基于stm32采用PWM驱动伺服控制器学习笔记

     一、方案设计及选型阶段：

      采用伺服控制器来驱动电机转动是工控领域常用的控制方案，大部分是需要控制电机转动或设备行走到具体的位置，在选型之前，我们需要了解驱动控制的原理，如下：

      这里我们就需要生成PWM波形及输出DIR信号来控制伺服驱动器，推荐使用带FPU和定时器编码器接口的型号（如STM32F407，主打一个量大便宜），PWM采用高级定时器（TIM1/TIM8），支持互补输出和死区控制，用于驱动H桥。编码器反馈信号则可采用TIM2/TIM3/TIM4/TIM5，读取增量式编码器ABZ信号。

      二、PWM生成及私服驱动算法实现：

         PWM频率：通常为10-20kHz（避免可闻噪声，降低开关损耗）：

      可采用cubemx工具进行TIM定时器初始化：

// PWM初始化代码片段（以TIM1通道1为例）
htim1.Instance = TIM1;
htim1.Init.Prescaler = 0;
htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim1.Init.Period = 8399;  // 20kHz PWM
htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_PWM_Init(&htim1);

TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 0;  // 初始占空比0%
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);

      伺服控制算法实现（基于位置-速度-电流三环控制）：

      pid控制器代码如下：

typedef struct {
  float Kp, Ki, Kd;
  float integral;
  float prev_error;
} PID_Controller;

float PID_Update(PID_Controller* pid, float error, float dt) {
  float derivative = (error - pid->prev_error) / dt;
  pid->integral += error * dt;
  pid->prev_error = error;
  return pid->Kp * error + pid->Ki * pid->integral + pid->Kd * derivative;
}

// 在定时中断中调用（如1kHz）
void TIMx_IRQHandler() {
  float position = Encoder_Read();  // 读取编码器
  float error = target_position - position;
  float speed_cmd = PID_Update(&pid_pos, error, 0.001f);
  
  float current_speed = (position - last_position) / 0.001f;
  float current_cmd = PID_Update(&pid_vel, speed_cmd - current_speed, 0.001f);
  
  PWM_SetDuty(current_cmd * MAX_DUTY);  // 输出PWM
  last_position = position;
}

      关键参数整定技巧：

      1.关于位置环：先调Kp至系统开始震荡，再设为临界值的60%。

      2.关于速度环：带宽设置为位置环的5-10倍。

      3.关于电流环：响应最快，一般由伺服控制器内部进行处理。

三、软硬件设计过程中需要注意抗干扰问题。

     1. PCB设计时需要注意电机电源与信号地分离，并进行单点接地，PWM信号线需要使用双绞线或者是屏蔽线。编码器信号输入需要做RC滤波（推荐100Ω+100pf）。

      2.软件设计方面，着重注意编码器的读数去噪，建议采用滑动均值滤波：

#define FILTER_SIZE 5
float filter_buf[FILTER_SIZE];
float Moving_Average(float new_val) {
  static int idx = 0;
  filter_buf[idx++] = new_val;
  if(idx >= FILTER_SIZE) idx = 0;
  float sum = 0;
  for(int i=0; i