実験 3：PID による単一 DC モーターの速度制御

実験の目的：

PID の基本原理を理解し、モーター速度の PID 閉ループ制御を実現します。
STM32 の GPIO ペリフェラルピンの設定方法を習得します。
STM32CubeMX をもとに新規プロジェクトを作成し、MDK_ARM プロジェクトファイルを生成できるようになります。
Keil IDE でユーザーコードを追加し、プロジェクトのテストを行えるようになります。

PID の基本原理：

PID コントローラは、産業用制御システムで広く使われているフィードバック制御器です。その名前は、比例（P）、積分（I）、微分（D）という 3 つの基本的な制御動作に由来します。以下に PID 制御の基本原理を示します。

PID コントローラの構成

比例制御（P）：現在の偏差（目標値と実際の値の差）に応じて制御します。比例制御には偏差を小さくする働きがありますが、定常偏差が残る場合があります。

計算式：

積分制御（I）：過去の偏差の累積に基づいて制御します。積分制御には定常偏差をなくす働きがありますが、システムの応答が遅くなる場合があります。

計算式：

微分制御（D）：偏差の変化率に応じて制御します。微分制御は今後の偏差の変化を予測し、システムの応答速度を高める働きがあります。

計算式：

PID コントローラの出力

PID コントローラの総出力は、これら 3 つの部分の和です。

PID 制御は「シャワーの温度調節」のようなもの

シャワーの温度を調節している場面を想像してみてください。

目標値：快適だと感じる湯温、たとえば 40°C。
実際の値：現在、配管から出ているお湯の実際の温度。
出力値：お湯と水のバルブを回す操作。

では、PID の 3 つの要素がどのように協調して働くかを見てみましょう。

1. 比例（P）：「現在」の偏差に反応する

場面：お湯を出した直後で、水はとても冷たい（たとえば 20°C しかない）。
反応：現在の温度が目標から大きく離れているので、お湯のバルブを素早く大きく開けます。
特徴：偏差が大きいほど、修正動作も大きくなります。
欠点：湯温が 40°C に近づいても、慣性によってお湯はまだ大量に流れ続けます。その結果、湯温が行き過ぎて 45°C になってしまうことがあります（これをオーバーシュートといいます）。そこで慌ててバルブを閉めると、湯温が 40°C 付近で上下に振動したり、目標からずれた温度で落ち着いてしまったり（定常偏差）します。

2. 積分（I）：「過去」から累積した偏差を修正する

場面：湯温は安定したように見えますが、常に 38°C で、目標より 2°C 低いままです（これが定常偏差です）。この 2°C の誤差がずっと残っています。
反応：お湯のバルブを少しずつ、継続的に開けていきます。誤差が解消されない限り、この「少し開ける」操作が積み重なり、誤差がゼロになるまで続きます。
特徴：システムの定常偏差をなくします。「時間とともに累積した誤差」に着目します。
欠点：効きが強すぎる（Ki が大きすぎる）と、システムの反応が鈍くなったり、新たな振動を引き起こしたりすることがあります。

3. 微分（D）：「未来」の偏差の傾向を予測する

場面：湯温が急上昇しており、たとえば 35°C から 38°C まで短時間で上がりました。
反応：この勢いでは湯温が確実に 40°C を超えると予測します。そこで先回りしてお湯のバルブを少し閉め始め、「ブレーキ」をかけてオーバーシュートを抑えます。
特徴：オーバーシュートを抑え、システムの安定性を高めます。「偏差の変化率」（微分）に着目します。
欠点：信号のノイズに非常に敏感です。

このたとえをまとめると：

P：「今どれだけ冷たいか」に応じて操作する。
I：「どれだけ長く冷たいままか」に応じて操作する。
D：「この先どれだけ熱くなりそうか」に応じて操作する。

機能要件：

1 台のエンコーダ付きモーターを指定した速度で動作させます。

ハードウェアの準備：

STM32 メインボード V1.3 * 1、ST-Link ダウンロードケーブル * 1、3S 電池ボックス * 1、リチウム電池 * 3、エンコーダ付きモーター 30*1、エンコーダモーター用ケーブル 2.54*1

回路接続：

ハードウェアモジュール

ヒント：ハードウェアおよびソフトウェア環境の設定

UNI-STM32 開発ボード【V1.3】の紹介

UNI-STM32 開発環境の設定【V2.0】

電池・電源モジュール使用上の注意（必読）

電子モジュールの紹介

ピンの説明

ハードウェア	STM32 ピン
エンコーダ付き DC モーター	M1

実物の配線

ソフトウェア設計：

プロジェクトのダウンロード

ソースコードのリンク：（HumansX サポートより提供）

リンクをクリックしてダウンロードし、解凍して開いて内容を確認してください。

プログラムコード

コアコード：main.c

/* USER CODE BEGIN Header */
/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.c
  * @brief          : Main program body
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * Copyright (c) 2025 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.
  *
  * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
  * in the root directory of this software component.
  * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
  *
  ******************************************************************************
  */
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "tim.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "motor.h"
#include "DWT_time.h"
/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */

