。

CubeMX 配置编码器脉冲输入 (定时器捕获/外部中断)

为了获取编码器的反馈信号，我们需要配置 STM32 的输入捕获或外部中断。这里介绍使用定时器输入捕获测量编码器脉冲周期的方法：

1. 选择定时器: 在 CubeMX 的 “Timers” 中，选择另一个定时器用于捕获输入信号。比如使用 TIM2 作为输入捕获定时器。TIM2 有通道1-4，其中 CH1 可以映射到 PA0（也就是 Encoder A相我们接入的引脚）。
2. 配置输入捕获: 将 TIM2 的 Channel1 模式设置为 “Input Capture direct mode”。这样 TIM2_CH1 被用作输入捕获输入。
3. 参数设置: 在 Configuration 选项卡中，找到 TIM2。将 Channel1 的捕获极性设置为 “Rising Edge” （假设我们只在上升沿捕获脉冲）。也可选择 Both Edges 如果需要捕获更高分辨率频率（每个脉冲的上升和下降都算），但一般上升沿即可。
4. 定时器频率: 为了测量脉冲周期，需要让 TIM2 自由运行计数作为时间基准。设置 TIM2 Prescaler 使得计数频率足够高以提供时间精度。例如，如果使用 72MHz 时钟，可以设置 Prescaler 为 71（计数频率1MHz，每计数=1微秒）。然后设置 TIM2 的 Period 为 0xFFFF（65535）即最大，确保计数器足够长时间不溢出（1MHz下65535计数约0.0655秒，对于一般电机脉冲周期足够）。
5. 启用中断: 勾选 TIM2 的 “Capture Compare 1 interrupt” 使能捕获通道1中断。在 NVIC 设置中使能 TIM2 全局中断。这将使得每当捕获到上升沿时，产生中断，进入捕获回调以处理。
6. GPIO设置: 确认 PA0 引脚的模式被自动配置为 “Alternate Function Input” (或“GPIO Input”) 且映射到 TIM2_CH1 功能。CubeMX 通常会自动处理。当 TIM2_CH1 设置为输入捕获后，PA0 引脚在 Pinout 图上应显示 "TIM2_CH1".

如果采用外部中断计数方法（不测周期而是在固定时间内计数）：可以在 CubeMX 中不使用定时器捕获，而改为：

• 在 GPIO 视图中，将连接编码器脉冲的引脚（如 PA0）模式设为 "GPIO_EXTI0" (外部中断输入).
• 在 NVIC 中使能 EXTI0 中断。
• 这样每次该引脚有信号边沿时（上升沿或下降沿，由GPIO设置决定，默认上升沿），STM32会触发中断，软件中在回调里自增计数。之后可以用另一个定时器或 systick定时每隔一定周期读取计数计算速度。
• CubeMX 对 EXTI 上升沿/下降沿的配置在 GPIO 设置里（选择 Trigger），可选 Rising/Falling/Both。一般选择 Rising Edge 触发即可。

本教程以定时器输入捕获方案为例，因为它可以直接测量脉冲间隔，方便计算即时速度。但初学者如觉得复杂，也可以用 EXTΙ 方法，通过周期定时读取累计脉冲数计算平均速度。

1. 保存并生成代码: 完成以上配置后，点击上方 “GENERATE CODE” 生成代码。CubeIDE 会生成初始化代码，包括 MX_GPIO_Init(), MX_TIM3_Init(), MX_TIM2_Init() 等函数，在 main() 中调用。这为我们后续编写控制逻辑打下基础。

4. 电机驱动代码实现

当工程初始化代码生成后，我们需要编写控制电机和读取编码器的代码。本节将介绍 PWM 信号初始化与控制、电机正反转和停止的实现、编码器脉冲的读取方法以及转速计算方法。

PWM 信号初始化与启动

CubeMX 已生成 PWM 定时器的配置代码，但我们仍需在 main.c 的合适位置启动PWM输出，并设置初始占空比。通常，在 main() 函数中初始化所有外设后（MX_TIMx_Init 调用之后），启动PWM输出。例如，如果我们使用 TIM3 通道1 来输出PWM：

// 假设 CubeMX 生成了 TIM3 句柄 htim3，并配置了通道1为PWM
MX_TIM3_Init();            // 初始化TIM3
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);  // 开启TIM3通道1的PWM输出

// 初始占空比设置为0（电机停转）
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, 0);

以上代码通常放在 /* USER CODE BEGIN 2 */ 区域内，确保在进入 while(1)主循环前执行。HAL_TIM_PWM_Start 用于启动PWM输出通道，__HAL_TIM_SET_COMPARE 宏用于设置对应通道的比较值(占空比)。占空比的数值范围取决于TIM3定时器初始化时设置的Period值。例如我们Period设为99，则比较值099对应0%100%的占空比。如果Period=999，则0999对应0100%。

提示：使用 HAL_TIM_PWM_Start() 前要保证 PWM GPIO 已配置成复用输出模式（CubeMX 已做好），且定时器已经初始化。CubeMX 生成的 MX_TIM3_Init() 内部会调用 HAL_TIM_PWM_Init() 配置时基和通道参数，所以只需调用 Start 开始输出即可。

