简介：一个基于 STM32F10x 的直线倒立摆控制工程，面向倒立摆实验与嵌入式实时控制学习场景，完整覆盖传感器数据读取、控制算法计算和电机驱动链路的实现。压缩包解压后可见 BALANCE、HARDWARE、SYSTEM、USER、STM32F10x_FWLib、OBJ 等目录：BALANCE 存放平衡算法，HARDWARE 封装 GPIO、ADC、PWM 等外设驱动，SYSTEM 负责时钟与中断等系统初始化，USER 为应用层代码，STM32F10x_FWLib 提供标准外设库，OBJ 保存中间编译结果。控制部分不只包含 PD、PID 基础算法，还涉及微分先行、梯形积分、抗积分饱和、积分分离等优化策略，可对照源码理解每一项在防超调、消稳态误差和抑制积分饱和上的作用。资源共 214 个文件，核心为 55 个头文件和 48 个 C 源文件，另有 Keil 工程文件、编译中间文件、hex/axf 可执行镜像，以及 map、sct 等链接描述文件，整体约 3.79MB，已有 818 人学习/下载。目录分层清晰、代码与标准库分离，适合准备倒立摆实验或学习 STM32 实时控制的中高级开发者。
1. 直线倒立摆 STM32 控制程序：先看它在做什么
第一次见到直线倒立摆实物时，第一反应是这东西怎么敢叫“直线”——一截轨道上，一辆小车驮着摆杆来回跑，杆子直立不倒，看着确实像违反物理直觉。等自己上手调一次就明白了：能在 1 秒内把自由下落的摆杆稳稳“立”起来，再顶着外力扰动自动回正，背后靠的是 STM32 在 1 kHz 中断里反复执行“读编码器、算偏差、算 PID、输出 PWM”这一整套闭环。这份资源不是仿真，是一份能直接烧进板子的裸机工程，适合两类人：一类是刚学完 STM32 外设、想找一个带真实控制闭环的综合性项目的学生，另一类是已经在做平衡小车或云台、想倒回去看经典倒立摆控制结构怎么写、怎么调参的开发者。全文从硬件接线、PID 核心实现到避坑调试都会讲到，照着烧录、接好编码器和电机驱动就能跑起来。
2. 系统架构与硬件选型：轨道、小车、摆杆与主控是怎么连成一体的
2.1 机械结构决定控制难度
直线倒立摆和常见的平衡小车的最大区别在于：小车的运动被限制在一根直线轨道上，摆杆通过旋转编码器安装在小车顶部，电机通过同步带或齿轮驱动小车沿轨道左右移动。控制目标是让摆杆在垂直位置附近保持平衡，同时让小车不要冲出轨道限位。
这个机械结构直接决定了控制策略的维度。单级直线倒立摆是一个典型的四阶非线性系统，状态量包括小车位置、小车速度、摆杆角度、摆杆角速度。但因为轨道限制了 Y 轴和旋转自由度，系统的控制输入只有“小车加速度”这个单通道，所以它比二级摆、环形摆简单，又比纯仿真复杂——真实世界里的摩擦力、电机死区、编码器噪声全都叠在控制回路上。这也是这个项目最适合作为嵌入式控制入门的原因：数学上能算清楚，物理上又能让你老老实实调 PID。
2.2 主控与外设分工
从工程角度说，这份资源的核心主控是 STM32F103 系列，属于 Cortex-M3 内核，72 MHz 主频。在倒立摆这种需要强实时性的控制场景里，这个主频已经足够——控制周期 1 kHz，每个周期内要完成的动作并不多，但要求中断响应确定、时序稳定。使用定时器触发 ADC 或编码器采样，而不是在主循环里去轮询，这是整个程序实时性的关键。
外设层面，摆杆角度通过旋转编码器读取，常见配置是 500 线增量式编码器配合 STM32 的定时器编码器模式，4 倍频后每圈 2000 个脉冲。小车位移则通过轨道上的直线编码器或电机自带的霍尔编码器获得。电机驱动部分通常使用 TB6612 或 DRV8870 这类带逻辑电平输入的驱动器，STM32 输出 PWM 控制电机转速和方向。显示和交互部分一般预留了 OLED 屏幕和按键，用于运行时切换 PID 参数。
2.3 控制回路整体数据流
整个程序的数据流可以画成一条直线：编码器中断读取角度和位置，经过滤波和微分计算速度，送入 PID 控制器计算出控制量，控制量映射为 PWM 占空比和方向引脚电平，输出到电机驱动。这条链路每 1 ms 循环一次，中间不能有阻塞操作，也不能有动态内存分配这类不确定行为。
中断服务函数时序（伪代码）: 定时器每 1ms 触发一次 -> 读编码器计数 -> 换算角度/位置 -> 计算偏差 -> PID 计算 -> 更新 PWM 寄存器 -> 清除中断标志这里有一个嵌入式新手特别容易忽视的点：PID 的积分项、微分项必须在定时中断里连续计算，不能漏周期。哪怕主循环里正在处理串口数据或刷新 OLED 屏幕，中断依然要准时触发。所以这份工程把整个控制算法全部写在定时器中断服务函数里，主循环只做参数显示和状态上报。中断的优先级、频率和初始化顺序，我放在后面核心代码里说。
