代码及PCB、玻纤板开源链接：acc98liu/-Balance_car: 本项目为两轮平衡车系统，采用直流编码电机与MPU6050姿态传感器，姿态解算基于DMP库实现，平衡控制采用PID算法。目前系统仅实现了核心的平衡功能。https://github.com/acc98liu/-Balance_car/tree/main

立创开源广场： 平衡车主控板（已验证 - 立创开源硬件平台

        鼠鼠苦于网上相关教程杂乱，学习起来倍感痛苦，遂发表此文，也算是对这个项目学习到的知识点做一个总结。（注：本工程版权归acc98liu所有

       可以直接跳到stm32f103c8t6那一节看具体接线

一、硬件介绍

1.直流编码电机

直流电机

        直流编码电机与其他直流电机一样，给正向电流就正传，给负向电流就反转。在额定电流范围内，电流越大，转速越快。（这里的电流和旋转方向都是相对的，直流电机没有严格规定方向）唯一区别就是在电机上集成了一个编码器

        本工程用的是某宝上这款直流减速电机（JGB37-520霍尔编码器直流减速电机  四驱平衡智能小车6V12V小马达），减速比为30：1，也就是电机转子转30圈，轮子转1圈。

        这款电机配端子（后面这6根数据线接口）的型号是PH2.0 6pin，可以换成自己想要的型号（配图是我选用的端子线，用的是同向的）

        

        可以看到这个接口从上到下为M1，GND，C2，C1，VCC，M2。M1、M2为直流电机的接口，需要通入大电流（4.5V-15V），连接TB6612电机驱动模块（下一节会介绍该模块和接线）；VCC、GND是编码器接口，注意切记只能通入2.7-5.5V电压，不然会导致编码器烧毁。C1、C2为编码器输出接口

正交信号（AB相）与方向判断

霍尔编码器通过两个空间位置错开（约1/4磁极间距）的霍尔传感器，生成相位差90°的A、B两路脉冲。
旋转方向由两路信号的相位顺序决定：

• 正转：A相上升沿时，B相为高电平

• 反转：A相上升沿时，B相为低电平

速度计算

1. 脉冲计数：
   在固定时间Δt（如10ms）内，通过MCU计数器捕获A相或B相的脉冲数（记为N）。

2. 参数已知：

   • PPR（每转脉冲数）：电机转一圈产生的脉冲数（PPR = 磁极对数 × 2）。（记得后续要除以电机减速比）

3. 转速公式：
   转速（RPM） = 60×NPPR×ΔtPPR×Δt60×N​
   （Δt单位为秒，结果单位为转/分钟）。

2.TB6612电机驱动模块

        该项目所用的电机驱动模块就是这款市面上最常见的TB6612电机驱动模块，内部集成两个H桥，可以同时驱动两个直流电机。

接线说明

VM：电机电流供电口，一般接12V电池

VCC：TB6612芯片供电引脚，输入3.3V或5V

AO1、AO2：接直流电机A的正负极

BO1、BO2：接直流电机B的正负极

PWMA、PWMB：分别接单片机PWM信号输出的两个引脚

AIN1、AIN2：接单片机GPIO，AIN1高电平AIN2低电平，电机正转；AIN1低电平AIN2高电平，电机反转。如果都为低电平，电机失能（无工作电流）；都为高电平，电机制动

BIN1、BIN2：同理接GPIO
STBY：STBY高电平，TB6612芯片使能（工作）；低电平，芯片失能（不工作）。一般我们直接输入高电平就可以

原理讲解

        我们知道电机的转向和输入电流方向有关，那我们设计这样一个电路：

                这就是H桥电路，我们可以通过这四个开关进行如下组合，以实现对电流的正反向电流改变：

        如图一，我们闭合开关1、3，其余断开，电流正向流入电机，电机正转；同理，图二我们闭合开关2、4，其余断开，电流反向进入电机，电机反转。当然，实际上的开关会替换成大功率mos管（这里就不再展开）

        好的，解决了电机转向的问题，我们来解决转速问题。接受过义务教育的我们知道，对于直流电机，电流越大，内部转子受力越大，转速越快。那么，显而易见的是我们要改变直流电机的转速，就要改变电流大小。那能不能用电阻限流的方法来控制电流呢？该方法实质上是用电阻（三极管）消耗掉多余的功率，这会导致器件发热严重甚至烧毁。其实，我们可以引入等效电流的概念，如图：

        我们将流经电机的电流状态按时间分为HIGH和LOW，HIGH表示高电平，LOW表示低电平。目前电机输出设为100

        接着我们将该图像分为如图所示的几个周期，然后再改变每个周期中高电平开启的时间：

        这样，电机就有一半的时间工作，剩下的时间停止。也就是说电机输出的功率为原来的一半。我们知道，物体运动是有惯性的，如果把周期缩短，那么直流电机的输出就会变得平滑。同样的，如果我们将电流为高电平的时间设置为原来的1/4，那么电机的输出就是25。这就是PWM（脉冲宽度调制）的原理，高电平开启的时间在一个周期所占的比例就是其占空比。这样，我们就可以输出任意想要的速度。