电机正转、反转、停止控制

通过控制 TB6612 的 AIN1, AIN2 引脚电平组合，可以实现电机方向控制和刹车。我们在 CubeMX 中将 AIN1, AIN2 配置为了 GPIO输出（推挽输出），并在 MX_GPIO_Init() 中进行了初始化（通常默认状态可以设为低）。接下来可以封装几个函数便于控制:

// 假设 AIN1 -> PA1, AIN2 -> PA2
#define AIN1_GPIO    GPIOA
#define AIN1_PIN     GPIO_PIN_1
#define AIN2_GPIO    GPIOA
#define AIN2_PIN     GPIO_PIN_2

// 设置TB6612使能引脚（若接到GPIO）:
#define STBY_GPIO    GPIOA
#define STBY_PIN     GPIO_PIN_3  // 假设PA3连接STBY，如果STBY直连3.3V则不需要此部分

void Motor_Stop(void) {
    // 电机快速刹车: AIN1=0, AIN2=0, PWM占空比设为0以避免电流
    HAL_GPIO_WritePin(AIN1_GPIO, AIN1_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(AIN2_GPIO, AIN2_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, 0); // PWM占空比=0
}

void Motor_Forward(uint16_t pwmDuty) {
    // 电机正转: AIN1=1, AIN2=0
    HAL_GPIO_WritePin(AIN1_GPIO, AIN1_PIN, GPIO_PIN_SET);
    HAL_GPIO_WritePin(AIN2_GPIO, AIN2_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, pwmDuty);
}

void Motor_Backward(uint16_t pwmDuty) {
    // 电机反转: AIN1=0, AIN2=1
    HAL_GPIO_WritePin(AIN1_GPIO, AIN1_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(AIN2_GPIO, AIN2_PIN, GPIO_PIN_SET);
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, pwmDuty);
}

上述函数中，我们通过 HAL_GPIO_WritePin 设置 AIN1/AIN2 的高低来控制方向，并通过 __HAL_TIM_SET_COMPARE 调节PWM占空比。其中 pwmDuty 参数可以是占空比对应的计数值。例如，如果TIM3->ARR（自动重装值，即Period）为 1000，我们传入500则约为50%占空比。使用这些函数时，要确保 TB6612 的 STBY 已经为高（芯片不在待机）。如果 STBY 引脚接到 STM32，需要在初始化时先 HAL_GPIO_WritePin(STBY_GPIO, STBY_PIN, GPIO_PIN_SET); 拉高。

停止电机有两种方式:

• 如上 Motor_Stop() 将方向引脚都置0实现快速刹车（短路制动）。此时电机轴会迅速停下。
• 如果想要电机自由滑行停止，可以调用如下函数而不是 Motor_Stop：

  void Motor_Coast(void) {
      // 解除驱动使电机自由滑行: 保持AIN引脚当前状态或设为不同状态都可，主要是PWM=0
      __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, 0);
      // 可选: 也可以将AIN1,AIN2同时设为HIGH实现另一种刹车模式，或保持原状
  }
  

  将 PWM 置0意味着不驱动电机，但如果 AIN1/AIN2 之前处于不同状态，则电机两端一个接地一个悬空，不会主动短路，所以电机惯性滑停。这种“coast”模式不会产生反向电流，但停止较慢。

编码器脉冲计数与测量方法

我们采用定时器输入捕获来测量编码器脉冲间隔，从而计算速度。CubeMX 已配置 TIM2_CH1 为输入捕获并使能中断。CubeHAL 库在捕获事件发生时，会调用回调函数 HAL_TIM_IC_CaptureCallback(). 我们需要实现这个回调函数来读取捕获值并计算脉冲周期。步骤如下：

1. 定义变量: 需要变量保存上一次捕获的计数值，以及计算得到的周期和频率。由于TIM2计数可能溢出，我们也要处理溢出的情况。可以定义lastCapture、currCapture、deltaCapture等变量。还需要一个变量保存计算出的当前速度 (例如 RPM 或脉冲频率)。

2. 实现捕获回调: 在 main.c 或相关文件中，实现 HAL 库的回调函数。例如：

/* 定时器输入捕获中断回调函数 */
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
    if(htim->Instance == TIM2 && htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1) {
        // 获取当前捕获值
        uint32_t capture_val = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);
        // 计算与上次捕获的差值（考虑溢出情况）
        if(capture_val >= lastCapture) {
            deltaCapture = capture_val - lastCapture;
        } else {
            // 计数器发生过溢出，需要加上最大值偏移
            deltaCapture = (htim->Init.Period - lastCapture + capture_val);
        }
        lastCapture = capture_val;
        
        // 根据捕获差值计算转速或频率
        // 假设定时器计数频率为 TimerClk Hz，则每个计数tick时间 = 1/TimerClk
        // 我们的deltaCapture即两个脉冲间的tick数。
        if(deltaCapture != 0) {
            float pulse_freq = (float)TimerClockHz / deltaCapture; // 每秒脉冲数
            currentSpeedRPM = (pulse_freq / pulsesPerRevolution) * 60.0f;
        } else {
            currentSpeedRPM = 0; // 如果deltaCapture意外为0（极小间隔），可视为极高速或错误，简单置0避免除零
        }
    }
}