3. 核心模块代码拆解：编码器采集到 PWM 输出的完整链路
3.1 定时器编码器模式的初始化
STM32 的定时器编码器模式是倒立摆项目里第一个值得学习的点。用 TIM4 的 CH1 和 CH2 分别接编码器的 A、B 相，硬件上自动完成正交解码和计数，不需要外部中断去手动判断相位。这种方式的优势是计数过程不占用 CPU 时间，而且 4 倍频直接提高了角度分辨率。
// 编码器模式初始化 - TIM4, 通道1/2接增量式编码器A/B相 void Encoder_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure; RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; // PB6=A相, PB7=B相 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFF; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0; TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure); TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1; TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x0A; // 输入滤波，抗抖动 TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStructure); TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2; TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_IndirectTI; TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x0A; TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStructure); TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising); TIM_SetCounter(TIM4, 0); TIM_Cmd(TIM4, ENABLE); }配置的要点在于 TIM_EncoderMode_TI12 这一项，它让定时器同时检测两路输入，并在两个边沿都计数，实现 4 倍频。TIM_ICFilter 加了一个小的输入滤波值，因为编码器在电机启停瞬间会产生机械抖动，直接不滤波的话，计数器会出现毛刺，角度读数在静止时乱跳，PID 的微分项会被这种噪声放大得很厉害。读计数值时用 TIM_GetCounter 直接取，之后要立刻把计数器清零或者记录上次值做差分，保证角度变化量是准确的。
3.2 角度与速度换算
拿到定时器计数值之后，需要把它换算成物理量。以 500 线编码器为例，4 倍频后每圈 2000 个脉冲，摆杆从垂直位置向一侧摆动 90 度对应 500 个脉冲。换算代码通常是这样：
// 从编码器计数值换算摆杆角度，单位：弧度 float Encoder_GetAngle(int16_t encoder_count) { // PULSE_PER_REV = 2000 (500线 * 4倍频) // ANGLE_RANGE = 2 * PI float angle = (float)encoder_count * (2.0f * 3.14159f) / PULSE_PER_REV; return angle; }角速度则不直接对角度做微分，因为编码器计数本身有量化误差，直接差分会导致速度值一抖一抖的。常见做法是对连续多次的角度值做一阶低通滤波，再计算差分，或者直接用定时器捕获两个相邻中断之间的脉冲数作为速度的近似值。这个细节直接关系到后面 PID 的 D 项能不能稳定工作。
3.3 PID 控制在定时器中断里的实现
