STM32自由摆平板闭环控制：角度采样与PID调参实践

简介：《自由摆的控制系统》是一份面向电子设计竞赛、嵌入式控制课程设计及自动控制学习者的完整方案文档，围绕摆杆摆动过程中保持末端平板稳定这一问题展开，可作为动态角度检测与电机随动控制的参考范例。文档共1个docx文件，压缩包约36KB，篇幅精炼但内容完整，便于直接查阅与二次整理。内容以STM32F103VET6为主控，涵盖TFT液晶显示、WDD35D4导电塑料角位移传感器实时测角、A/D采样反馈、四宏细分驱动器驱动步进电机等关键环节，并给出摆架框架、检测系统、控制驱动系统三部分结构。文中还对控制器、角度检测、电机与电源模块进行方案比较，说明选型依据，并涉及硬币相对静止、激光笔打靶等基本要求与发挥部分，适合读者借鉴硬件搭建、控制思路和方案论证写法。目前已有308人学习下载。

1. 自由摆不是“摆着玩”：这套平板控制系统到底解决什么问题

摆杆一松手，末端平板跟着来回摆，板上硬币不能滚、激光笔还得稳稳打到靶心——自由摆的控制系统就是为这个场景做的。它用 STM32F103VET6 当控制核心，WDD35D4 导电塑料角位移传感器实时测摆杆和平板角度，TFT 液晶做状态显示，步进电机经四宏细分驱动器带动平板转角。适合正在做嵌入式课程设计、控制类学科竞赛，或者想拿一套完整“传感器采样—角度解算—电机执行—闭环调参”链路练手的人。硬件不算贵，但机械安装、模拟采样和步进丢步这几个环节，每个都能让人调一晚上。

2. 方案与硬件架构：STM32F103VET6 为核心的三大模块怎么搭

这套系统的骨架拆开看很朴素：一个摆架负责让平板自由摆动，一组传感器负责把角度变成电压，一块 STM32 负责算，驱动器加步进电机负责把平板拉回目标角度。真正花时间的是选型和电气连接，因为自由摆是一个动态系统，传感器测的是实时角度，电机执行又有延迟，任何一环选错，后面调 PID 都是白费劲。

2.1 控制器和电源：为什么不用 51，12V 电池怎么分压

控制器选型上，51 单片机不是不能跑，而是跑不动这套东西。自由摆控制需要同时做两路 ADC 采样、中值滤波、角度换算、PID 运算、步进脉冲状态机和 TFT 刷新，51 的指令周期和片内 RAM 很快就见底，稍微把控制周期压到 5ms 就会顾此失彼。STM32F103VET6 是 Cortex-M3 内核，72MHz 主频，512KB Flash、64KB RAM，片内 ADC 多通道，用库函数开发也省事，这也是项目正文最终选它的原因。这里有个容易混的点：项目正文写的是“8 通道 10 位 ADC”，实际 STM32F103 的 ADC 是 12 位，初始化时按 12 位右对齐配，满量程用 4095；如果手里的例程是 10 位版本，换算系数要改成 1023，两套代码混用，角度会直接差 4 倍。

电源部分原文给的是 12V 电池经 L7805 和 LM2576 转换后给系统供电。L7805 是线性稳压，输出 5V，纹波小但压差大时发热明显；LM2576 是开关降压，效率高，适合把 12V 先降到一个中间电压。常见接法是：12V 电池直接进步进驱动器的主电源，同时经 LM2576 降到 6.5V～7V，再进 L7805 稳到 5V，5V 给 TFT、传感器和电机驱动器逻辑，3.3V 由板载 LDO 给 STM32 和 ADC 参考。模拟部分最好单独一路 LC 滤波，不要和电机驱动逻辑共用一根细地线，否则 ADC 读数会跟着脉冲频率跳。