在上述代码中：

• HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1) 获取捕获寄存器的值（即当前脉冲对应的计数器刻度）。
• lastCapture 保存上一次的捕获刻度，需要在文件顶部定义为静态或全局变量，并初始化为0。deltaCapture 计算两个脉冲的计数差。
• TimerClockHz 是TIM2计数时钟频率（例如我们Prescaler设置1MHz计数，则 TimerClockHz = 1,000,000 Hz）。pulsesPerRevolution 是编码器每转一圈产生的脉冲数，需要根据你的电机编码器规格设置（例如编码器磁盘N对极则每转N脉冲，或者减速箱后脉冲数会乘齿轮比）。
• currentSpeedRPM 为全局变量，保存当前计算出的转速。

注意: 在实际使用前，需要先确定 TimerClockHz 和 pulsesPerRevolution 的值。比如：

const uint32_t TimerClockHz = 1000000; // 1 MHz
const uint32_t pulsesPerRevolution = 20; // 假设编码器每转20个脉冲

这些值可根据具体编码器参数调整。

如果使用外部中断计数法，实现会有所不同：

• 在 void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) 中捕获脉冲（每次脉冲调用），简单地 pulseCount++ 计数。
• 使用另一个定时器或 SysTick 定期（比如每100ms）读取 pulseCount 值，然后计算 pulseCount * (1000ms/测量窗口ms) / pulsesPerRevolution * 60 作为RPM。读取后将 pulseCount 清零继续累积。
• 外部中断要注意防抖，可以在硬件上加入小电容或在软件中判断过短时间的重复中断（霍尔传感器输出通常已是整形波，不需要特别防抖，但机械式的需要）。

本例采用捕获周期法，不需要周期定时器采样，但要考虑当转速很低或电机停转时，脉冲间隔会很长甚至没有脉冲：

• 可以设定一个上限时间，如果超过某个计数器值还未捕获新脉冲，则认为速度接近0。
• 或者在控制循环里监测如果一定时间没有更新速度，就将 currentSpeedRPM 设置为0。

计算电机转速 (RPM)

利用捕获得到的 deltaCapture （脉冲间隔计数），我们已经在回调中计算了 currentSpeedRPM。总结一下RPM计算公式：

RPM=TimerClockHzdeltaCapture×pulsesPerRevolution×60\text{RPM} = \frac{\text{TimerClockHz}}{\text{deltaCapture} \times \text{pulsesPerRevolution}} \times 60

其中 deltaCapture 除以 TimerClockHz 相当于脉冲周期 (秒)，其倒数是脉冲频率 (每秒脉冲数)，再除以编码器每转脉冲数得到每秒转数，乘60得到每分钟转数。

如果使用计数法，在每个固定时间窗口（例如0.1秒）测得脉冲数count：

RPM=countpulsesPerRevolution×60window_time_seconds.\text{RPM} = \frac{\text{count}}{\text{pulsesPerRevolution}} \times \frac{60}{\text{window\_time\_seconds}}.

例如100ms窗口，count= N脉冲，则RPM = (N/PPR) * (60 / 0.1) = (N/PPR) * 600。

在软件实现中，定时器捕获的计算通常更平滑连续，但需要处理好定时器溢出和长周期的情况；计数法简单直观，但低速时误差较大。可以结合两者：高速用捕获，低速或停转时检测count。

完成了电机驱动和传感部分的代码，我们就可以获取 currentSpeedRPM 等反馈，为实现闭环控制做准备。

5. PID 控制实现

有了实际速度/位置的反馈，我们就可以利用 PID 算法进行闭环控制。本节将介绍 PID 算法及其在代码中的实现，包括速度环和位置环的控制，以及 PID 参数的调校方法。

PID 控制算法介绍（位置式/增量式）

PID（Proportional-Integral-Derivative）控制器通过计算当前误差以及误差的累计和变化趋势来输出控制量。离散时间下，其基本公式（位置式）为：

u(k)=Kpe(k)+Ki∑i=0ke(i)+Kd[e(k)−e(k−1)]u(k) = K_p e(k) + K_i \sum_{i=0}^{k} e(i) + K_d [e(k) - e(k-1)]

其中 e(k)e(k) 是第 k 时刻的误差（设定值 - 测量值），u(k)u(k) 是控制输出（例如PWM占空比）。位置式PID直接计算输出的“绝对”值。

增量式PID关注控制增量，用差分形式表示输出变化：

Δu(k)=Kp[e(k)−e(k−1)]+Kie(k)+Kd[e(k)−2e(k−1)+e(k−2)]\Delta u(k) = K_p [e(k) - e(k-1)] + K_i e(k) + K_d [e(k) - 2e(k-1) + e(k-2)]

然后让 u(k)=u(k−1)+Δu(k)u(k) = u(k-1) + \Delta u(k)。这样计算时每次只用当前和前两次误差，节省计算且对累积误差不敏感。增量式PID的优点是不直接依赖累计和，因此在系统复位或计算溢出时不会造成输出突变；另外积分项在公式中隐含，通过每次误差叠加实现。

对于初学者，实现位置式PID直观且便于理解调试，因此我们以下用位置式PID公式讲解。核心步骤包括：

• 计算当前误差 error = setpoint - feedback。
• 分别计算 P_term, I_term, D_term。
• 将三项相加得到输出，并考虑输出限幅。
• 更新历史误差和积分累积，为下一次计算做准备。