直线倒立摆使用两组 PID 控制，一组负责摆杆角度环，另一组负责小车位置环。角度环的输出是目标加速度，位置环修正这个目标值，避免小车缓慢漂移到轨道尽头。两个环在同一个 1 kHz 中断里级联执行，顺序是先算位置环，再算角度环。
// 1ms定时中断 - 倒立摆核心控制逻辑 void TIM6_IRQHandler(void) { if (TIM_GetITStatus(TIM6, TIM_IT_Update) != RESET) { TIM_ClearITPendingBit(TIM6, TIM_IT_Update); // 1. 读取编码器原始值 int16_t angle_count = TIM_GetCounter(TIM4); int16_t position_count = TIM_GetCounter(TIM5); // 2. 换算物理量 float angle = (float)angle_count * ANGLE_TO_RAD; float position = (float)position_count * PULSE_TO_MM; // 3. 计算角速度（带低通滤波） angle_speed = (angle - last_angle) / DT; angle_speed_filtered = FILTER_ALPHA * angle_speed + (1 - FILTER_ALPHA) * angle_speed_filtered; // 4. 位置环PID：输出一个角度修正量 position_error = 0.0f - position; // 目标位置是轨道中央 position_out = pos_kp * position_error + pos_kd * (0.0f - position_speed_filtered); // 5. 角度环PID：目标是摆杆垂直，叠加位置环修正 angle_error = (0.0f - angle) + position_out; integral += angle_error * DT; if (integral > INTEGRAL_LIMIT) integral = INTEGRAL_LIMIT; if (integral < -INTEGRAL_LIMIT) integral = -INTEGRAL_LIMIT; differential = angle_speed_filtered; output = ang_kp * angle_error + ang_ki * integral + ang_kd * differential; // 6. 输出限幅 if (output > PWM_MAX) output = PWM_MAX; if (output < -PWM_MAX) output = -PWM_MAX; // 7. 写入PWM寄存器 Motor_SetOutput((int16_t)output); // 8. 更新状态 last_angle = angle; last_position = position; } }这段代码是整份工程的核心，逻辑顺序值得讲清楚。位置环在前，它根据小车偏离轨道中央的距离计算出这个时刻角度环的“目标角度应该偏移多少”。也就是说，当小车往右跑的时候，位置环会临时让摆杆往右倾斜一点，利用重力分量产生向左的加速度，把小车道回来。这就是倒立摆控制里常见的“重心偏移法”，比直接在小车速度上做 PID 更符合物理直觉。
角度环的 D 项用的是滤波后的角速度，而不是角度偏差的差分，目的是减少编码器量化噪声的放大。INTEGRAL_LIMIT 限幅是必须的，没有限幅的积分项在摆杆长时间受静摩擦卡住时，会积累到一个很大的值，等摩擦力突然消失，小车会被这一下积分输出弹出轨道。
3.4 PWM 输出与电机方向控制
PID 输出是一个有符号数，正值表示一个方向，负值表示另一个方向。电机驱动接口需要把符号拆成方向引脚和占空比两部分：
