在 PY32 上实现单向直流电机的级联 P-PI 定位控制

单向直流电机只支持正向驱动，发生过冲后无法通过反转校正。控制器通过霍尔脉冲计算位置；提高运行速度会同步增加断开 PWM 后的滑行距离，因此控制目标需要同时覆盖定位误差、停车距离与堵转恢复。

本文记录一套在 PY32 上实现的级联 P-PI 控制：位置 P 环生成目标速度，速度 PI 环调节 PWM，减速约束根据剩余距离限制速度，堵转检测提供受限的 PWM 增量补偿。

位置环与速度环的级联控制

直接用位置误差调节 PWM，难以同时处理机械惯性和负载变化。控制结构在位置与 PWM 之间引入目标速度，将定位和调速分成两个职责明确的环节。

“级联”表示前一级控制器为后一级提供目标。各环节的职责如下：

位置环可以简化为：

目标速度 = 位置误差 × 位置系数

位置误差越大，目标速度越高；巡航上限用于限制最高速度。速度环可以写成：

PWM = 前馈输出 + 当前速度偏差修正 + 持续偏差修正

前馈提供目标速度对应的基础输出，P 环节负责即时纠偏，I 环节负责补偿长期偏差。该结构减少了积分从零开始建立输出的时间，也让位置控制和速度控制保持清晰边界。

电机断开驱动后仍会继续滑行。控制器需要根据剩余距离限制目标速度，避免减速开始过晚。该约束来自经典的匀减速运动关系：

末速度² = 初速度² - 2 × 减速度 × 行驶距离

将目标位置的末速度设为零，并把行驶距离换成剩余距离，可得到：

初速度 = √(2 × 减速度 × 剩余距离)

控制器把这个初速度作为当前位置允许的最高速度，再加入安全系数，让减速提前开始：

允许速度 = √(2 × 减速度 × 剩余距离 ÷ 安全系数)

该关系可以直接理解为：

这段推导假设电机的减速度大致稳定。实际减速度会受供电、负载和机械摩擦影响，因此减速度需要通过实测取得，安全系数用于覆盖测量延迟和工况变化。进入减速阶段后，控制器还会加快 PI 积分泄放，避免历史补偿延迟 PWM 下降。

控制器周期性检查位置脉冲。当 PWM 已经输出、电机速度接近零、位置没有变化时，控制器逐步增加 PWM 补偿，尝试克服起动阻力或短时卡滞。

该机制用于有限度地恢复运动。完整的堵转保护还需要超时停机、故障记录以及温度或电流保护。

现有样机测试记录显示，提高 PWM 上限后，运行速度约为原来的 2.5 倍；多组远近目标测试中的最大过冲为 2 个位置脉冲。这些数据说明当前样机在已测范围内保持了较小过冲，不代表所有负载和工况都能得到相同结果。

代码审查还发现两处需要修正：

停车速度公式需要计算平方根。当前快速近似只迭代两次，输入较大时结果会偏高数倍，可能导致减速开始过晚。应改用 sqrtf 或经过误差验证的平方根算法，再重新测试。
程序经过零点做速度校准时，只读取一个时刻的速度。单次读数可能受霍尔脉冲时机影响，建议在稳定运行区间取多次平均值。

控制参数需要通过真实电机反复验证。常规流程包括修改代码、重新编译、烧录、运行、采集数据和分析结果。为减少重复人工操作，我将 AI 接入可操作的硬件环境，向它提供电源控制、烧录器、串口和断点调试能力。

一轮自动测试包含以下步骤：

修改程序 → 编译并烧录 → 上电运行 → 串口触发测试并读取日志 → 必要时断点调试 → 对比结果并进入下一轮

每轮测试后，AI 根据速度、停止位置、过冲量和堵转表现确定下一次修改。修改内容包括控制参数和影响结果的程序逻辑。经过多轮迭代，最终得到当前使用的参数组合。

该闭环得到的是当前硬件和测试范围内的结果。电源、负载或机械结构发生变化后，仍需重新验证。