/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */

/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN PV */
uint32_t data = 0;
/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */

/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{

  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_TIM1_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_TIM6_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  Motor_Init();                 //motor1 init
  dwt_init();                   //DWT_start
  enable(&m1);                  //m1 enable
  float motor_speed = -3.14159f; //set motor vel (unit: rad/s)
  HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim6);//Base TIM6 start

  set_vel(&m1, motor_speed);    //set m1 motor target_vel.(unit: rad/s)
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** Configure the main internal regulator output voltage
  */
  __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
  __HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1);

  /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
  * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 4;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 84;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 4;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

/* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
  if(htim->Instance == TIM6){
    update(&m1);
  }
}
/* USER CODE END 4 */

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
  __disable_irq();
  while (1)
  {
  }
  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

操作手順：

全体の流れ：

(1) STM32CubeMX でピンの割り当てとペリフェラルの初期化設定を行い、設定コードを生成します。

(2) Keil5 で MDK_ARM プロジェクトファイルを開き、コードの編集・コンパイル・デバッグを行います。

基本パラメータ：

本ドキュメントの（ハードウェアモジュール）に従って開発環境を設定した後の基本パラメータは、次のとおりです。

ソフトウェアバージョン：STM32CubeMX V6.14.0

ハードウェアプラットフォーム：STM32F407IGT6

コンパイル環境：MDK_ARM V5.3.2

デバッグツール：ST-LINK/V2

1. 新規プロジェクトの作成と MCU の設定

1.1 MCU の選択

STM32CubeMX を起動し、File > New Project をクリックします。

2. MCU の絞り込み条件を設定して STM32F407IGT6 を選択し、バージョン列をクリックしてから、Start Project をクリックしてプロジェクトの設定を開始します。

プロジェクトの設定画面は次のとおりです。

1.2 クロック設定とコア設定

Pinout & Configuration の System Core で RCC (reset and clock control) をクリックします。

HSE のクロックソースを Crystal/Ceramic Resonator（水晶振動子またはセラミック発振子）に設定します。

設定が完了すると、対応するピン（OSC_IN と OSC_OUT）が自動的に設定されます（下図の緑色の部分を参照）。

機能：

外部高速水晶発振器（HSE）を接続し、システムに高精度なクロックソースを供給します。

**RCC_OSC_IN**：水晶入力ピン。

**RCC_OSC_OUT**：水晶出力ピン（帰還信号）。

デフォルト機能：

**PH0**：**OSC_IN**（外部水晶入力）。

**PH1**：**OSC_OUT**（外部水晶出力）。

デバッグインターフェースのピンを設定します。System Core で SYS をクリックし、Debug のモードを Serial Wire に設定します。

設定が完了すると、対応するピン（pinout）が緑色になります。

緑色の部分をクリックすると、詳細な内容を確認できます。

1.3 クロックツリーの設定

クロックパラメータを順に設定します：1. 入力周波数の値を 8 に変更、2. HSE を選択、3. PLLCLK を選択、4. HCLK パラメータを 84 に変更。その他のパラメータはデフォルトのままで構いません。

ヒント：設定時にはエラーが自動的に検出されます。周波数の設定が誤っている場合は、エラーが赤色で強調表示されます。

2. MCU の初期化パラメータの設定

2.1 USART シリアルポートの設定

PA9 と PA10 を USART1_TX と USART1_RX に設定します。GPIO をクリックし、ピンの設定をクリックします（この時点では USART1 が未設定のため、ピンに黄色の警告が表示されます）。

Connectivity の USART1 をクリックし、モードを Asynchronous に設定します（USART1 を設定すると関連するピンが緑色で表示され、ピン設定が正常であることを示します）。

2.2 プロジェクト管理の設定

デフォルトの画面は次のとおりです。

プロジェクト名を入力します（名前は任意です）。

プロジェクトの保存先を選択します（C ドライブには保存しないでください）。

コンパイル環境として MDK_ARM を選択します。

4 バージョン番号 V5.3.2 を選択します。

5 ファームウェアパッケージ名とバージョン。

（ヒント：デフォルトでは Use latest available version にチェックが入っていますが、ローカル PC に最新バージョンがない場合はエラーになります。その場合はパッケージを各自ダウンロードし、ローカルにインストールしてください。インストール方法は以下のリンクを参照してください。）