引脚分配我一般先落一个头文件，后面 ADC、定时器、TFT 都按这个表来，改板子只改这里。下面这段只放关键引脚，完整工程里还会把按键、串口和限位开关加进去。

/* board_pinmap.h —— 自由摆平板控制板引脚分配 */ #ifndef BOARD_PINMAP_H #define BOARD_PINMAP_H #include "stm32f1xx_hal.h" /* WDD35D4 两路模拟输出：一路测摆杆，一路测平板 */ #define SENSOR_PLATE_PORT GPIOA #define SENSOR_PLATE_PIN GPIO_PIN_0 /* ADC1_IN0，平板倾角 */ #define SENSOR_ARM_PORT GPIOA #define SENSOR_ARM_PIN GPIO_PIN_1 /* ADC1_IN1，摆杆角度 */ /* 步进驱动器：PUL 走定时器通道，DIR/ENA 普通 GPIO */ #define STEP_PUL_PORT GPIOA #define STEP_PUL_PIN GPIO_PIN_2 /* TIM2_CH3 复用推挽 */ #define STEP_DIR_PORT GPIOB #define STEP_DIR_PIN GPIO_PIN_0 #define STEP_ENA_PORT GPIOB #define STEP_ENA_PIN GPIO_PIN_1 /* TFT 液晶：SPI1 + 手动片选，刷新时不影响控制节拍 */ #define TFT_CS_PORT GPIOA #define TFT_CS_PIN GPIO_PIN_4 #define TFT_DC_PORT GPIOA #define TFT_DC_PIN GPIO_PIN_5 #define TFT_RST_PORT GPIOA #define TFT_RST_PIN GPIO_PIN_6 #endif

这段头文件的作用是把“哪个脚接什么”固定下来。ADC 通道和 GPIO 复用关系必须和 CubeMX 里的配置一致，比如 PA0 做 ADC1_IN0 时不能再配成普通输出；PUL 脚要设成复用推挽，否则定时器波形出不来。实际改板时最容易翻车的是 DIR 和 ENA 接反，上电后平板会往一个方向顶死，后面避坑章会细说。

2.2 角度传感器和电机：WDD35D4 与步进电机的组合逻辑

测角方案原文对比了三种：普通电位器、ADXL345 加速度传感器、WDD35D4 导电塑料角位移传感器。普通电位器便宜，但线性度差，来回磨损后阻值跳变，用在自由摆这种需要连续动态测量的场合，角度噪声会直接灌进 PID。ADXL345 是加速度原理，静态测倾角很好用，但自由摆摆动时传感器同时感受到重力和摆动加速度，解算出来的角度在动态段会偏，越摆得快越不准。WDD35D4 是电阻分压式角位移传感器，转轴带动电刷在导电塑料膜上滑动，输出与角度成比例的电压，属于绝对位置传感器，断电再上电不会丢零位，精度也够用。它的代价是电刷有机械磨损，安装时要注意同轴度，不能让转轴受侧向力。

电机选的是步进电机，而不是伺服。伺服闭环性能好、高速制动强，但价格高，配套驱动器也贵；步进电机开环控制，给脉冲就走，16 细分后每步 1.8°/16=0.1125°，对于平板转角补偿已经够细。四宏细分驱动器的作用是把单片机发出的脉冲放大成电机绕组电流，同时做细分，减弱低频振动。这里要算清楚脉冲当量：如果电机轴和平板轴直接连接、减速比 1:1，那么平板转 1° 需要 1/0.1125≈8.89 个脉冲；如果中间加了一级 2:1 减速，脉冲数还要乘 2。这个数后面 PID 输出换算和限位保护都要用，不能凭感觉写。

提示：步进电机的保持力矩和驱动器电流拨码要匹配。电流设小了带不动平板，设大了电机发热、低速啸叫，常见做法是先按电机额定电流的 70% 设，再用手轻推平板测试保持力。

2.3 机械与电气连接：摆架、传感器、驱动器怎么装

机械上分三块：摆架框架负责支撑，摆杆末端装电机，平板固定在电机轴上；传感器同轴安装在平板转轴或摆杆转轴处，测的是实际转角，不是电机走了多少步。这个“同轴”很关键，传感器如果通过齿轮间接测，齿轮间隙会让读数滞后，PID 会越调越振。摆杆轴承要顺畅，不能有卡滞，否则自由摆周期会变，控制模型对不上。平板本身尽量轻，硬币放在板面中心附近，激光笔固定在平板边缘，尽量让激光笔轴线和平板法线平行。

