【STM32踩坑日记】电机速度闭环与 PID 控制

一、电机速度闭环整体流程

电机通过编码器测速获得实际转速，与设定的目标转速进行比较，通过 PID 计算控制电压，再转换成 PWM 驱动电机。

目标转速 Ω* ↓ PID控制 ↓ 目标电压 Ua ↓ Ua / Vbat → PWM占空比 ↓ 电机 ↓ 编码器 ↓ 实际转速 Ω └────反馈

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二、App_Motor.c

1. PID初始化

左右电机分别使用一个 PID：

PID_Init(&pid_motor_l,0.5,7,0);PID_Init(&pid_motor_r,0.5,7,0);

参数：

Kp = 0.5 Ki = 7 Kd = 0

由于Kd = 0，所以实际是PI控制器。

同时限制输出：

PID_LimitConfig(&pid_motor_l,+8.4f,-8.4f);

即控制电压范围：

−8.4V∼+8.4V-8.4V \sim +8.4V−8.4V∼+8.4V

2. 电机速度控制

App_Motor_Proc()每1ms执行一次：

① 编码器获取实际转速 ② PID计算控制电压 Ua ③ 根据电池电压计算PWM占空比 ④ 输出PWM

PWM计算：

Duty=UaVbat×100%Duty=\frac{U_a}{V_{bat}}\times100\%Duty=Vbat​Ua​​×100%

这样可以根据当前电池电压调整占空比。

3. 设置目标转速

App_Motor_SetOmega_L(Omega);App_Motor_SetOmega_R(Omega);

本质上就是修改 PID 的：

SP = 目标转速

4. 电机开关

App_Motor_Cmd(On);

除了控制 PWM，还会：

PID_Reset()

清除 PID 的历史误差、积分和时间状态，避免重新启动时继承之前的 PID 状态。

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三、pid_simple.c

1. PID基本计算

首先计算误差：

e=SP−FBe=SP-FBe=SP−FB

其中：

• SP：目标值
• FB：实际反馈值

然后计算 P、I、D 三部分：

P=KpeP=K_p eP=Kp​e

I=Ki∫e dtI=K_i\int e\,dtI=Ki​∫edt

D=KddedtD=K_d\frac{de}{dt}D=Kd​dtde​

最后：

CO=P+I+DCO=P+I+DCO=P+I+D

在本项目中：

Kd=0K_d=0Kd​=0

所以实际使用：

CO=Kpe+Ki∫e dtCO=K_pe+K_i\int e\,dtCO=Kp​e+Ki​∫edt

即PI控制。

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2. 离散算法实现

程序运行在 STM32 上，需要每次采样时计算一次，所以使用离散形式。

时间间隔：

deltaT=(t_k-t_k_1)*1e-6f;

积分采用梯形积分：

Ik=Ik−1+ek+ek−12ΔtI_k=I_{k-1}+\frac{e_k+e_{k-1}}{2}\Delta tIk​=Ik−1​+2ek​+ek−1​​Δt

微分：

Dk=ek−ek−1ΔtD_k=\frac{e_k-e_{k-1}}{\Delta t}Dk​=Δtek​−ek−1​​

因此 PID 每次计算都需要保存：

上一次时间 上一次误差 上一次积分值

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3. 限幅

PID 输出进行限幅：

if(CO>UpperLimit)CO=UpperLimit;if(CO<LowerLimit)CO=LowerLimit;

防止输出超过电机允许范围。

同时对积分值进行限制，避免积分不断累积造成积分饱和。

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四、两个文件的关系

App_Motor.c │ ├── 编码器 → 获取实际转速 │ ├── PID → 计算 Ua │ ├── 电池 → 获取 Vbat │ └── PWM → 驱动电机

其中：

App_Motor.c负责整个电机速度控制流程，pid_simple.c负责具体的 PID 算法。

最终记住这一条就够了：

目标转速 ↓ 速度误差 ↓ PI计算 ↓ Ua ↓ Ua / Vbat ↓ PWM ↓ 电机 ↓ 编码器测速 ↓ 反馈