STM32编程L298N驱动直流有刷电机实现PID位置、速度双闭环控制实现

为实现完成PID控制需要使用STM32定时器的输出通道和互补输出通道共同控制引脚链接驱动器驱动电机和编码器链接STM32 MCU定时器的编码器接口来实现一个完成的驱动、反馈闭环，根据STM32MCU的数据手册可以查询定时器的各引脚的功能。

STM32F103ZET6MCU定时器引脚功能定义

使用功能引脚在芯片上的位置对照

在相应的.h资源文件利用宏定义实现功能引脚和指定功能的一一对应

电机驱动控制引脚定义代码

MCU编码器反馈引脚定义代码

为了调试我们还定义了串口输出引脚和按键控制引脚的定义

串口调试引脚定义

按键控制引脚定义

根据定义的引脚初始化以后就可以控制运行状态的进程里编辑PID控制代码了

/********************************************************************************* 文件名程: main.c* 功    能:位置速度双闭环控制*******************************************************************************/
/* 包含头文件 ----------------------------------------------------------------*/
#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "DCMotor/bsp_BDCMotor.h"
#include "key/bsp_key.h"
#include "usart/bsp_usartx.h"
#include "encoder/bsp_encoder.h"/* 私有类型定义 --------------------------------------------------------------*/
typedef struct
{__IO int32_t  SetPoint;                                 //设定目标 Desired Value__IO float    SumError;                                 //误差累计__IO float    Proportion;                               //比例常数 Proportional Const__IO float    Integral;                                 //积分常数 Integral Const__IO float    Derivative;                               //微分常数 Derivative Const__IO int      LastError;                                //Error[-1]__IO int      PrevError;                                //Error[-2]
}PID_TypeDef;
/* 私有宏定义 ----------------------------------------------------------------*/
#define SPEEDRATIO    270
#define ENCODER_RESOLUTION    11
#define PPR           ((SPEEDRATIO*ENCODER_RESOLUTION)*4) // Pulse/Round 每圈可捕获到的脉冲数/*************************************/
// 定义PID相关宏
// 这三个参数设定对电机运行影响非常大
// PID参数跟采样时间息息相关
/*************************************/
#define  SPD_P_DATA     15.0f        // P参数
#define  SPD_I_DATA     8.8f         // I参数
#define  SPD_D_DATA     0.0f         // D参数
#define  TARGET_SPEED   10.0f        // 目标速度    10r/m#define  LOC_P_DATA     0.025f       // P参数
#define  LOC_I_DATA     0.001f       // D参数
#define  LOC_D_DATA     0.08f       // D参数
#define  TARGET_LOC     (3*PPR)    // 目标位置    11880 Pulse = 1r/* 私有变量 ------------------------------------------------------------------*/
uint32_t Motor_Dir = CW;             // 电机方向
__IO uint8_t  Start_flag = 0;        // PID 开始标志__IO int32_t tmpPWM_DutySpd = 0;
__IO int32_t tmpPWM_Duty = 0;__IO int32_t Sample_Pulse;           // 编码器捕获值 Pulse
__IO int32_t LastSample_Pulse;       // 编码器捕获值 Pulse
__IO int32_t Spd_PPS;                // 速度值 Pulse/Sample
__IO float Spd_RPM;                  // 速度值 r/mstatic __IO uint32_t uwTick;                 // 滴答定时器计数
/* PID结构体 */
PID_TypeDef  sPID,lPID;
/* 扩展变量 ------------------------------------------------------------------*/
/* 私有函数原形 --------------------------------------------------------------*/
void PID_ParamInit(void) ;
int32_t SpdPIDCalc(float NextPoint);
int32_t LocPIDCalc(int32_t NextPoint);
/* 函数体 --------------------------------------------------------------------*/
/*** 函数功能: 系统时钟配置* 输入参数: 无* 返 回 值: 无* 说    明: 无*/
void SystemClock_Config(void)
{RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct;RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct;RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;  // 外部晶振，8MHzRCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;  // 9倍频，得到72MHz主时钟HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct);RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;       // 系统时钟：72MHzRCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;              // AHB时钟： 72MHzRCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;               // APB1时钟：36MHzRCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;               // APB2时钟：72MHzHAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2);// HAL_RCC_GetHCLKFreq()/1000    1ms中断一次// HAL_RCC_GetHCLKFreq()/100000    10us中断一次// HAL_RCC_GetHCLKFreq()/1000000 1us中断一次HAL_SYSTICK_Config(HAL_RCC_GetHCLKFreq()/1000);  // 配置并启动系统滴答定时器/* 系统滴答定时器时钟源 */HAL_SYSTICK_CLKSourceConfig(SYSTICK_CLKSOURCE_HCLK);/* 系统滴答定时器中断优先级配置 */HAL_NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0, 0);
}/*** 函数功能: 主函数.* 输入参数: 无* 返 回 值: 无* 说    明: 无*/
int main(void)