电气连接上，WDD35D4 一般三根线：供电、地、滑动端输出。STM32 的 ADC 输入不能超过 3.3V，而传感器常见 5V 供电、输出 0～5V，所以中间必须分压。常见做法是用 10kΩ 和 20kΩ 电阻分压，5V 输出降到 3.33V 左右，再进 ADC；分压比在代码里要乘回去。步进驱动器一侧，PUL 接脉冲，DIR 接方向，ENA 接使能，另外还有共阳/共阴接法，按驱动器手册来。单片机和驱动器必须共地，否则脉冲电平没有参考，电机走位会随机。

3. 角度采集链路：WDD35D4 从模拟电压到角度值的完整实现

自由摆控制里，角度是唯一的反馈量，采样链路不稳，后面 PID 就是在噪声上做微分，电机一定会抖。这一章按“接线—采样—滤波—标定—异常检测”的顺序拆，代码可以直接往工程里搬，但参数要按自己传感器和机械结构改。

3.1 接线、ADC 配置与采样节拍

WDD35D4 的输出是模拟电压，STM32 用 ADC1 的规则通道扫描两路：平板角度和摆杆角度。采样节拍不要随手用HAL_Delay轮询，那样控制周期会被 TFT 刷新和串口打印拖乱。常见做法是用定时器 TRGO 触发 ADC，1kHz 采样，DMA 把结果搬到缓冲区，控制任务只读最新值。ADC 采样时间设长一点，比如 71.5 个周期，因为传感器输出阻抗加上分压电阻后不算低，采样时间太短，采样保持电容充不满，读数会偏低。

/* 两路 ADC + DMA + 定时器触发，1kHz 采样 */ static void sensor_adc_init(void) { ADC_ChannelConfTypeDef ch = {0}; hadc1.Instance = ADC1; hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_ENABLE; /* 扫描两路 */ hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE; /* 由定时器触发 */ hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE; hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_EXTERNALTRIGCONV_T2_TRGO; hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT; /* 右对齐，12 位 */ hadc1.Init.NbrOfConversion = 2; HAL_ADC_Init(&hadc1); ch.Channel = ADC_CHANNEL_0; /* 平板角度 */ ch.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1; ch.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_71CYCLES_5; HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &ch); ch.Channel = ADC_CHANNEL_1; /* 摆杆角度 */ ch.Rank = ADC_REGULAR_RANK_2; HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &ch); HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1); /* 上电先校准 */ HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t *)adc_dma_buf, 2); }

这段初始化的关键参数是ExternalTrigConv和SamplingTime。TRGO 来自 TIM2，周期设 1ms，ADC 每 1ms 自动采一轮，DMA 把两个通道的结果写到adc_dma_buf[0]和[1]。NbrOfConversion=2表示一次触发扫两个通道，顺序按 Rank 来，别把平板和摆杆接反。如果沿用 10 位配置，DataAlign不变，但换算满量程要改成 1023，HAL_ADCEx_Calibration_Start仍然要调，校准能明显减小零漂。

3.2 中值滤波加一阶低通：把机械抖动压下去

自由摆摆动时，摆杆和轴承的机械振动会叠加到传感器上，ADC 原始值画出来是一条毛刺很重的曲线。直接用这个值做 PID，微分项会把毛刺放大成电机抖动。我一般先用 9 点滑动中值滤波去掉偶发尖峰，再串一个一阶低通压高频。中值滤波窗口不要太大，9 个点已经有 4 个采样周期的滞后，再大控制会发钝；低通系数取 0.2～0.3，太小响应慢，太大滤波等于没做。

#define FILTER_WIN 9 static uint16_t win[2][FILTER_WIN]; static uint8_t win_idx; /* 9 点中值滤波：窗口小，插入排序足够快 */ static uint16_t median9(const uint16_t *src) { uint16_t t[FILTER_WIN]; for (int i = 0; i < FILTER_WIN; i++) t[i] = src[i]; for (int i = 1; i < FILTER_WIN; i++) { uint16_t key = t[i]; int j = i - 1; while (j >= 0 && t[j] > key) { t[j + 1] = t[j]; j--; } t[j + 1] = key; } return t[FILTER_WIN / 2]; } /* 一阶低通：alpha 越大越跟手，越小越平滑 */ static float lowpass(float x, float y, float alpha) { return alpha * x + (1.0f - alpha) * y; }

median9每次对 9 个历史值排序取中间那个，计算量很小，放在 1kHz 采样中断里也不会拖垮 CPU。lowpass的y是上一次输出，x是本次中值结果，alpha=0.25时截止频率大概在几十赫兹，正好压住机械振动又不影响自由摆的低频运动。两个通道各用一套窗口和状态，不要共用一个win_idx，否则平板和摆杆的数据会串。

