STM32单片机电机控制秘籍：PWM、PID、FOC实战

# 1. STM32单片机电机控制基础

### 1.1 电机控制概述

电机控制是控制电机转速、位置和力矩的一种技术，广泛应用于工业自动化、机器人和消费电子产品中。STM32单片机以其强大的处理能力、丰富的外设和低功耗特性，成为电机控制应用的理想选择。

### 1.2 STM32电机控制优势

STM32单片机具有以下电机控制优势：

- **高性能内核：**Cortex-M内核提供高计算能力，可满足实时电机控制要求。
- **丰富的外设：**包括定时器、PWM、ADC和DAC，可轻松实现电机控制功能。
- **低功耗：**STM32单片机采用先进的低功耗技术，可延长电池供电设备的续航时间。
- **开发生态完善：**STM32拥有广泛的开发工具和技术支持，降低开发难度。

# 2. 电机控制理论与算法

### 2.1 电机控制原理

电机控制的本质是通过调节电机的电流或电压，从而控制电机的转速、转矩和位置。电机控制原理主要包括：

- **电磁转换原理：**电机的定子绕组通电后产生磁场，与转子磁场相互作用产生电磁力，从而带动转子旋转。
- **控制原理：**根据电机的工作原理，通过调节定子绕组的电流或电压，控制电机的电磁力，进而控制电机的转速、转矩和位置。

### 2.2 PWM调速技术

PWM（脉宽调制）调速技术是一种广泛应用于电机控制的调速方法。其原理是将直流电压或电流转换成可变占空比的脉冲序列，通过控制脉冲的占空比来调节电机的平均电压或电流，从而控制电机的转速。

// PWM调速代码块
void pwm_init(void) {
    // 初始化PWM时钟和引脚
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource6, GPIO_AF_TIM4);

    // 初始化PWM定时器
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 1000; // PWM周期为1000us
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0; // 不分频
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; // 不分频
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // 计数模式为向上计数
    TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);

    // 初始化PWM输出通道
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; // PWM模式1
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; // 输出使能
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 500; // 初始占空比为50%
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; // 输出极性为高电平有效
    TIM_OC1Init(TIM4, &TIM_OCInitStructure);

    // 启动PWM输出
    TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);
}

**参数说明：**

- `TIM_Period`：PWM周期，单位为us。
- `TIM_Prescaler`：PWM分频系数。
- `TIM_ClockDivision`：PWM时钟分频系数。
- `TIM_CounterMode`：PWM计数模式。
- `TIM_OCMode`：PWM输出模式。
- `TIM_OutputState`：PWM输出使能状态。
- `TIM_Pulse`：PWM占空比，范围为0~`TIM_Period`。
- `TIM_OCPolarity`：PWM输出极性。

**代码逻辑分析：**

1. 初始化PWM时钟和引脚，配置PWM输出引脚为复用功能。
2. 初始化PWM定时器，设置PWM周期、分频系数和计数模式。
3. 初始化PWM输出通道，设置PWM输出模式、使能状态、占空比和极性。
4. 启动PWM输出。

### 2.3 PID控制算法

PID（比例积分微分）控制算法是一种经典的反馈控制算法，广泛应用于电机控制中。其原理是通过测量电机的实际输出值与期望值之间的偏差，并根据偏差的大小和变化率，计算出控制量，从而调节电机的输入值，使实际输出值尽可能接近期望值。

// PID控制代码块
float pid_control(float error, float dt) {
    static float integral = 0; // 积分项
    static float derivative = 0; // 微分项
    float kp = 1; // 比例系数
    float ki = 0.1; // 积分系数
    float kd = 0.01; // 微分系数

    // 计算积分项
    integral += error * dt;

    // 计算微分项
    derivative = (error - prev_error) / dt;

    // 计算控制量
    float control = kp * error + ki * integral + kd * derivative;

    // 更新上一次的误差值
    prev_error = error;

    return control;
}

**参数说明：**

- `error`：电机实际输出值与期望值之间的偏差。
- `dt`：采样时间间隔。
- `kp`：比例系数。
- `ki`：积分系数。
- `kd`：微分系数。

**代码逻辑分析：**

1. 计算积分项，将误差值乘以采样时间间隔并累加。
2. 计算微分项，将误差值与上一次的误差值相减并除以采样时间间隔。
3. 计算控制量，将误差值乘以比例系数，积分项乘以积分系数，微分项乘以微分系数，并相加。
4. 更新上一次的误差值。

### 2.4 FOC矢量控制

FOC（磁场定向控制）矢量控制是一种先进的电机控制算法，其原理是将电机的三相电流分解为两部分：磁场电流和转矩电流。通过控制磁场电流和转矩电流，可以实现电机的精确转速和转矩控制。

graph LR
    subgraph 电机控制
        A[PWM调速] --> B[PID控制]
        B --> C[FOC矢量控制]
    end

**流程图分析：**

流程图展示了电机控制中PWM调速、PID控制和FOC矢量控制之间的关系。

- PWM调速是电机控制的基本技术，通过调节电机的电压或电流，控制电机的转速。
- PID控制是一种反馈控制算法，通过测量电机的实际输出值与