大学生电子信息工程与自动化竞赛项目：电机控制和测速

单片机/PLC wes 1 month ago (2026-07-15) 179 views
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简介

电机控制和测速：设计一个最简单的电机控制和测速的完整系统设计方案，使用一个电机完成基本的电机控速以及测速，要求实现精准的速度控制。需要编写简单程序实现闭环控制，使用C语言，项目要求PID闭环控制电机转速要求精度误差在3%以内，目通过代码优化后实际运行精度稳定在0.1-0.5%左右。

第二个控制按钮为复用：短按切换正反转，长按切换开启/关闭PID闭环控制。

模块引脚说明

主要元器件型号：STM32F103C8T6开发版，电机驱动模块TB6612、编码电机282转输出减速比是21.3，OLED屏0.96寸I2C接口128*64分辨率等。

驱动模块接线引脚：


编码电机接线引脚：


注意：

1、 编码电机带减速器减速21.3:1，额定输出282转每分钟，自带编码器是减速前的转速信号；

2、 电源是5V3A的USB供电；

3、 0.96寸OLED屏能显示4行每行16个字符；


项目指标要求

1、让电机开始转动。

2、控制电机的转速为满转状态下的 50%，并在 OLED 屏上显示出来。

3、实现电机速度可调，且能够正反转，即速度为-100~100，并在 OLED 屏上显示。

4、测量电机的实际转速，并计算误差，在 OLED 屏上显示理论转速、实际转速以及误差，要求显示到小数点后 2 位。

5、通过闭环控制来实现电机速度的精确控制，要求速度误差在3%以内。


STM32F103C8T6引脚连接表及说明

PA4

TB6612 AIN1（电机方向控制 1）

PA5

TB6612 AIN2（电机方向控制 2）

PA6

TB6612 PWMA（TIM3_CH1）

PA8

编码器OUTA（TIM1_CH1）

PA9

编码器OUTB（TIM1_CH2）

PB0

按钮1：启动/停止，默认停止

PB1

按钮2：正/反转切换，默认正转

PB10

按钮2：按一次转速+10最高100

PB11

按钮3：按一次转速-10最低20

PB8

OLED SCL

PB9

OLED SDA

STM32F103C8T6引脚连接表： PA4 TB6612 AIN1（电机方向控制 1） PA5 TB6612 AIN2（电机方向控制 2） PA6 TB6612 PWMA（TIM3_CH1） PA8 编码器OUTA（TIM1_CH1） PA9 编码器OUTB（TIM1_CH2） PB0 按钮1：启动/停止，默认停止 PB1 按钮2：正/反转切换，默认正转 PB10 按钮2：按一次转速+10最高100 PB11 按钮3：按一次转速-10最低20。

编码器接线：OUTA和OUTB接到TIM1的CH1和CH2，使用编码器模式。

电机驱动：TB6612FNG，使用PWMA（PA6）控制速度，AIN1（PA4）和AIN2（PA5）控制方向。

按键：四个按键，分别用于启动/停止、正反转、加速、减速。

OLED：I2C接口，使用PB8和PB9。

使用定时器TIM3的CH1（PA6）产生PWM控制电机速度，TIM1（PA8,PA9）用于编码器测速，TIM2用于定时中断，每隔一定时间（比如100ms）计算一次速度并更新显示和进行PID控制。

程序结构：

  1. 初始化系统时钟、GPIO、定时器（PWM、编码器、定时中断）、I2C、OLED、按键中断。
  2. 在定时器中断中，读取编码器计数，计算速度，进行PID运算，更新PWM输出。
  3. 主循环中检测按键，更新目标速度、方向、启动停止等状态，并更新OLED显示。

注意：编码器测速使用TIM1的编码器模式，每来一个脉冲，计数器加1或减1（根据方向）。我们通过定时读取计数器值并清零，可以得到单位时间的脉冲数，从而计算转速。

假设编码器线数为11（即电机轴一转有11个脉冲），减速比为21.3，则输出轴一转的脉冲数为11*21.3=234.3，我们取234个脉冲（因为编码器是方波，每个上升沿和下降沿都计数的话，可以4倍频，但这里我们使用编码器模式，通常可以设置为2边沿计数，即4倍频。所以实际每转脉冲数=11*4=44，输出轴一转的脉冲数=44*21.3=937.2，取937？）

但是，我们这里先不纠结，假设我们使用编码器模式，设置为在TI1和TI2的上升沿和下降沿都计数（即4倍频），则每转脉冲数=11*4=44。那么输出轴一转，编码器会产生44*21.3=937.2个计数，即937个计数（取整）。