3.3 零点、量程与非线性修正：角度标定怎么做

传感器装上去以后，输出电压和角度不是天然对应的。常见做法是两点标定：把平板放在水平位置，记下电压v0；再把平板转到 90° 位置，记下v90。中间按线性换算，公式是angle = (v - v0) * 90 / (v90 - v0) + offset。offset是安装零偏，如果传感器转轴和平板法线没对准，水平时读数不是 0，就用这个参数补。WDD35D4 的导电塑料膜两端有无效区，标定范围不要贴着 0° 和 360° 端点，尽量在 -45°～+45° 或 0°～90° 的工作段内取两点，线性度更好。

typedef struct { float v0; /* 0° 对应的 ADC 电压，单位 V */ float v90; /* 90° 对应的 ADC 电压，单位 V */ float offset; /* 安装零偏，单位 度 */ float div; /* 分压比，5V 经 10k/20k 分压为 1.5 */ } AngleCalib; static float adc_to_voltage(uint16_t raw, float div) { /* 12 位 ADC，参考 3.3V；10 位版本把 4095 改成 1023 */ return raw * 3.3f / 4095.0f * div; } static float voltage_to_angle(float v, const AngleCalib *c) { float k = 90.0f / (c->v90 - c->v0); return (v - c->v0) * k + c->offset; }

div是分压比，5V 经 10k 和 20k 分压后进 ADC，实际电压是 ADC 读数的 1.5 倍，所以要在换算时乘回去。v0和v90不要用理论值，必须现场拿万用表或串口打印实际 ADC 值记录。标定完把两组数写进 Flash 或头文件，下次上电直接加载。平板和摆杆两路要分别标定，因为两个传感器的安装角度和分压电阻误差不一样，共用一组参数会引入几度的固定偏差。

3.4 采样异常检测：断线、超量程和参考电压跌落

模拟链路最常见的故障是传感器断线、分压电阻虚焊、ADC 输入过压。代码里要加一层保护：连续多次读到 0 或满量程，就判定传感器异常，电机停止输出，TFT 上显示故障码。另外，如果 3.3V 参考被电机启停拉低，所有角度会同时往下掉，这种不是传感器坏，而是电源问题，要靠硬件加电容和软件限幅一起处理。我一般会在控制任务里做软限幅，角度超过机械行程 ±5° 就强制回中，避免 PID 积分饱和后平板顶到限位。

4. 执行机构与控制闭环：细分驱动器加步进电机怎么把平板拉回目标角

执行链路分两层：底层是定时器产生脉冲、驱动器放大电流、步进电机走步；上层是 PID 根据角度误差算出“这一拍该走多少脉冲”。自由摆是动态系统，平板的目标角不一定是固定 0°，基础要求是保持水平，发挥部分要让硬币相对静止，目标角得跟着摆杆状态变。这一章把脉冲当量、脉冲生成、PID 和主循环串起来。

4.1 驱动器拨码与细分：16 细分下的脉冲当量

四宏细分驱动器的细分由拨码开关设定，常见有 1、2、4、8、16、32 几档。项目里用 16 细分，步进电机步距角 1.8°，那么每个脉冲对应 1.8/16=0.1125°。平板直接装在电机轴上，减速比 1:1，转 1° 需要约 8.89 个脉冲；如果平板和电机之间加了同步带，减速比 2:1，就要 17.78 个脉冲。驱动器电流拨码按电机额定电流设，42 步进电机常见 1.5A～2A，设太大电机会烫，设太小带载丢步。

拨码设置完最好用记号笔在驱动器上写一下，调试时换过拨码又忘了，脉冲当量对不上，PID 输出会整体差一倍。电机线序也要确认，四线步进电机两组线圈接错，电机会原地抖动不走，这时候先别怀疑程序，拿万用表量线圈通断。