// 电机输出：value为正时正向转，为负时反向转 void Motor_SetOutput(int16_t value) { uint16_t duty = (value > 0) ? value : (-value); if (duty > 1000) duty = 1000; if (value >= 0) { GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4); // DIR1 = 1 GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5); // DIR2 = 0 } else { GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4); // DIR1 = 0 GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5); // DIR2 = 1 } TIM_SetCompare1(TIM3, duty); // PWM占空比 }死区问题需要注意。电机在占空比很小时（比如 0 到 50/1000）可能根本转不动，但 PID 输出的死区会造成“输出在积累、车却不动”的假象，然后占空比突然越过静摩擦阈值，小车猛地窜一下。处理办法是给输出加死区补偿：当 PID 输出绝对值小于某个阈值时，直接给一个最小的启动力矩。这个值通常靠实测，每个电机的启动电压不太一样，不能靠公式算出来。
4. 初始化流程与主循环设计：上电后程序按什么顺序跑
4.1 外设初始化顺序的讲究
初始化顺序在倒立摆项目里有讲究，顺序不对会出现上电瞬间摆杆砸下去的失控情况。这份工程里推荐顺序是：先初始化时钟和 GPIO，再初始化编码器接口，接着关闭电机输出，然后初始化定时中断，最后才开启主循环。原因很简单：电机输出必须在控制系统准备好之前处于安全状态，否则上电瞬间一个随机占空比就会让小车冲出去。
更具体一点，PWM 的初始占空比应为 0，并且方向引脚要预设为刹车状态。编码器要先清零，保证第一次读到的角度是可信的。定时中断最后开启，因为一旦开启，1 kHz 的控制循环就开始跑了，如果前面的外设状态还没稳定，等于带着脏数据进入闭环。
int main(void) { // 1. 时钟与基础GPIO SystemInit(); GPIO_Config(); // 2. 编码器接口初始化（TIM4/TIM5） Encoder_Init(); // 3. 电机驱动引脚与PWM初始化，初始占空比0 Motor_Init(); Motor_SetOutput(0); // 4. 传感器校准：读取摆杆垂直静止时的编码器偏移 Calibrate_ZeroPoint(); // 5. OLED / 串口初始化 OLED_Init(); UART_Init(115200); // 6. 最后开启控制定时中断 TIM6_Init(); // 1kHz中断，此时控制闭环开始运行 TIM_Cmd(TIM6, ENABLE); while (1) { // 主循环只做非实时任务：刷新屏幕，处理按键，串口上报参数 OLED_ShowPIDParam(); UART_SendStatus(); } }4.2 零点校准为什么关键
摆杆的垂直位置并不是天然对应编码器读数为 0。安装误差、摆杆重心不完全在轴线上，都会导致编码器零点与物理垂直方向有偏差。如果不做校准，PID 的目标角度就带着一个固定偏差，结果是摆杆稳定时小车会一直往一个方向跑，位置环拉都拉不住。
校准代码通常会这么做：程序启动后，让摆杆自然垂下，读取此时编码器读数作为零点。但倒立摆的摆杆启动前是悬垂的，要立起来需要“起摆”操作——要么手动扶起摆杆到垂直位置再按校准键，要么程序里写一套能量控制的起摆逻辑。这份工程里如果带起摆功能，它的思路是把摆杆来回甩动，让摆杆逐渐靠近垂直位置，在某个能量阈值处切入平衡控制。这部分代码天然独立，接在 Calibrate_ZeroPoint 之后、TIM6 启动之前。
4.3 主循环任务的优先级思想
很多初学者容易犯的错是把 PID 计算写进主循环，这是完全错误的。主循环里的 OLED 刷新一次可能要 5 到 10 毫秒，串口发送碰上 DMA 又要等，这些都会让控制周期抖动。这份工程的处理方式是主循环只干“慢活”，控制全部走定时中断，两者之间通过全局变量交换参数。调参时在中断里改 PID 结构体，OLED 只负责显示当前值，不参与实时数据流。这种“慢任务与快任务分离”的写法，在做任何嵌入式控制系统时都值得沿用。
5. 避坑手册：PID 调不拢、小车乱窜、编码器丢步的排查记录
5.1 一上电小车就全速往一端冲过去
现象：程序烧录后，电机立刻全速运转，小车瞬间冲出轨道，根本来不及断电。
原因：最常见的是 PWM 初始化为高电平有效，但电机驱动是低电平有效。STM32 定时器输出比较极性配置成 high 时，初始占空比 0 对应的引脚其实是低电平，对低电平有效的驱动器来说就是全速输出。这属于硬件极性不匹配，纯看代码看不出问题，必须对照电机驱动模块手册检查。