3.stm32f103c8t6硬件资源

这款单片机内置三个标准定时器（TIM2、TIM3、TIM4），一个高级定时器（TIM1），对于本项目完全够用。本项目用TIM2输出2路PWM信号，TIM3、TIM4分别作为两个电机的编码器测速接口，剩下的TIM1则用作测量内部程序运行周期（后续PID会用到）。对于串口通信，PB10（CL）、PB11（DA）这两个I2C引脚用作与MPU6050通信；PB8（CL）、PB9（DA）这两个I2C引脚用作与0.96寸OLED通信；最后预留PA9（TX）、PA10（RX）与无线信号通信。下附详细原理图：

        接线部分可以参考这份原理图，或者直接用我提供的Gerber制版也是可以的

这部分不细讲原理，感兴趣的可以去看b站up江协科技（毕竟要是展开的话就没完没了了）

4.mpu6050姿态传感器

        该传感器只能从寄存器中读取到原始的加速度和角加速度，拿到数据后我们要将其解算成欧拉角（pitch、roll、yaw，其中pitch是该项目所需要的）。除此之外，因为芯片内部是通过测算电压的改变量来实现加速度测量的，所以其测量值会因为电源纹波和高频信号等干扰产生抖动，这会对后续PID算法产生影响。不过好在我们可以通过对数据进行滤波（如低通滤波），通过软件资源弥补硬件缺陷。关于姿态解算的部分我用的是官方的dmp库，可以直接在我提供的工程文件中下载，文件路径为.\code\Hardware\Mpu6050（这里感谢B站up 中Left10）

5.PCB讲解（附带Gerber制版文件）

        没学过或者不屑于看这部分的可以直接跳过，直接将Gerber文件提交到厂家（比如jlc，网上有免费打板教程，这里不再赘述）。

如果你要自己设计PCB，注意如下几点：

1：I2C通信线尽量远离PWM高频信号和大电流，使用等长布线，并且SCL和SDA不要靠太近

2：MPU6050模块的地引脚尽量不要直接连地铺铜，单独拉一根连到DC接口（地隔离防止信号干扰）

3：编码器信号线远离I2C信号线，使用等长布线

4：（可选项）在电机驱动模块的STBY引脚出加一个限流电阻

5：DCDC_BOOST电源电路与其他信号电路隔离

6：供电引脚加粗，在地铺铜之前检查发散线宽（设置宽一点）

7：排针引出的PA9、PA10为串口通信引脚，后续可连接无线通讯模块

6.低通滤波&PID公式讲解

        公式我这里只简单概况一下，感兴趣的可以自行研究

低通滤波

        我们这里介绍一阶低通滤波器（指数加权移动平均）：

• x[n]：当前输入信号（采样值）

• y[n]：当前输出信号（滤波结果）

• y[n−1]：上一时刻输出

• α：滤波系数（0<α<10<α<1）

一阶低通滤波器，其中α 为滤波系数，是我们重点调参对象，决定响应速度与平滑度，α越大，输出越平滑，但是相应的反应相应的也会变慢。这就相当于用历史值稀释测量值，让测量得到的值不会轻易改变

PID

        PID（比例-积分-微分）控制器，通过该算法我们可以实现电机的闭环控制。

        

• u(t) 是控制器的输出，即控制量。

• e(t) 是误差值，即期望值与实际值之间的差值。

• Kp​ 是比例系数，它决定了误差值的大小对控制量的影响。

• Ki​ 是积分系数，它决定了误差值的累积对控制量的影响。

• Kd​ 是微分系数，它决定了误差值的变化率对控制量的影响。

        看着好像有一点复杂，我们可以把这个公式拆开分析：

比例项Kp

这一项是整个公式中最好理解的一项：误差*系数。也就是说误差越小，输出就会减小。系数越大，对误差的反应越灵敏

微分项Kd

这一项的作用是限制Kp的输出，防止输出的突然改变，让输出更加平滑。我们知道，平衡车具有惯性，如果只有比例项，那么平衡车很可能会在平衡位置摆动。这一项是对误差求微分，也就是：（前一次误差-当前误差）/dt，dt是程序一次循环所用时间。系数越大，输出越丝滑，相应的对误差的反应越迟钝

积分项Kp

（误差*dt）再累加，目的是消除稳态误差。怎么判断是否有稳态误差？我们只需要在输出为零的情况下对系统在平衡位置进行受力分析，如果和外来不为零，就存在稳态误差。系数越大，对误差的反应越迟钝（需要更多的时间进行反向积分）。但是，这一项有助于提高系统鲁棒性，所以代码中我还是保留了这一项（提高抗干扰能力）

7.代码说明

拿到代码后如果要调参直接修改main.c中的宏定义就可以

代码中让小于±1°的误差归零；将PID分为大角度和小角度两套参数，大角度优先回正（Kp偏大），小角度优先平衡（Kd为主）；对时间和微分项的误差进行低通滤波。（重点应该就这些，剩下的看看源码注释应该也能懂，篇幅原因不再展开）