STM32 实现 PID 控制计算

我们可以使用 C 语言在 STM32 上实现 PID 控制。考虑实时性，一般在一个固定周期（如每10ms或每20ms）调用 PID 计算例程，这个周期称为控制周期或采样周期 dt。可以利用定时器中断或主循环中的 HAL_Delay 来实现固定周期。

首先，定义一个 PID 参数和状态的结构体便于管理：

typedef struct {
    float Kp;
    float Ki;
    float Kd;
    float target;    // 目标值 (设定值)
    float integral;  // 积分累积
    float prevError; // 前一次误差
    float output;    // 上次输出 (位置式PID其实不一定需要存output，但可用于参考)
    float outputMax; // 输出上限
    float outputMin; // 输出下限
} PID_Controller;

初始化该结构体，比如针对速度控制的 PID：

PID_Controller pid_speed = {
    .Kp = 1.0f,
    .Ki = 0.5f,
    .Kd = 0.1f,
    .target = 0.0f,
    .integral = 0.0f,
    .prevError = 0.0f,
    .output = 0.0f,
    .outputMax = 1000.0f,  // 假设PWM占空比最大值（ARR）为1000
    .outputMin = 0.0f      // 占空比最小为0
};

然后实现 PID 计算函数（位置式算法）：

float PID_Update(PID_Controller *pid, float feedback) {
    // 计算误差
    float error = pid->target - feedback;
    // 积分累加（考虑积分限幅，防止无限积累导致溢出）
    pid->integral += error;
    // 计算微分项
    float derivative = error - pid->prevError;
    // PID公式计算
    float output = pid->Kp * error + pid->Ki * pid->integral + pid->Kd * derivative;
    // 输出限幅
    if(output > pid->outputMax) {
        output = pid->outputMax;
        // 抑制积分饱和：如果输出已达上限，避免积分项继续累积（抗饱和)
        pid->integral -= error;  // 简单方式：回退本次积分
    }
    if(output < pid->outputMin) {
        output = pid->outputMin;
        pid->integral -= error;
    }
    // 保存状态
    pid->prevError = error;
    pid->output = output;
    return output;
}

该函数每次调用会根据当前反馈值计算新的输出。其中我们做了一点积分防饱和：当输出触及上下限时，减去本次积分增量以防止积分继续累积（这是一种简单的方法，还有更完善的积分分离、抗饱和方案，可在后续优化）。

控制周期：要保证 PID_Update 按固定时间间隔调用，否则参数调试会不稳定。比如我们选择 dt=0.01s (10ms)，则 Ki 实际作用相当于公式中的 Ki*dt (因为积分每周期累加一次误差，相当于离散积分)。调参时也应考虑这个周期对行为的影响。

通过 PID 控制电机转速（速度环）

在速度闭环中，我们将目标转速 (RPM) 作为设定值，当前转速 (由编码器计算的 RPM) 作为反馈，使用 PID 输出调整PWM占空比。

结合前面的编码器读取，我们可以这样做：

1. 定义并初始化速度 PID 控制器（如上 pid_speed）。
2. 在主循环或定时中断中，周期性调用PID_Update计算新的PWM占空比。
3. 将计算得到的 PWM输出值应用到电机驱动（即调整TIM3的CCR寄存器值）。

示例主循环伪代码，实现速度保持在设定值：

pid_speed.target = 100.0f; // 目标转速 100 RPM (示例)
uint32_t lastTime = HAL_GetTick();
uint32_t controlInterval = 10; // 控制周期 10ms

while(1) {
    if(HAL_GetTick() - lastTime >= controlInterval) {
        lastTime = HAL_GetTick();
        // 获取当前速度 (由编码器捕获中断更新的全局变量 currentSpeedRPM)
        float speedFeedback = currentSpeedRPM;
        // 计算PID输出 (新的PWM占空比值)
        float pwmOutput = PID_Update(&pid_speed, speedFeedback);
        // 应用到PWM输出，占空比为pwmOutput
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, (uint32_t)pwmOutput);
    }
    // 其他程序 ...
}

这里假定 TIM3->ARR = 1000，对应 pwmOutput 范围01000表示0100%占空比。如果 pid_speed.outputMax 设为1000，则 PID 输出直接是CCR的值。也可以把 PID 输出归一化为0~1再换算，但直接用计数值方便一些。

通过这种方式，PID 控制器会根据速度误差自动增减PWM。当电机转速低于目标时，误差为正，PID 输出增加 -> PWM提高，电机加速；当超过目标时，误差为负，PID输出降低 -> PWM减小，电机减速。经调试的 PID 可使 speedFeedback 接近 target，实现恒速。

通过 PID 控制电机位置（位置环）

位置控制相比速度控制要复杂一点。目标位置一般以编码器脉冲数或转过的圈数来表示。比如我们希望电机转轴旋转特定角度，可以折算成编码器脉冲目标。在位置环中，PID 控制器的误差是 “目标脉冲数 - 已经计数的脉冲数”，输出通常可以直接当作PWM占空比来驱动电机。然而，由于位置控制涉及方向，我们需要根据误差的正负来决定电机转动方向。

实现位置PID控制的一种简单方案：

• 使用单一 PID 控制器，但在计算输出后判断误差符号，将电机朝纠正误差的方向转动。
• 例如误差为正（还需要正方向前进），则设置电机Forward，误差为负（超出了目标需要反向），则设置Backward。输出的绝对值用作PWM占空比大小。

