STM32控制编码器电机实现【速度闭环控制】与【位置闭环控制】

一、硬件及接线说明

本实验所基于的硬件分别为：

• STM32F103C8T6 主控板
• TB6612FNG 直流电机驱动模块
• 6线正交编码器电机(带AB相）

硬件接线为：

• PWMA —— PA8
• AIN1 —— PB14
• AIN2 —— PB15
• STBY —— 5V
• 编码器A相 —— PA1
• 编码器B相 —— PA0

STM32定时器资源分配：

• 定时器1（TIM1）：产生PWM波，作为TB输入6612，控制电机调速；
• 定时器2（TIM2):读取编码器的波形；
• 定时器3（TIM3):生产周期为10个ms的定时器中断，为控制系统提供稳定的时间基准。

【说明】以上硬件平台和接线仅供读者参考，请自行微调示例程序，更换主控或接线方式。本文不重复编码器的工作原理。请自行查阅相关资料。

二、速度闭环控制程序逻辑

在以下程序中 control.c 最重要的是，它包含了速度闭环控制器的详细代码。其模块供读者初始化参考。

main.c （主函数）

u8 flag_Stop=1;     //停止标志位 int Encoder;        ////编码器脉冲计数 int moto;           //电机PWM变量 int main(void)  { 
           Stm32_Clock_Init(9);      ///设置系统时钟      delay_init();             //=====延时初始化   LED_Init();               //=====初始化与 LED 连接的硬件接口   uart_init(115200);        //=====初始化串口1   MOTO_Init();              ////初始控制电机所需的IO   pwm_Init(7199,0);         //初始化pwm输出   Encoder_Init_TIM2();      ///初始化计数器(定时器)   TIM3_Int_Init(99,7199);   //10ms一次中断   while(1)   { 
            printf("Encoder:%d \r\n",Encoder);   }  } 

moto.c (电机初始化相关函数)

void MOTO_Init(void)////初始控制电机所需的IO/span> { 
         GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE); //PORTB12 13 14 15推挽输出 GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12|GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15; GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct); } void pwm_Init(u16 arr,u16 psc) //初始化pwm输出引脚 { 
         TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct; TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStruct; GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1,ENABLE); //使能定时器1时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); //使能GPIOA的时钟 GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //复用输出 GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_11; //PA8 PA11 GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct); TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = arr; //设定计数器自动重装值  TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = psc; //设定预分频器 TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上计数模式 TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision = 0; //设置时钟分割 TIM_TimeBaseInit(TIM1,&TIM_TimeBaseInitStruct); //初始化定时器 TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; //选择PWM2模式 TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能 TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse = 0; //设置待装入捕获比较寄存器的脉冲值 TIM_OCInitStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //设置输出极性 TIM_OC1Init(TIM1,&TIM_OCInitStruct); //初始化输出比较参数 TIM_OC1PreloadConfig(TIM1,TIM_OCPreload_Enable); //CH1使能预装载寄存器 TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1,ENABLE); //高级定时器输出必须设置这句 TIM_ARRPreloadConfig(TIM1, ENABLE); //使能TIM1在ARR上的预装载寄存器 TIM_Cmd(TIM1,ENABLE); //使能定时器1 } 

encoder.c （编码器初始化函数）

#include "encoder.h"
/************************************************************************** 函数功能：把TIM2初始化为编码器接口模式 入口参数：无 返回 值：无 **************************************************************************/
void Encoder_Init_TIM2(void)
{ 
       
  TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;  
  TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;  
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);//使能定时器2的时钟
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);//使能PA端口时钟
	
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1;	//端口配置
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);			    //根据设定参数初始化GPIOB
  
  TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0x0; // 预分频器 
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = ENCODER_TIM_PERIOD-1; //设定计数器自动重装值
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;//选择时钟分频：不分频
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_CenterAligned1;TIM向上计数 
  TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
	
  TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM2, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);//使用编码器模式3
	
  TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure); //把TIM_ICInitStruct 中的每一个参数按缺省值填入
  TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 10;  //设置滤波器长度
  TIM_ICInit(TIM2, &TIM_ICInitStructure); //根据 TIM_ICInitStruct 的参数初始化外设 TIMx
 
  TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);//清除TIM的更新标志位
  TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);//使能定时器中断

  TIM_SetCounter(TIM2,0);//设置TIMx 计数器寄存器值
  TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); //使能定时器2
}