解决：把 TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity 改成 TIM_OCPolarity_Low，同时把 Motor_SetOutput(0) 之后用万用表量一下方向引脚和 PWM 引脚的实际电平，确认输出为零。从那以后我每次初始化电机驱动都会强制先测一遍空闲电平再往下写。
5.2 摆杆能平衡，但小车缓慢漂移直到撞到限位
现象：摆杆立住了，但小车在以很慢的速度朝一个方向移动，几分钟后撞上轨道端部。
原因：位置环没调好。角度环 PD 确实能让摆杆平衡，但它不关心小车在哪里。位置环的 P 项太弱，或者位置环只在角度环之外做叠加但方向反了，都会出现这种“摆杆立住但整体漂移”的现象。另一个可能原因是编码器零点偏差没有被校准，导致摆杆保持一个极小的倾斜角，产生恒定推力。
解决：先校准零点，排除机械偏差。然后单独加大位置环 P 值，观察小车是否会在轨道中央来回振荡，如果振荡就加位置环 D 值。一个快速判断方法是：用手把小车往右推，看摆杆是否向右倾斜（正确响应），如果向左倾斜说明位置环反馈极性反了。
5.3 摆杆在平衡点附近高频抖动，声音滋滋响
现象：摆杆看起来立住了，但高频抖动，电机声音尖锐，电流明显偏大。
原因：微分项被编码器噪声放大。直接对角度差分得到角速度，会让 D 项输出带有大量高频分量，加上 PWM 输出的死区补偿，就形成了持续的高频振荡。这个问题的本质不是 PID 参数不行，而是信号质量不行。
解决：第一步先给编码器输入加 TIM_ICFilter 滤波，第二步对角度速度做一阶低通滤波，滤波系数可以先从 0.5 试起。调完滤波再加 D 项，通常会发现之前不敢加大的 D 值现在可以安全地加大，稳定性反而提升。
5.4 手动扶起摆杆到垂直位置，一松手立刻倒下
现象：摆杆扶正后，松手瞬间没有控制力，电机才反应，但已经倒了。
原因：控制周期太长，或者执行器响应太慢。如果控制中断不是 1 kHz 而是用 SysTick 写成了 10 ms，那么每次松手后的第一个控制周期已经落后太多，摆杆加速度太大，电机追不上。另一个原因是 PWM 频率太低，电机电流纹波大，力矩不足。
解决：检查定时中断的更新中断频率是否确实为 1 kHz，用示波器或者 IO 翻转法测一下周期。PWM 频率设置在 10 kHz 到 20 kHz 为宜，TB6612 在这种频率下响应最好。如果确实是机械力矩不足，只能换电机或减速比，这是硬件层面绕不过去的物理限制。
6. 二次开发思路：从单级摆到自起摆与上位机联调
拿到这份工程，第一步不是改代码，而是先给原来的控制链路加一个“旁路监测”。具体做法是在定时中断的 PID 计算前后各记录一个时间戳，通过串口把两次时间戳的间隔上报，确认中断负载率。正常情况下 1 ms 内部应该有至少 60% 的空闲，如果发现中断执行时间超过 500 us，就要优化代码——把浮点运算换成查表，或者把滤波拆成定点整数运算。这个验证方法能直接判断你的电路板有没有继承到足够的实时余量，再往下改才有底。
接下来值得改的第一个功能是自动起摆。当前工程如果依赖手扶摆杆到垂直位置，那只能算半自动。起摆的核心思路是能量控制：来回摆动摆杆，让摆杆累积能量，同时监测摆杆角度和角速度组成的“能量值”，当这个值大于某个门槛且摆杆位于垂直附近时，立即切换到平衡 PID。能量控制与平衡控制在代码里是两套独立的控制函数，切换条件写在一个状态机里。我个人习惯是把状态机设计成三个状态：SWING、BALANCE、STOP，每个状态有独立的进入条件和中止条件，避免 PID 输出在两个模式间跳变时产生突变。
再往后可以加一个简单的上位机联调通道。用串口把角度、角速度、PID 输出和 PWM 占空比以 CSV 格式上报，上位机端直接画四条波形曲线，观察参数调整前后的响应变化。我一般的调参思路是先把积分离散化输出打印出来，看它是不是长期处于限幅状态——如果积分项一直在限幅边缘，说明系统存在未被补偿的静摩擦或重力偏置，这时候加大 Ki 不是出路，应该回头检查零点校准和死区补偿。从那以后我每次调倒立摆这类自平衡系统，都强制走一遍“测零漂、测死区、看积分输出、最后动 PID”的顺序，能少走一半弯路。希望这篇笔记能帮你在自己的板子上少翻几次车。
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