另一种更稳健的方法是串级控制：即外环位置PID产生速度指令，内环速度PID驱动PWM。这可以避免直接用位置误差产生PWM导致低速时震荡。但串级控制复杂度高，需要调整两个PID，本教程重点是入门实现，下面介绍直接位置PID的方法。

步骤：

1. 设定目标位置（脉冲数）。需要一个全局变量 targetPosition，和一个 currentPosition 来累计编码器脉冲。currentPosition 可由编码器中断更新：每检测一个脉冲，按照当前电机方向增或减计数。如果只用单通道编码器，我们可以假设Motor_Forward时脉冲+=1，Motor_Backward时脉冲-=1。
2. 初始化位置 PID 控制器参数 (Kp, Ki, Kd)。位置控制通常需要较小的Ki，因为积累误差太多可能导致振荡。Kd可以帮助减少冲过目标的情况。
3. 定期计算位置误差 = targetPosition - currentPosition，然后让 PID 算出输出。这个输出我们可以视作“速度指令”或者“力度”（PWM值）。
4. 根据误差正负决定方向：如果误差>0，表示还没达到目标，需要正转，误差<0需要反转。如果误差很小（在阈值内），认为到达，停止电机。
5. 驱动电机：将 PWM 占空比设置为 PID输出大小，方向按上一步确定。

举例代码片段：

PID_Controller pid_position = {
    .Kp = 5.0f,
    .Ki = 0.0f,
    .Kd = 2.0f,
    .outputMax = 1000.0f,
    .outputMin = 0.0f
};
pid_position.target = 2000; // 目标位置，例如转到2000个脉冲处

// 在主循环或定时器中断中：
float posFeedback = (float)currentPosition;  // 当前已走脉冲数
float controlOut = PID_Update(&pid_position, posFeedback);
// PID输出controlOut，此时controlOut为需要的“驱动力”大小（0~1000)
if(pid_position.target - currentPosition > 0) {
    // 还需正转前进
    Motor_Forward((uint16_t)controlOut);
} else if(pid_position.target - currentPosition < 0) {
    // 超过目标，需要反转回去
    Motor_Backward((uint16_t)controlOut);
} else {
    // 误差为0，达到目标
    Motor_Stop();
}

在到位判定上，可以给一个误差死区，例如误差在 ±5 脉冲以内就认为到达目标，输出设为0避免来回抖动。也可以当误差很小且速度也很小的时候停止积分和电机驱动，锁定位置。

需要注意：直接用位置PID驱动有可能出现来回振荡的情况，因为电机有惯性，可能冲过目标再拉回。减小Kp、增加Kd有助于减轻此问题。如果要求精度高、响应快，可以考虑位置环套速度环：位置PID输出一个目标速度，速度PID再控制PWM。但对于初学学习，实现单环位置控制已经是不错的开始。

PID 参数调优方法

PID 参数的选择对控制效果影响很大。常用的调参方法包括理论计算法、试凑法和经验法。对于小车电机等系统，一般采用经验试凑逐步调整：

1. 调整比例 Kp: 首先将 Ki, Kd 设为0，只调 Kp。增大 Kp 会加快响应速度、减小误差，但过大时系统会变得不稳定、产生振荡 (HAL库直流有刷电机的PWM驱动以及PID控制算法的实现_pid控制pwm来控制电机代码-CSDN博客)。逐渐提高 Kp 至电机的响应开始出现轻微振荡或快速逼近目标，然后取该值的约一半到三分之二作为最终 Kp。比如电机在Kp=10时开始明显振荡，就可以选 Kp≈6~7。
2. 加入积分 Ki: 在获得一个可接受的Kp后，引入 Ki 以消除稳态误差。逐步增大 Ki，从很小的值开始。Ki 会推动误差积累后驱动输出，即使误差很小也能克服摩擦等实现零静差。但 Ki 太大会导致积累过多，引起超调和振荡。调整时可以让系统在某个设定值保持，看是否存在稳态误差（没有达到目标）。若有，则略微提高 Ki；若系统振荡变大，则减小 Ki。一般 Ki 调到系统在接受范围内稍有超调即可，不要追求过快消除误差，否则容易不稳定。
3. 调整微分 Kd: Kd 项用于抑制变化，减缓冲击。逐渐增大 Kd，可以看到系统超调减小、振荡减弱。但 Kd 过大会让响应迟缓且对噪声（测量抖动）敏感，表现为输出抖动。对于电机这样相对响应快且测量可能有噪声的系统，Kd 值通常选较小。增大 Kd 直到刚好抑制大部分振荡即可。
4. 反复微调: Kp, Ki, Kd 不是独立的，调整一个可能需要再回头调整另两个。在满足基本性能后，可以根据应用需求微调。例如需要更快响应则尝试略增 Kp 或 Ki，需要更稳则增 Kd 或降 Kp。

调参是一个不断尝试的过程。记录不同参数组合下系统的响应（比如给定阶跃目标时的上升时间、超调量、稳态误差、振荡周期）会有助于找出最佳值。在调试PID时，建议：

• 从速度环开始调，因为速度环动态快，参数容易看出效果。
• 位置控制可以在较低速度下测试，先用较小Kp保证不会剧烈来回，再逐步加快。

避免积分饱和: 如果发现系统长时间远离目标，积分项会累计很大，导致到达目标后出现长时间反向的纠错（overshoot很大）。这种情况下需要在误差变号时清除积分，或者在输出受限时冻结积分（在PID_Update实现中我们已做简易处理）。调整 Ki 也可以减轻该问题。