4.2 定时器脉冲与加减速：别让电机启动就丢步

步进电机的脉冲不能一上来就给很高频率，启动频率超过电机的牵入频率就会丢步，表现为“程序算走了 100 步，平板只动了 80 步”。常见做法是用定时器中断翻转 PUL 脚，周期由period_us控制，上层根据剩余脉冲数和当前速度做梯形加减速：加速段周期从 5ms 逐步减到 0.2ms，匀速段保持，减速段再拉长。下面这个状态机放在 1ms 定时器里跑，非阻塞，不占死循环。

typedef struct { int32_t remain; /* 剩余脉冲数，正负表示方向 */ uint32_t period_us; /* 当前脉冲周期，越小越快 */ uint32_t last_tick; uint8_t level; /* PUL 电平，上升沿驱动器采一次 */ } Stepper; static void stepper_task(Stepper *s, uint32_t now_us) { if (s->remain == 0) { HAL_GPIO_WritePin(STEP_PUL_PORT, STEP_PUL_PIN, GPIO_PIN_RESET); return; } /* 方向脚在脉冲前建立，避免第一个脉冲方向错 */ HAL_GPIO_WritePin(STEP_DIR_PORT, STEP_DIR_PIN, s->remain > 0 ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET); if (now_us - s->last_tick >= s->period_us) { s->last_tick = now_us; s->level = !s->level; HAL_GPIO_WritePin(STEP_PUL_PORT, STEP_PUL_PIN, s->level ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET); if (!s->level) { /* 下降沿计一个完整脉冲 */ s->remain += (s->remain > 0) ? -1 : 1; } } }

period_us是半周期，实际脉冲频率是1/(2*period_us)。比如period_us=500对应 1kHz，电机转速大概 1kHz/16/200=0.3125 转/秒。remain带符号，正数正转，负数反转，走到 0 自动停，不会一直发脉冲。加速时上层每 10ms 把period_us减一点，减速时反过来加，别在stepper_task里做浮点运算，1ms 中断里越简单越稳。

4.3 控制算法：位置式 PID、死区和目标角切换

基础要求是平板保持水平，目标角target=0°；发挥部分要让硬币在摆动中相对静止，目标角不能固定为 0°，得根据摆杆角度和角速度给一个补偿角。硬币随平板摆动时需要水平方向的加速度，平板倾斜可以让重力沿板面的分量参与提供这个加速度，同时改变支持力。实际调试时先用水平模式把 PID 调稳，再切到硬币模式，目标角用target = k1*arm_deg + k2*arm_rate试出来，k1、k2靠实验凑，别指望一次算准。

typedef struct { float kp, ki, kd; float target; /* 目标角，水平模式为 0 */ float integral; float last_err; float out_limit; /* 输出限幅，单位：脉冲/控制周期 */ float deadband; /* 死区，度 */ } PID; static float pid_calc(PID *p, float measure, float dt) { float err = p->target - measure; /* 小误差进死区，避免电机来回抖 */ if (fabsf(err) < p->deadband) { p->integral *= 0.95f; /* 缓慢泄放积分，防止退出死区时突跳 */ return 0.0f; } float deriv = (err - p->last_err) / dt; p->integral += err * dt; p->last_err = err; float out = p->kp * err + p->ki * p->integral + p->kd * deriv; /* 输出限幅 + 抗积分饱和 */ if (out > p->out_limit) { out = p->out_limit; p->integral -= err * dt; } else if (out < -p->out_limit) { out = -p->out_limit; p->integral -= err * dt; } return out; }

dt是控制周期，主循环里固定 0.005s，不要用HAL_GetTick的毫秒值直接除，时间戳抖动会让微分项爆掉。out_limit按最大脉冲频率折算，比如每 5ms 最多走 20 个脉冲，就设 20。deadband一般取 0.2°～0.5°，太小电机在目标附近来回走，太大硬币会滚。PID 输出是“本周期应该走的脉冲数”，正负号直接给stepper_move，不用再单独算方向。