//中断处理函数为空，清除中断标志位后结束中断
void TIM2_IRQHandler(void)
{ 
       
 if(TIM_GetFlagStatus(TIM2,TIM_FLAG_Update)==SET)//溢出中断
 { 
       
	 TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update);  //清除中断标志位 
 }
}

/************************************************************************** 函数功能：单位时间读取编码器计数 入口参数：定时器 返回 值：速度值 **************************************************************************/
int Read_Encoder(u8 TIMX)//读取计数器的值
{ 
       
  int Encoder_TIM;
	switch(TIMX)
	{ 
       
	  case 2:Encoder_TIM=(short)TIM2->CNT; TIM2 -> CNT=0;  break;
	  case 3:Encoder_TIM=(short)TIM3->CNT; TIM3 -> CNT=0;  break;
	  case 4:Encoder_TIM=(short)TIM4->CNT; TIM4 -> CNT=0;  break;
	  default: Encoder_TIM=0;
	}
  return Encoder_TIM;
}

timer.c （定时器中断初始化函数）

/************************************************************************** 函数功能：定时中断初始化 入口参数：arr：自动重装值 psc：时钟预分频数 返回 值：无 **************************************************************************/
void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc)
{ 
       
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);
	
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = arr;     //重装载值
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = psc;  //预分频系数
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision =0; //时钟分割
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上计数模式
	TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseInitStruct);
	
	TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,ENABLE);  //使能定时器中断
	
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;   //使能外部中断通道
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;   //使能外部中断通道
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; //抢占优先级1
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;    //响应优先级3
	NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);

	TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);	  //使能定时器3
}

control.c (核心控制程序，此模块程序可供读者详细阅读)

#include "control.h"
int Target_velocity=50;  //设定速度控制的目标速度为50个脉冲每10ms

int TIM3_IRQHandler(void)
{ 
       
 if(TIM_GetFlagStatus(TIM3,TIM_FLAG_Update)==SET)
 { 
       
     TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update);       //===清除定时器3中断标志位
	 Encoder=Read_Encoder(2);                         //取定时器2计数器的值
     Led_Flash(100);                                  //LED闪烁
	 moto=Incremental_PI(Encoder,Target_velocity);    //===速度PID控制器
	 Xianfu_Pwm();
     Set_Pwm(moto);
 }
 return 0;
}
/************************************************************************** 函数功能：赋值给PWM寄存器 入口参数：PWM 返回 值：无 **************************************************************************/
void Set_Pwm(int moto)//赋值给PWM寄存器
{ 
       
 if(moto>0) AIN1=0,   AIN2=1;
 else       AIN1=1,   AIN2=0;
 PWMA=myabs(moto);
}
/************************************************************************** 函数功能：限制PWM赋值 入口参数：无 返回 值：无 **************************************************************************/
 void Xianfu_Pwm(void) //限制幅度的函数
 { 
       
     int Amplitude=7100;  //===PWM满幅是7200 限制在7100
	 if(moto<-Amplitude)  moto = -Amplitude;
	 if(moto>Amplitude)   moto =  Amplitude;
 }
/************************************************************************** 函数功能：绝对值函数 入口参数：int 返回 值：unsigned int **************************************************************************/
int myabs(int a) //取绝对值
{ 
        		   
	 int temp;
	 if(a<0)  temp=-a;  
	 else temp=a;
	 return temp;
}
/************************************************************************** 函数功能：增量PI控制器 入口参数：编码器测量值，目标速度 返回 值：电机PWM 根据增量式离散PID公式 pwm+=Kp[e（k）-e(k-1)]+Ki*e(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] e(k)代表本次偏差 e(k-1)代表上一次的偏差 以此类推 pwm代表增量输出 在我们的速度控制闭环系统里面，只使用PI控制 pwm+=Kp[e（k）-e(k-1)]+Ki*e(k) **************************************************************************/
int Incremental_PI (int Encoder,int Target)
{ 
        	
     float Kp=20,Ki=30;	
	 static int Bias,Pwm,Last_bias;
	 Bias=Encoder-Target;                //计算偏差
	 Pwm+=Kp*(Bias-Last_bias)+Ki*Bias;   //增量式PI控制器
	 Last_bias=Bias;	                 //保存上一次偏差 
	 return Pwm;                         //增量输出
}

三、位置闭环控制程序逻辑

【说明】下述程序中 control.c 最为重要，包含了速度闭环控制器的详细代码。其他程序模块供读者初始化参考。

main.c

u8 flag_Stop=1;     //停止标志位
int Encoder,Position=10000;        //编码器的脉冲计数
int moto;           //电机PWM变量
int main(void)
 { 
       	