建议: 每次只改变一个参数，观察效果，再决定下步调整什么。最终的参数应该使得电机在负载变化时仍能稳定控制。如果负载范围变化大，可能需要折中参数或更高级的自适应控制，这超出本文范围。

6. 完整代码示例

结合以上各模块，这里给出一个简化的完整示例代码框架，包括 TB6612 驱动初始化、编码器测速、PID 控制速度和位置的实现，以及主循环逻辑。代码使用 STM32 HAL 库函数，读者需要根据自己使用的具体引脚名和定时器句柄调整部分代码。假设我们的设置如下：

• 使用 TIM3_CH1 (PA6) 输出 PWM 控制电机A速度。
• AIN1 -> PA1, AIN2 -> PA2 控制方向；STBY -> PA3 使能TB6612。
• 编码器A相 -> PA0 (TIM2_CH1输入捕获); B相如果有可接PB3(例如 TIM2_CH2)但此示例未用。
• 定时器TIM2输入捕获测频率计算速度; 位置通过累积脉冲计数(currentPosition)实现。
• 采用两个 PID 控制器：pid_speed 和 pid_position，可按需要启用其中一个环。

#include "main.h"
#include "tim.h"
#include "gpio.h"
#include 
#include 

// TB6612 引脚宏定义
#define AIN1_GPIO GPIOA
#define AIN1_PIN  GPIO_PIN_1
#define AIN2_GPIO GPIOA
#define AIN2_PIN  GPIO_PIN_2
#define STBY_GPIO GPIOA
#define STBY_PIN  GPIO_PIN_3

// 编码器参数
const uint32_t TimerClockHz = 1000000;      // TIM2计数频率1MHz
const uint32_t pulsesPerRevolution = 20;    // 编码器每转脉冲数 (举例)

// 全局变量
volatile uint32_t currentPosition = 0;      // 当前位置脉冲计数
volatile float currentSpeedRPM = 0.0f;      // 当前转速（RPM）

// PID控制结构体定义
typedef struct {
    float Kp;
    float Ki;
    float Kd;
    float target;
    float integral;
    float prevError;
    float output;
    float outputMax;
    float outputMin;
} PID_Controller;

// PID 控制器实例
PID_Controller pid_speed = {0}, pid_position = {0};

// PID初始化函数
void PID_Init(PID_Controller *pid, float Kp, float Ki, float Kd, float outputMin, float outputMax) {
    pid->Kp = Kp;
    pid->Ki = Ki;
    pid->Kd = Kd;
    pid->target = 0.0f;
    pid->integral = 0.0f;
    pid->prevError = 0.0f;
    pid->output = 0.0f;
    pid->outputMin = outputMin;
    pid->outputMax = outputMax;
}

// PID更新计算
float PID_Update(PID_Controller *pid, float feedback) {
    float error = pid->target - feedback;
    pid->integral += error;
    float derivative = error - pid->prevError;
    float output = pid->Kp * error + pid->Ki * pid->integral + pid->Kd * derivative;
    // 输出限幅及积分防饱和
    if(output > pid->outputMax) {
        output = pid->outputMax;
        pid->integral -= error; // 防积分饱和
    }
    if(output < pid->outputMin) {
        output = pid->outputMin;
        pid->integral -= error;
    }
    pid->prevError = error;
    pid->output = output;
    return output;
}

// 电机驱动控制函数
void Motor_SetPWM(uint16_t pwm) {
    // 设置PWM占空比，不改变方向(用于速度控制时直接更新占空比)
    if(pwm > __HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(&htim3)) {
        pwm = __HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(&htim3); // 饱和保护
    }
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, pwm);
}

void Motor_Stop(void) {
    HAL_GPIO_WritePin(AIN1_GPIO, AIN1_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(AIN2_GPIO, AIN2_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    Motor_SetPWM(0);
}

void Motor_Forward(void) {
    HAL_GPIO_WritePin(AIN1_GPIO, AIN1_PIN, GPIO_PIN_SET);
    HAL_GPIO_WritePin(AIN2_GPIO, AIN2_PIN, GPIO_PIN_RESET);
}

void Motor_Backward(void) {
    HAL_GPIO_WritePin(AIN1_GPIO, AIN1_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(AIN2_GPIO, AIN2_PIN, GPIO_PIN_SET);
}

