STM32直流有刷电机PID算法

STM32直流有刷电机PID算法概述

PID（比例-积分-微分）算法是控制直流有刷电机速度或位置的核心方法。通过调节比例、积分和微分参数，可实现快速响应、低超调和高精度的电机控制。STM32系列微控制器凭借其高性能定时器和PWM输出功能，常用于实现PID控制。

PID算法原理

PID控制器的输出由三部分组成：

• 比例项（P）：与当前误差成正比，快速响应但可能导致稳态误差。
• 积分项（I）：累积历史误差，消除稳态误差但可能引入振荡。
• 微分项（D）：预测未来误差趋势，抑制超调但对噪声敏感。

公式表示为：
[ u(t) = K_p e(t) + K_i \int_0^t e(\tau) d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt} ]
其中：

软件实现

注意事项

通过上述方法，STM32可实现高精度的直流有刷电机PID控制，适用于机器人、CNC等应用场景。

• ( u(t) ) 为控制器输出（如PWM占空比）；
• ( e(t) ) 为设定值与实际值的误差；
• ( K_p )、( K_i )、( K_d ) 为PID参数。

• STM32实现步骤

  硬件配置

• PWM生成：使用定时器（如TIM1、TIM2）的PWM模式驱动电机H桥电路。
• 编码器接口：配置定时器编码器模式（如TIM3）读取电机转速或位置反馈。
• ADC采样：若需电流环控制，配置ADC采样电机电流。
• 变量定义

  float Kp = 1.0, Ki = 0.01, Kd = 0.1; // PID参数  
  float error, last_error, integral, derivative;  
  float setpoint, actual_value, output;  
   
  

• PID计算函数
• 定时中断调用
  在定时器中断服务程序（如1kHz）中执行PID计算并更新PWM：

  void TIMx_IRQHandler(void) {  
      if (TIM_GetITStatus(TIMx, TIM_IT_Update) != RESET) {  
          actual_value = Read_Encoder(); // 获取编码器反馈  
          PID_Calculate(setpoint, actual_value);  
          Set_PWM(output);              // 设置PWM输出  
          TIM_ClearITPendingBit(TIMx, TIM_IT_Update);  
      }  
  }  
   
  

  参数整定方法

• 试凑法：先调 ( K_p ) 至系统稳定，再调 ( K_i ) 消除稳态误差，最后调 ( K_d ) 抑制超调。
• 临界比例法：增大 ( K_p ) 至系统等幅振荡，记录临界增益 ( K_u ) 和周期 ( T_u )，按Ziegler-Nichols规则设置参数：
  • ( K_p = 0.6 K_u )
  • ( K_i = 2 K_p / T_u )
  • ( K_d = K_p T_u / 8 )
• 抗积分饱和：限制积分项累积或采用积分分离（误差较大时禁用积分）。
• 噪声抑制：对微分项进行低通滤波或使用不完全微分。
• 实时性：确保采样周期远小于系统响应时间（通常1-10ms）。