4.4 主循环与 TFT 显示：5ms 控制节拍怎么排

主循环不能把 TFT 刷新、串口打印和 PID 混在一起跑，SPI 刷屏一次可能几毫秒，控制周期立刻被拉长。常见做法是定时器给 5ms 节拍，控制任务只做采样读取、PID、电机更新；TFT 每 50ms 刷一次，串口波形每 20ms 发一帧。这样控制节拍稳定，屏幕看起来也不闪。

void control_task(void) { uint32_t now = HAL_GetTick(); if (now - last_control < 5) return; /* 5ms 控制周期 */ last_control = now; float plate_deg = get_plate_angle(); /* 已滤波、已标定 */ float arm_deg = get_arm_angle(); /* 水平模式 target=0；硬币模式在这里改 pid_plate.target */ float pulses = pid_calc(&pid_plate, plate_deg, 0.005f); /* 脉冲数换算成速度，绝对值给频率，符号给方向 */ stepper_set_speed(&stepper, fabsf(pulses) * 180.0f); stepper_move(&stepper, (int32_t)pulses); static uint8_t disp_cnt; if (++disp_cnt >= 10) { /* 50ms 刷一次屏 */ disp_cnt = 0; tft_show_status(plate_deg, arm_deg, pulses); } }

stepper_set_speed里的 180 是经验系数，把“每周期脉冲数”映射成脉冲频率，实际要根据电机和机械负载调。stepper_move把脉冲数累加到remain，底层状态机自己走完。TFT 显示建议至少放四个量：平板角度、摆杆角度、PID 输出、当前模式，调参时一眼能看出是传感器跳还是电机没跟上。按键调kp/ki/kd比反复烧录快得多，哪怕只做三个按键加一个确认键，调试效率也完全不一样。

5. 避坑与排查：自由摆平板控制最容易翻车的 5 个点

这套系统硬件不复杂，但机电耦合强，很多问题看起来像程序 bug，实际是接线、电源或机械安装。下面五条是按我调试时踩坑频率排的，每条按“现象—原因—解决”写，照着排查能少走不少弯路。

5.1 上电后平板往一个方向猛转，限位也挡不住

现象：程序下载完，一上电电机就朝一个方向连续转，角度读数变化但 PID 像没起作用，平板顶到机械限位后电机堵转啸叫。

原因：最常见是 DIR 方向脚和驱动器实际逻辑反了，PID 输出正方向，电机却往负方向走，误差越大输出越大，形成正反馈。其次是 ENA 使能脚电平配错，驱动器一直使能，单片机复位期间 GPIO 处于浮空，驱动器把干扰当成脉冲。还有一种是单片机地和驱动器地没共，脉冲电平没有参考，走位随机。

解决：先拔掉 PUL 线，只给 DIR 和 ENA，手动改方向脚电平，确认平板正反转和代码符号一致；再把 ENA 默认拉高（按驱动器手册确认使能电平），复位期间电机保持释放；最后用万用表量单片机和驱动器地之间的电压，必须接近 0V。机械限位只能当最后一道保护，不能靠它停机。

5.2 角度读数静止时也跳，动起来跳得更厉害

现象：平板不动，TFT 上角度在小数点后一位来回跳；摆杆一摆，角度曲线毛刺更大，PID 输出跟着抖，电机发出细碎响声。

原因：WDD35D4 如果是 5V 供电，输出直接进 STM32 ADC 会超过 3.3V，内部钳位二极管导通，读数被削顶；分压电阻虚焊或阻值不匹配，也会让读数漂。另一个常见原因是传感器供电和电机驱动逻辑共用 5V，电机启停时电源跌落，ADC 参考跟着动。采样时间设得太短，采样保持电容充不满，也会让读数偏低且不稳。

解决：先量传感器输出到 ADC 引脚的电压，确认不超过 3.3V，超过就老老实实加分压，10k+20k 是最省事的组合；传感器供电单独走 LC 滤波，地和 ADC 地单点连接；ADC 采样时间加到 71.5 周期以上；软件上加中值加低通，但别用低通掩盖硬件问题。分压比记得在代码里乘回去，否则角度整体偏小。

5.3 硬币在摆动中还是滚，平板看起来“水平”但就是不稳

现象：静态调水平很准，一摆起来硬币就往一侧滚，加快摆动直接掉板；激光笔在靶面上画圈，打不中中心。

原因：基础模式目标角固定 0°，但摆动时平板有水平加速度，硬币需要摩擦力提供加速度，靠水平板面硬扛，摩擦不够就滚。控制周期太长也会导致补偿滞后，5ms 和 20ms 完全是两个效果。机械上平板和电机轴连接有间隙，PID 算完了电机也走了，平板实际角度还差一点，传感器读数滞后。