{/* 复位所有外设，初始化Flash接口和系统滴答定时器 */HAL_Init();/* 配置系统时钟 */SystemClock_Config();/* 按键 初始化 */KEY_GPIO_Init();/* 串口通信配置初始化 */MX_USARTx_Init();/* 编码器初始化及使能编码器模式 */ENCODER_TIMx_Init();/* 配置定时器脉冲输出 */BDCMOTOR_TIMx_Init();/* 设置电机速度 */PWM_Duty = BDCMOTOR_DUTY_ZERO;SetMotorSpeed(PWM_Duty);/* 设置电机方向 */SetMotorDir(1);HAL_Delay(1000);/* PID 参数初始化 */PID_ParamInit();/* 无限循环 */while (1){if(KEY1_StateRead()==KEY_DOWN){PID_ParamInit();PWM_Duty = 0;SetMotorSpeed(PWM_Duty); // 0%SetMotorStart();HAL_Delay(500);Start_flag = 1;}if(KEY2_StateRead()==KEY_DOWN){Start_flag = 0;HAL_TIM_PWM_Stop(&htimx_BDCMOTOR,TIM_CHANNEL_1);HAL_TIMEx_PWMN_Stop(&htimx_BDCMOTOR,TIM_CHANNEL_1);}}
}
/*** 函数功能: 系统滴答定时器中断回调函数* 输入参数: 无* 返 回 值: 无* 说    明: 每一秒读取编码器数值,计算速度,并打印到串口*/
void HAL_SYSTICK_Callback(void)
{uwTick++;if((uwTick % 50) == 0){
//    /* 获取当前位置值,编码器4倍频之后的数值 */Sample_Pulse = (OverflowCount*CNT_MAX) + (int32_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htimx_Encoder);/* 计算PID结果 */if(Start_flag == 1){tmpPWM_DutySpd = LocPIDCalc(Sample_Pulse);/* 设定速度环的目标值 */if(tmpPWM_DutySpd >= TARGET_SPEED)tmpPWM_DutySpd = TARGET_SPEED;if(tmpPWM_DutySpd <= -TARGET_SPEED)tmpPWM_DutySpd = -TARGET_SPEED;}}/* 速度环周期50ms */if(uwTick % 50 == 0){/* 获得当前速度 */Sample_Pulse = (OverflowCount*CNT_MAX) + (int32_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htimx_Encoder);Spd_PPS = Sample_Pulse - LastSample_Pulse;LastSample_Pulse = Sample_Pulse ;/* 11线编码器,270减速比,一圈脉冲信号是11*270*4 PPR */Spd_RPM = ((((float)Spd_PPS/(float)PPR)*20.0f)*(float)60);//单位是rpm
///* 计算PID结果 */if(Start_flag == 1){sPID.SetPoint = tmpPWM_DutySpd;PWM_Duty = SpdPIDCalc(Spd_RPM);if(PWM_Duty < 0){Motor_Dir = CW;BDDCMOTOR_DIR_CW();PWM_Duty = -PWM_Duty;}else{Motor_Dir = CCW;BDDCMOTOR_DIR_CCW();}__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htimx_BDCMOTOR,TIM_CHANNEL_1,PWM_Duty );}printf("LOC:%d Sped: %2.2f r/m \n",Sample_Pulse,Spd_RPM );}
}/********************* PID参数初始化 ********************************/
/*** 函数功能: PID参数初始化* 输入参数: 无* 返 回 值: 无* 说    明: 无*/
void PID_ParamInit()
{Sample_Pulse = (OverflowCount*CNT_MAX) + (int32_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htimx_Encoder);if(Sample_Pulse != 0){Sample_Pulse = 0;__HAL_TIM_SET_COUNTER(&htimx_Encoder,0);}sPID.LastError = 0;               // Error[-1]sPID.PrevError = 0;               // Error[-2]sPID.SumError = 0;sPID.Proportion = SPD_P_DATA; // 比例常数 Proportional ConstsPID.Integral = SPD_I_DATA;   // 积分常数  Integral ConstsPID.Derivative = SPD_D_DATA; // 微分常数 Derivative ConstsPID.SetPoint = TARGET_SPEED;     // 设定目标Desired ValuelPID.LastError = 0;               // Error[-1]lPID.PrevError = 0;               // Error[-2]lPID.SumError = 0;lPID.Proportion = LOC_P_DATA; // 比例常数 Proportional ConstlPID.Integral = LOC_I_DATA;   // 积分常数  Integral ConstlPID.Derivative = LOC_D_DATA; // 微分常数 Derivative ConstlPID.SetPoint = TARGET_LOC;     // 设定目标Desired Value
}/******************** 电流闭环 PID 控制设计 ************************************//*** 函数名称：速度闭环PID控制设计* 输入参数：当前控制量* 返 回 值：目标控制量* 说    明：无*/
int32_t SpdPIDCalc(float NextPoint)
{float iError,dError;iError = sPID.SetPoint - NextPoint; //偏差if((iError<0.2f )&& (iError>-0.2f))iError = 0.0f;sPID.SumError += iError; //积分/* 设定积分上限 */if(lPID.SumError >= TARGET_SPEED*10)lPID.SumError = TARGET_SPEED*10;if(lPID.SumError <= -TARGET_SPEED*10)lPID.SumError = -TARGET_SPEED*10;dError = iError - sPID.LastError; //微分sPID.LastError = iError;return (int32_t)(sPID.Proportion * (float)iError //比例项+ sPID.Integral * (float)sPID.SumError //积分项+ sPID.Derivative * (float)dError); //微分项
}
/*** 函数名称：位置闭环PID控制设计* 输入参数：当前控制量* 返 回 值：目标控制量* 说    明：无*/
int32_t LocPIDCalc(int32_t NextPoint)
{int32_t iError,dError;iError = lPID.SetPoint - NextPoint; //偏差/* 设定闭环死区 */if((iError >= -50) && (iError <= 50)){iError = 0;lPID.SumError /= 2.0;}/* 积分分离 */if((iError >= -1000) && (iError <= 1000)){lPID.SumError += iError; //积分/* 设定积分上限 */if(lPID.SumError >= 1000)lPID.SumError = 1000;if(lPID.SumError <= -1000)lPID.SumError = -1000;}dError = iError - lPID.LastError; //微分lPID.LastError = iError;return (int32_t)(lPID.Proportion * (float)iError //比例项+ lPID.Integral * (float)lPID.SumError //积分项+ lPID.Derivative * (float)dError);    //微分项
}

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