STM32电机控制算法详解

电机控制算法在嵌入式系统中广泛应用于各种应用场景，例如机器人控制、工业自动化、电动车辆等。其中，STM32是一种常用的微控制器，其具有强大的计算和控制能力，非常适合电机控制应用。本文将介绍几种常见的电机控制算法，并提供相关代码案例，以帮助读者理解和学习。

一、直流电机控制算法

直流电机是电机控制中最常见的一种类型，其控制算法相对较简单。下面以STM32为例，介绍几种常见的直流电机控制算法。

1.1 速度控制算法

速度控制是直流电机最常见的一种控制方式，通过控制电机的输入电压和电流，实现对电机转速的控制。以下是一个基于PWM调速的直流电机控制算法的示例代码：

#include "stm32f10x.h"

#define PWM_TIMER TIM3
#define PWM_CHANNEL TIM_Channel_1

void PWM_Init(void)
{
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);

    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 9999;  // PWM周期：10ms
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 71;  // PWM频率：72MHz / (71 + 1) = 1MHz
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
    TIM_TimeBaseInit(PWM_TIMER, &TIM_TimeBaseInitStructure);

    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;  // PWM占空比：0%
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(PWM_TIMER, &TIM_OCInitStructure);

    TIM_ARRPreloadConfig(PWM_TIMER, ENABLE);

    TIM_Cmd(PWM_TIMER, ENABLE);
}

void SetMotorSpeed(float speed)
{
    uint16_t pulse = (uint16_t)(speed * TIM_GetCapture1(PWM_TIMER));
    TIM_SetCompare1(PWM_TIMER, pulse);
}

int main(void)
{
    PWM_Init();

    while (1)
    {
        // 以50%的占空比设置电机转速为50%
        SetMotorSpeed(0.5);
    }
}

在以上代码中，通过配置PWM定时器(TIM3)的计数周期和预分频系数，以及PWM通道(TIM_Channel_1)的占空比，实现对直流电机转速的控制。其中，SetMotorSpeed()函数用于设置电机转速，输入参数为0-1之间的浮点数，表示转速的百分比。

1.2 位置控制算法

位置控制是直流电机的另一种常见控制方式，通过控制电机的转速和运动时间，实现对电机位置的精确控制。以下是一个简单的位置控制算法的示例代码：

#include "stm32f10x.h"

#define PWM_TIMER TIM3
#define PWM_CHANNEL TIM_Channel_1

void PWM_Init(void)
{
    // PWM初始化代码与速度控制算法相同，略去
}

void SetMotorPosition(float position)
{
    // 设置电机目标位置
    // ...
}

int main(void)
{
    PWM_Init();

    // 以10%的占空比设置电机转速为10%
    SetMotorSpeed(0.1);

    // 假设电机初始位置为0
    float currentPosition = 0.0;

    // 假设目标位置为100
    float targetPosition = 100.0;

    while (1)
    {
        // 获取电机当前位置
        // ...
        
        // 判断是否到达目标位置
        if (currentPosition >= targetPosition)
        {
            // 到达目标位置，停止电机运动
            SetMotorSpeed(0.0);
        }
        else
        {
            // 计算电机位置误差
            float error = targetPosition - currentPosition;

            // 根据误差调整电机转速
            SetMotorSpeed(error * Kp);

            // 更新电机当前位置
            currentPosition += (currentSpeed * deltaT);
        }
    }
}

在以上代码中，通过设置电机目标位置和当前位置，计算位置误差，并根据误差调整电机转速，从而控制电机运动到目标位置。其中，Kp为位置控制算法的比例系数，deltaT为控制周期。

二、无刷直流电机控制算法

无刷直流电机是一种高效、可靠且具有较高功率密度的电机类型，其控制算法相对复杂。下面以STM32为例，介绍几种常见的无刷直流电机控制算法。

2.1 电角度控制算法

电角度控制是无刷直流电机的一种常见控制方式，通过控制电机的电流和转速，实现对电机转矩和位置的精确控制。以下是一个简单的电角度控制算法的示例代码：

#include "stm32f10x.h"

#define PWM_TIMER TIM3
#define PWM_CHANNEL TIM_Channel_1

void PWM_Init(void)
{
    // PWM初始化代码与速度控制算法相同，略去
}

void SetMotorCurrent(float current)
{
    // 设置电机目标电流
    // ...
}

void SetMotorVelocity(float velocity)
{
    // 设置电机目标转速
    // ...
}

void SetMotorPosition(float position)
{
    // 设置电机目标位置
    // ...
}

int main(void)
{
    PWM_Init();

    // 假设电机初始电流、转速和位置均为0
    float current = 0.0;
    float velocity = 0.0;
    float position = 0.0;

    // 假设电机目标电流、转速和位置分别为1A、1000rpm和100
    float targetCurrent = 1.0;
    float targetVelocity = 1000.0;
    float targetPosition = 100.0;

    while (1)
    {
        // 获取电机当前电流、转速和位置
        // ...

        // 计算电机电流误差
        float currentError = targetCurrent - current;

        // 计算电机转速误差
        float velocityError = targetVelocity - velocity;

        // 计算电机位置误差
        float positionError = targetPosition - position;

        // 根据误差调整电机电流
        SetMotorCurrent(current + (currentError * Kp));

        // 根据误差调整电机转速
        SetMotorVelocity(velocity + (velocityError * Kp));

        // 根据误差调整电机位置
        SetMotorPosition(position + (positionError * Kp));
    }
}

在以上代码中，通过设置电机目标电流、转速和位置，计算电流、转速和位置误差，并根据误差调整电机电流、转速和位置，从而控制无刷直流电机的转矩和位置。其中，Kp为电角度控制算法的比例系数。

2.2 磁场定向控制算法

磁场定向控制是无刷直流电机的另一种常见控制方式，通过控制电机的相电流，实现对电机转矩和速度的精确控制。以下是一个简单的磁场定向控制算法的示例代码：

#include "stm32f10x.h"

void SetPWM(float dutyCycle)
{
    // 设置PWM占空比
    // ...
}

void SetMotorCurrent(float Id, float Iq)
{
    // 设置电机d

作者：大黄鸭duck.