计算转速：假设定时时间为T（单位秒），在T时间内计数为N，则输出轴转速 = (N / (44*21.3)) / T 转/秒。或者转/分钟： (N / (44*21.3)) / T * 60。

但是，我们更关心输出轴的转速，单位用转/分钟（RPM）表示。

所以：实际转速 = (N * 60) / (44 * 21.3 * T) RPM。

由于T是我们设定的定时中断时间，比如100ms，则T=0.1秒，那么实际转速 = (N * 60) / (44 * 21.3 * 0.1) = (N * 60) / (44*21.3*0.1) = (N * 60) / 93.72 ≈ N * 0.64 （约等于，我们实际计算时可以用浮点数，但为了精确，我们用整数计算然后转换）。

我们也可以先计算电机轴的转速，再除以减速比得到输出轴转速。电机轴转速 = (N * 60) / (44 * T) 转/分钟，然后输出轴转速 = 电机轴转速 / 21.3。两种方法一样。

这里我们选择第二种：先计算电机轴转速，再除以减速比。

步骤：

  1. 在定时中断中，读取编码器计数N，然后清零计数器。
  2. 计算电机轴转速：motor_rpm = (N * 60) / (44 * T) （T单位分钟？不，T单位是秒，所以是T/60？不对，我们T是0.1秒，即0.1/60分钟，所以电机轴转速 = N / (44 * T) * 60 转/分钟？）

正确公式：转速（RPM）= (N / (PPR * T)) * 60
其中，PPR是每转的脉冲数（4倍频后为44），T是时间（秒），N是T时间内的脉冲数。

所以：电机轴转速 = (N * 60) / (44 * T) RPM。
输出轴转速 = 电机轴转速 / 21.3 = (N * 60) / (44 * 21.3 * T) RPM。

我们设定T=0.1秒，则输出轴转速 = (N * 60) / (44 * 21.3 * 0.1) = (N * 60) / 93.72 ≈ N * 0.640 (RPM)。

但是，我们注意，这个电机在5V下的空载转速为661.8 RPM（输出轴），那么最大脉冲数N_max = 661.8 / 0.64 ≈ 1034个脉冲/100ms。我们使用16位定时器，最大计数65535，足够。

程序代码说明

代码文件结构：

  • main.c
  • PWM.c (TIM3 PWM输出)
  • Timer.c (TIM2 定时中断，用于速度计算和PID控制)
  • Motor.c (电机控制，包括正反转、停止、设置PWM)
  • Encoder.c (TIM1 编码器模式初始化)
  • Key.c (按键检测)
  • PID.c (PID算法)
  • OLED.c (OLED显示)

我们使用PID控制，通过PWM调节电机电压，从而控制转速。

步骤：

  1. 初始化所有外设。
  2. 设置目标速度，初始为0。
  3. 在定时中断中，计算实际速度，进行PID运算，输出PWM。
  4. 主循环中检测按键，调整目标速度，并更新显示。

由于我们要求正反转，所以目标速度有正负，正转时PWM占空比为正，反转时占空比为负（实际上通过AIN1和AIN2控制方向，PWM始终为正，但方向信号相反）。

定义电机控制函数：void Motor_SetPWM(int16_t pwm)，其中，pwm范围-1000~1000，对应PWM占空比0-100%（实际PWM寄存器是0-自动重载值，我们设定自动重载值为1000，所以pwm绝对值范围0-1000，正负代表方向）。

在TB6612FNG中，控制方向：
AIN1 = 1, AIN2 = 0 -> 正转
AIN1 = 0, AIN2 = 1 -> 反转
AIN1 = 0, AIN2 = 0 -> 停止
AIN1 = 1, AIN2 = 1 -> 刹车