// 编码器中断/捕获回调处理
uint32_t lastCapture = 0;
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
    if(htim->Instance == TIM2 && htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1) {
        uint32_t capture_val = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);
        uint32_t deltaCapture;
        if(capture_val >= lastCapture) {
            deltaCapture = capture_val - lastCapture;
        } else {
            // 处理计数器溢出
            deltaCapture = (htim->Init.Period - lastCapture + capture_val);
        }
        lastCapture = capture_val;
        if(deltaCapture != 0) {
            float pulseFreq = (float)TimerClockHz / deltaCapture; // 当前脉冲频率
            currentSpeedRPM = (pulseFreq / pulsesPerRevolution) * 60.0f;
        } else {
            // deltaCapture==0理论上不可能（除非Timer频率极高电机极慢导致capture相等），保护一下
            currentSpeedRPM = 0;
        }
        // 更新位置计数
        // 单通道无法自动判方向，这里简单根据当前驱动方向更新:
        if(HAL_GPIO_ReadPin(AIN1_GPIO, AIN1_PIN) == GPIO_PIN_SET && 
           HAL_GPIO_ReadPin(AIN2_GPIO, AIN2_PIN) == GPIO_PIN_RESET) {
            // 当前电机朝正转方向
            currentPosition++;
        } else if(HAL_GPIO_ReadPin(AIN1_GPIO, AIN1_PIN) == GPIO_PIN_RESET && 
                  HAL_GPIO_ReadPin(AIN2_GPIO, AIN2_PIN) == GPIO_PIN_SET) {
            // 当前电机朝反转方向
            currentPosition--;
        }
    }
}

上述代码实现了主要的控制函数和变量。在 main() 函数中，我们需要初始化这些模块并进入控制循环，例如：

int main(void) {
    // 初始化系统
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_TIM3_Init();
    MX_TIM2_Init();
    
    // 启动PWM输出和编码器捕获输入
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
    // 如果使用TIM编码器模式则为: HAL_TIM_Encoder_Start(...) 略
    // 使能TB6612芯片
    HAL_GPIO_WritePin(STBY_GPIO, STBY_PIN, GPIO_PIN_SET);
    
    // 初始化 PID 控制器参数
    PID_Init(&pid_speed, 1.0f, 0.5f, 0.2f, 0.0f, __HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(&htim3));
    PID_Init(&pid_position, 5.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, __HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(&htim3));
    
    // 示例: 控制模式选择
    bool speedControlMode = true;
    pid_speed.target = 120.0f;    // 目标速度 120 RPM
    pid_position.target = 1000;   // 目标位置 1000 个脉冲
    
    while(1) {
        // 控制循环 10ms
        HAL_Delay(10);
        if(speedControlMode) {
            // 速度闭环控制
            // 设置电机朝目标方向转动，这里假设目标速度为正表示正转，负则反转
            if(pid_speed.target < 0) {
                Motor_Backward();
            } else {
                Motor_Forward();
            }
            // 计算新的PWM输出
            float pwmOut = PID_Update(&pid_speed, currentSpeedRPM);
            Motor_SetPWM((uint16_t)pwmOut);
        } else {
            // 位置闭环控制
            float posError = pid_position.target - currentPosition;
            float pwmOut = PID_Update(&pid_position, (float)currentPosition);
            if(fabs(posError) < 5.0f) {
                // 误差在5脉冲以内，认为到位，停止
                Motor_Stop();
                pwmOut = 0;
            } else if(posError > 0) {
                Motor_Forward();
            } else if(posError < 0) {
                Motor_Backward();
            }
            Motor_SetPWM((uint16_t)pwmOut);
        }
    }
}

代码说明:

• 我们假设一个 speedControlMode 变量决定是速度控制还是位置控制模式。在实际应用中可能根据需求选择，这里为了演示分别实现两种控制。
• 速度控制模式下，根据设定的 pid_speed.target 来决定方向（正/负）并计算 PWM。这里简单处理：如果目标速度为负则反转，正则前进。也可以有独立变量控制方向以避免用负值表示。
• 位置控制模式下，每循环计算当前位置误差 posError。使用PID计算输出 pwmOut，然后根据误差正负设置方向。当误差很小（±5）时，调用 Motor_Stop() 刹车并把 pwmOut 清零防止积分累积驱动。
• 控制周期用 HAL_Delay(10) 实现约10ms间隔（100Hz）。这简单易用，但定时精度受系统滴答影响。如果要求高，可用定时器中断或者自计时更精确。
• 注意在位置模式中，我们照样一直调用 PID_Update，即使停止后也在运行PID算法，这可能让积分项持续积累导致再次启动时出现问题。因此实际中当到位停止后，应该冻结 PID 或重置 integral。例如在判定到位时 pid_position.integral=0; pid_position.prevError=0;并不再调用PID_Update直到新的目标给定。为简明未深入处理。

这个完整代码示例只是一个基本框架，用于演示如何串联起初始化、传感、控制和执行部分。读者应根据自己的硬件配置调整引脚和参数，并逐步调试。

7. 调试与优化

电机控制系统往往需要经过多次调试才能达到理想效果。下面提供一些调试和优化的建议，帮助定位问题、改进性能：

PWM 占空比调整与线性控制

• 校准占空比: 不同电机在不同占空比下的响应不一定线性。可以在开环模式下（不使用PID）手动给定几个占空比测试电机空载转速。例如20%、50%、80%占空比下的转速是多少RPM。这样可了解电机特性，辅助PID控制。例如某电机在20%以下可能无法启动克服静摩擦，这需要在PID输出很小时给予一个“起动力矩补偿”或干脆调整PID输出下限。
• 分辨率和频率: 确认PWM定时器的Period设置提供了足够的分辨率。Period值过低会导致调节不细，当PID输出变化小于一个计数时就无法反映。过高虽然提高分辨率但可能降低PWM频率或需要更高时钟。一般1000左右的Period（对应0.1%调节精度）已足够。PWM频率应高于电机机械响应频率很多倍，一般几kHz以上。也避免频率太高以致驱动芯片开关损耗大（TB6612能工作到很高频，但5-20kHz常用）。
• 死区控制: 对于双极性H桥（如TB6612），一般不需要专门设置死区时间。但要避免AIN1/AIN2同时高造成短路，通过逻辑避免即可。切换方向时先PWM设0再切换方向位，可以减少瞬间冲击。