	 Stm32_Clock_Init(9);      //系统时钟设置
     delay_init();             //=====延时初始化
	 LED_Init();               //=====初始化与 LED 连接的硬件接口
	 uart_init(115200);        //=====初始化串口1
	 MOTO_Init();              //初始化控制电机所需的IO
	 pwm_Init(7199,0);         //初始化pwm输出
	 Encoder_Init_TIM2();      //初始化计数器（定时器）
	 TIM3_Int_Init(99,7199);   //10ms一次中断
	 while(1)
	 { 
       
	   printf("Encoder:%d Position:%d \r\n",Encoder,Position);
	 }
 }

moto.c

void MOTO_Init(void)//初始化控制电机所需的IO
{ 
       
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);//PORTB12 13 14 15推挽输出
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12|GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct);	
}

void pwm_Init(u16 arr,u16 psc) //初始化pwm输出引脚
{ 
       	
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
	TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStruct;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1,ENABLE);  //使能定时器1时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); //使能GPIOA的时钟
	
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;         //复用输出
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_11;   //PA8 PA11
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);
	
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = arr;                     //设定计数器自动重装值 
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler  = psc;                 //设定预分频器
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上计数模式
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision = 0;                //设置时钟分割
	TIM_TimeBaseInit(TIM1,&TIM_TimeBaseInitStruct);              //初始化定时器
	
	TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2;               //选择PWM2模式
	TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;   //比较输出使能
	TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse = 0;                              //设置待装入捕获比较寄存器的脉冲值
	TIM_OCInitStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;       //设置输出极性
	TIM_OC1Init(TIM1,&TIM_OCInitStruct);                         //初始化输出比较参数
	
	TIM_OC1PreloadConfig(TIM1,TIM_OCPreload_Enable); //CH1使能预装载寄存器
	 
	TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1,ENABLE);                 //高级定时器输出必须设置这句
	
	TIM_ARRPreloadConfig(TIM1, ENABLE);              //使能TIM1在ARR上的预装载寄存器
	
	TIM_Cmd(TIM1,ENABLE);                            //使能定时器1
}

encoder.c

void Encoder_Init_TIM2(void)
{ 
       
  TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;  
  TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;  
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);//使能定时器2的时钟
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);//使能PA端口时钟
	
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1;	//端口配置
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					      //根据设定参数初始化GPIOB
  
  TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0x0; // 预分频器 
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = ENCODER_TIM_PERIOD-1; //设定计数器自动重装值
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;//选择时钟分频：不分频
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_CenterAligned1;TIM向上计数 
  TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
	
  TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM2, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);//使用编码器模式3
	
  TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure); //把TIM_ICInitStruct 中的每一个参数按缺省值填入
  TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 10;  //设置滤波器长度
  TIM_ICInit(TIM2, &TIM_ICInitStructure);//根据 TIM_ICInitStruct 的参数初始化外设 TIMx
 
  TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);//清除TIM的更新标志位
  TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);//使能定时器中断

  TIM_SetCounter(TIM2,10000);//设置TIMx 计数器寄存器值
  TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); //使能定时器2
}

//中断处理函数为空，清除中断标志位后结束中断
void TIM2_IRQHandler(void)
{ 
       
 if(TIM_GetFlagStatus(TIM2,TIM_FLAG_Update)==SET)//溢出中断
 { 
       
	 TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update);//清除中断标志位 
 }
}

/************************************************************************** 函数功能：单位时间读取编码器计数 入口参数：定时器 返回 值：速度值 **************************************************************************/
int Read_Encoder(u8 TIMX)//读取计数器的值
{ 
       
  int Encoder_TIM;
	switch(TIMX)
	{ 
       
	    case 2:Encoder_TIM=(short)TIM2->CNT;  break;
		case 3:Encoder_TIM=(short)TIM3->CNT;  break;
		case 4:Encoder_TIM=(short)TIM4->CNT;  break;
		default: Encoder_TIM=0;
	}
  return Encoder_TIM;
}

timer.c

#include "timer.h"
/************************************************************************** 函数功能：定时中断初始化 入口参数：arr：自动重装值 psc：时钟预分频数 返回 值：无 **************************************************************************/
void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc)
{ 
       
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);
	
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = arr;     //重装载值
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = psc;  //预分频系数
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision =0; //时钟分割
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上计数模式
	TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseInitStruct);
	
	TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,ENABLE);  //使能定时器中断
	
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;   //使能外部中断通道
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;   //使能外部中断通道
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; //抢占优先级1
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;    //响应优先级3
	NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);

	TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);	  //使能定时器3
}

control.c (核心控制程序，此模块程序可供读者详细阅读)

#include "control.h"
int Target_position=11000;    //初始值是10000，目标值是11000
int TIM3_IRQHandler(void)
{ 
       
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