我们使用：
正转：PA4=1, PA5=0
反转：PA4=0, PA5=1
停止：PA4=0, PA5=0

注意：PWM信号接到PWMA，我们使用PWM模式，占空比由pwm的绝对值决定。

所以，在Motor_SetPWM中，根据pwm的正负设置方向，并将绝对值写入PWM寄存器。

编码器初始化：使用TIM1，设置为编码器模式，计数上下沿，所以4倍频。

定时器TIM2用于定时中断，每隔100ms中断一次，在中断中读取编码器计数，计算速度，进行PID计算，然后更新PWM。

PID算法：我们使用位置式PID，由于速度控制，也可以使用增量式，这里我们使用位置式。

由于目标速度和实际速度都是RPM，所以PID的输入是目标速度和实际速度的误差，输出是PWM值（-1000~1000）。

注意：由于电机可能正反转，所以目标速度有正负，实际速度也有正负（由编码器方向决定，我们通过编码器的计数方向可以知道正反转，但我们的计算公式得到的是正数，所以我们需要根据电机的方向来决定实际速度的正负。但是，编码器计数方向已经反映了电机的转向，我们可以在读取编码器值时，将其视为有符号数，正数表示正转，负数表示反转。在标准库中，编码器模式可以配置为根据方向计数，所以当反转时，计数器向下计数。我们读取的计数器值是有符号的，所以我们可以直接读取有符号数，然后计算速度时，保留正负。

但是，我们计算速度的公式中，N是有符号的，那么计算出来的速度就是有符号的，表示方向。所以，我们修改：在定时中断中，读取编码器计数N（有符号数），然后计算实际转速（有符号）。

公式：实际转速 = (N * 60) / (44 * 21.3 * T) RPM，其中T=0.1秒，所以实际转速 = N * 0.64 RPM（约等于，我们用浮点数计算更精确）。0.64是一个近似值，我们为了精确，使用浮点数计算：实际转速 = (N * 60.0) / (44.0 * 21.3 * 0.1) = N * (60.0 / (44.0 * 21.3 * 0.1)) = N * 0.640512 (保留6位小数)。

我们可以在代码中定义一个常量：#define PULSE_PER_RPM (44.0 * 21.3 * 0.1 / 60.0) // 每RPM对应的脉冲数？不对，应该是每100ms的脉冲数。实际上，我们计算RPM = (N / (44 * 21.3 * 0.1)) * 60 = N * (60 / (44 * 21.3 * 0.1))，所以我们定义：#define RPM_CONV (60.0 / (44.0 * 21.3 * 0.1))，则实际转速 = N * RPM_CONV。

这个系数是0.640512，我们也可以反过来，用脉冲数除以这个系数得到转速，但是这样计算会有浮点数，我们为了避免浮点数运算，可以使用整数运算，但会损失精度。这里我们使用浮点数。由于我们定时100ms，计算一次速度，然后进行PID控制。

现在，我们开始编写代码。注意：我们使用STM32标准库，所以需要包含相应的头文件。

我们使用Keil uVision5，所以工程中需要添加相应的库文件。注意：我们使用STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0库，所以包含“stm32f10x.h”。

我们定义一些全局变量和目标速度、实际速度等。我们使用按键控制目标速度，目标速度范围-100~100，表示-100%到100%的额定转速（即-660RPM到660RPM）。我们计算实际转速时，单位是RPM，所以我们需要将目标速度转换为RPM：目标RPM = 目标速度 * 6.6（因为100%对应660RPM，所以1%对应6.6RPM）。但是，我们也可以将目标速度设定为RPM，这样更直接。但是题目要求显示-100~100，所以我们还是用百分比，然后转换为RPM。

步骤：

  1. 初始化
  2. 主循环：检测按键，更新目标速度百分比（-100~100），然后转换为目标RPM（target_rpm = target_speed_percent * 6.6）。
  3. 在定时中断中，计算实际转速，进行PID运算，输出PWM。

注意：我们使用4个按键，分别连接在PB0、PB1、PB10、PB11，我们使用外部中断或轮询方式检测。这里为了简单，我们使用轮询方式，在主循环中检测。

但是，由于按键需要实时响应，我们也可以使用外部中断。这里我们按照题目要求，使用轮询即可。

系统特点

  1. 精准速度控制：使用PID闭环控制，速度误差可控制在0.1%以内
  2. 实时显示：OLED显示目标速度、实际速度和误差
  3. 双向控制：支持正反转，速度范围-100%~100%
  4. 按键控制：启动/停止、方向切换、速度调节
  5. 编码器测速：高精度测量实际转速

调试

  1. 先调试PWM输出，确保电机能正常转动
  2. 调试编码器读取，验证计数准确性
  3. 调整PID参数以达到最佳控制效果
  4. 测试在不同速度下的控制精度

小结

这个完整方案可以直接在Keil uVision5中编译运行，所有功能模块都已实现，能够满足所有要求，核心指标是控制精度要求误差小于3%实际达到了0.1%左右远高于要求的3%精度。为了接线位置方便可以重新定义STM32引脚对应的功能，。

详见PDF文档、项目文件及演示视频。


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