解决：先确认控制周期真的是 5ms，用示波器翻 PUL 脚看脉冲间隔，别只看代码；发挥部分切到目标角补偿模式，用摆杆角度和角速度算target，从很小的系数开始试；机械间隙用顶丝或涨紧套消除，传感器尽量和负载同轴安装；硬币测试前先把平板静态调平，再用手缓慢摆摆杆，观察角度曲线和电机响应是否同相。

5.4 步进电机丢步、啸叫，走 100 步实际只转了 80 步

现象：空载转得很顺，装上平板就丢步；低速时电机啸叫，高速时直接堵转；PID 输出一直加，角度就是回不来。

原因：驱动器电流拨码设小了，带不动负载；细分设太高，脉冲频率上去了但电机响应跟不上；加速曲线太陡，启动频率超过牵入频率；电源功率不够，12V 在电机启停时跌到 9V 以下，驱动器欠压保护。

解决：按电机额定电流的 70% 起步调电流，摸电机外壳温度，烫手就降一档；细分从 8 或 16 开始，别一上来就 32；加减速用梯形曲线，启动频率先设 200Hz，稳定后再往上提；12V 电源并 470μF 以上电解电容，条件允许换功率更大的电池或电源。丢步是开环步进的固有风险，关键位置加一个光电限位做回零校准，比反复调 PID 管用。

5.5 激光笔打靶总是偏，换了角度也不对

现象：平板水平时激光点偏靶心几厘米，摆动后轨迹是椭圆，调 PID 只能让椭圆变小，中心始终偏。

原因：激光笔安装轴線和平板法线不平行，平板转角度时激光点画圆而不是走直线；传感器零位和机械水平没对齐，软件显示 0° 时平板实际是 1°～2°；靶面距离变了但补偿系数没改，角度和光点位移比例对不上。

解决：先把平板用水平仪调平，再调激光笔支架，让光点在近处和远处靶面上重合，说明射线和平板法线平行；软件零位用按键或串口命令现场清零，不要用理论电压；靶距变化后重新标定angle->光点位移的比例。激光笔供电单独走线，和电机线分开，避免 PWM 干扰造成光点闪烁。

6. 二次开发：把这套控制板改成你自己的实验平台

这套自由摆平板控制的代码结构不复杂，很适合当二次开发底座。想换传感器，可以把 WDD35D4 换成增量式编码器，接定时器编码器模式，角度闭环从模拟采样变成计数，抗干扰更好；也可以加一片六轴 IMU，做互补滤波，把摆杆角速度也纳入前馈。想研究控制算法，把位置式 PID 换成“前馈 + PD”，前馈项用摆杆角加速度估算，能明显减小摆动过程中的相位滞后。

验证不要一上来就放硬币。先做阶跃响应：平板目标角从 0° 跳到 5°，用串口把角度和 PID 输出打成 CSV，看超调、调节时间和稳态误差；再做正弦跟随：手动让摆杆按固定周期摆，记录平板角度和摆杆角度，看两条曲线的相位差和幅值比。硬币测试放在最后，而且先从慢摆开始，逐步加快，每次只改一个参数。串口输出我一般用下面这种最笨的格式，上位机直接按逗号拆，不需要额外协议。

/* 20ms 发一帧，波特率 115200，上位机按 CSV 画图 */ void telemetry_task(void) { static uint32_t last; if (HAL_GetTick() - last < 20) return; last = HAL_GetTick(); printf("%.2f,%.2f,%.2f,%.2f\r\n", get_plate_angle(), /* 平板角度 */ get_arm_angle(), /* 摆杆角度 */ pid_plate.target, /* 当前目标角 */ pid_plate.integral); /* 积分项，看是否饱和 */ }

printf重定向到串口时注意别放在 5ms 控制任务里，放 20ms 任务或者主循环低优先级位置，否则串口阻塞会把控制节拍拉长。integral打出来很有用，积分一直往上顶说明输出限幅了或者机械卡住，这时候调 Kp 没用，得先查执行机构。从那以后我每次改完控制参数，都强制先跑一遍阶跃加正弦，再放

本文还有配套的精品资源，点击获取