编码器数据准确性分析

• 检查脉冲计数: 在低速转动电机一圈，手动数物理标记，看编码器计数是否等于标称值PPR，确保计数正确。如果差异大，可能是接线问题或者软件计数丢失。
• 捕获溢出: 在极低速时，两个脉冲间隔可能超过TIM2计数周期导致溢出。我们在捕获回调中处理了溢出但若溢出多次（电机停了很久）再来一个脉冲，我们简单计算可能低估间隔。这种情况下可以增加Period（降低计数频率）或者在没有脉冲来的期间手动设定速度0。当电机接近停转时，由于无法频繁捕获，可主动监测一定时间无脉冲则判定速度为0。
• 加装滤波: 编码器信号如果有抖动（可能由于机械振动导致霍尔传感器反复触发），可以在硬件上加入RC滤波，或在软件上设定一个最小脉冲间隔（如两次捕获若间隔过小则忽略）。STM32的定时器捕获也有数字滤波器，可在CubeMX中配置Input Filter（以内部时钟周期为单位）。例如设置滤波采样8个时钟周期等，可以抑制毛刺。
• 方向判断: 单通道编码器方案下，我们用控制命令的方向来决定计数增减，这在大部分情况可行。但若电机惯性超过目标导致反转回摆，或外力拖动电机逆向，会出现失算。为更可靠的方向和位置计数，应利用双通道编码器信号，STM32定时器Encoder模式可自动加减计数，这样无论什么原因转向变化都能捕获。但实现稍复杂，需要将两信号接到定时器CH1/CH2并配置 Encoder Interface，这超出本教程范围，可作为进阶学习方向。

PID 参数调整方法

• 分开调试: 建议先调试速度环PID，使电机能稳稳保持不同设定速度。记录在空载情况下，不同速度下系统稳定所需的参数。然后再调试位置环PID。位置环可在低速下测试，比如限制速度PID输出上限，以慢速移动到位置，避免高速冲击。
• 逐步增加复杂性: 开始可以只用 P 控制，看系统能否基本跟随。然后加 I 消除偏差，再加 D 改善动态。每加一项重新微调已有参数。
• 观察响应: 通过串口打印或者观察电机行为来判断响应情况。例如给一个阶跃目标，看速度曲线变化。如果有条件，可以用示波器/逻辑分析仪记录编码器脉冲频率变化，更直观了解调节过程。
• 积分限幅: 对于积分项，防止积分累计过多很重要。我们在代码中简单处理了积分在输出饱和时不增加。更好的方式是设定积分项的上下限值，如 integralMax，根据经验或系统需要设置。例如如果发现积分项累计超过某个阈值总是导致强烈振荡，可限制积分累积在该阈值内。
• 采样周期对PID的影响: 控制周期不同，PID参数效果不同。如果将控制周期改为5ms或者20ms，需要相应调整 Ki 和 Kd（因为离散积分和微分跟dt相关）。Kp相对独立（影响是误差的瞬时比例，和周期无关）。调参时确保周期固定且已知。

常见问题与解决方案

• 电机不转或只能一个方向转: 检查 TB6612 STBY 是否为高，AIN1/AIN2连接是否正确。用万用表或LED测试GPIO电平变化。如果只能一个方向，可能另一方向GPIO未正确配置或PWM没有输出到对应通道。
• 电机抖动/噪声大: 可能是 PWM 频率太低导致振动，或PID参数不稳定导致持续来回调节。尝试升高PWM频率或调低Kp/Ki。也可能是机械原因（松动或齿轮间隙），可忽略小误差避免反复纠正。
• 电机高速时控制失灵: 如果编码器脉冲过快，可能出现计数丢失或捕获不及时。可以降低速度要求，或检查STM32性能是否够用（一般F103完全能处理几十kHz的编码器）。也可能PID输出达到上限仍无法跟上目标，这是物理极限，应降低目标或增大电源电压/换电机。
• 启动冲击过大: 小负载电机在位置控制时可能一下冲过目标很多。这时可以在接近目标时减小允许的最大PWM输出（比如误差小于一定值时限制输出），或直接采用速度环控制过渡。简单方法是在位置PID外再套一层：当误差较大时，只给予中等PWM，不直接全功率冲刺。或者加大位置PID的Kd项让逼近时提前减速。
• 编码器计数方向反了: 如果用双通道发现计数相反，只要交换A相B相接入即可修正方向计数。单通道方案如果发现期望正转却currentPosition减少，那就在更新位置时把逻辑反过来即可。

通过一系列调试和优化，相信读者能够让 STM32F103C8T6 稳定地控制12V编码电机的速度和位置。本教程从基础原理出发，覆盖了硬件连接、软件配置和控制算法实现。希望通过完整的代码示例和详尽的解释，使初学者逐步建立闭环控制的概念并掌握实践方法。祝您在项目开发中取得成功！