UNI-STM32 開発環境の設定【V2.0】（リンク先の「6. よくある設定の Q&A」の Q3 に解決方法があります）

上記の設定が完了すると、下図のようになります。

2.Project Manager > Code Generator ウィンドウを次のように設定します。

3.Project Manager > Advanced Settings ウィンドウで HAL ライブラリを選択します。

プロジェクトを保存します：File — Save Project をクリックします。

3. GPIO の設定 — M1 モーターのパラメータ

M1 DC モーターのピンパラメータ表：

ピン	パラメータ	User Label
PE13	TIM1_CH3
PE14	TIM1_CH4
PD10	GPIO_Input	M1B
PG2	GPIO_EXTI2	M1A

GPIO をクリックし、PE13、PE14 ピンを探します。

ピン配置図で PE13 を左クリックし、PE13 の機能として TIM1_CH3 を選択します。同様に左クリックで PE14 の機能として TIM1_CH4 を選択します。詳細は下図を参照してください。（注：ピンの割り当てが完了するとピンはオレンジ色になります。これはピンの割り当てのみが完了し、対応するペリフェラルがまだ有効化されていないことを示します。）

左側の Timers パネルをクリックし、TIM1 を選択してパラメータを設定します。

Channel3（チャネル 3）：PWM Generation CH3
Channel4（チャネル 4）：PWM Generation CH4

この時点でピンが緑色に変わり、設定が正常に完了したことを示します。

GPIO をクリックし、ページ下部で PD10 を検索すると、ピンビュー上の PD10 が点滅します。

PD10 を左クリックし、GPIO_Input を選択します。

User Label を設定します：設定一覧で PD10 の行をダブルクリックし、右側の GPIO mode のドロップダウンで Input mode を選択して、User Label に M1B と入力します。

GPIO をクリックし、ページ下部で PG2 を検索すると、ピンビュー上の PG2 が点滅します。

PG2 を左クリックし、GPIO_EXTI2 を選択します。

User Label を設定します：設定一覧で PG2 の行をダブルクリックし、右側の GPIO mode のドロップダウンで External Interrupt Mode with Rising/Falling edge trigger detection を選択して、User Label に M1A と入力します。

モーター割り込みの設定

タイマーの役割の比較：

モーター用タイマー（TIMxx）：モーターの PWM 出力

TIM6：制御アルゴリズムの実行周期用タイマー

(1) TIM6 をクリックし、Activated を選択します。下の NVIC Settings をクリックし、Enabled にチェックを入れます。

(2) NVIC Settings をクリックし、モーターの外部割り込みの Enabled にチェックを入れます。

プロジェクトファイルを再度保存します。

ヒント：必ずプロジェクトファイルを再度保存してください（主にパラメータを保存するためです）。File — Save Project をクリックします。

4. コードの生成

1. GENERATE CODE をクリックしてコードを生成します。

コードが自動生成されます。

コードの生成に成功しました。

5. ユーザーコードの追加

上記で生成したフレームワークをもとに、Keil エディタでユーザーコードを追加し、コンパイルとデバッグを行います。

ヒント 1：たとえば main.c の /* USER CODE BEGIN xx */ と /* USER CODE END xx */ の間にユーザーコードを追加します。

ヒント 2：.c ファイルは自由に作成できます。

ヒント 3：ユーザーコードは自分で記述できます。（コード解説）に掲載している例を参考に学習することもできます。

6. コードのダウンロードとテスト

(1) プロジェクトをダウンロードします。ここではデモを用意しています（本ドキュメントの「ソフトウェア設計」のプロジェクトから直接ダウンロードできます）。

書き込み方法は、参考リンク（UNI-STM32 開発環境の設定の「5. プログラムのダウンロード」）を参照してください。

(2) メインボードのスイッチをオンにし、動作を確認します。

実験結果

モーターは指定した目標速度で動作します。車輪を手で押さえると速度が落ちますが、その後 PID 制御によって目標速度まで回復し、その速度で動作し続けます。

コード解説

1. ユーザーコードの解説

下図は、プロジェクトファイルに追加したユーザーコードです。

2. ユーザーコードの取り込み方法

1 つ目は、ユーザー定義ファイル（.c や .h など）を自分のプロジェクトフォルダに取り込み、Keil5 IDE で .c ファイルを追加してコンパイルする方法です。

既存のユーザーファイルの取り込み：Keil で既存のユーザーファイルを取り込む方法を参照してください。

2 つ目は、main.c ファイルにユーザーコードを追加する方法です。

(1) まず参考プロジェクトのコードを開きます。main.c ファイルは主に STM32CubeMX によって自動生成されたものです。このフレームワークをもとに実装したい機能を追記・改良しているので、/* USER xx で始まり、終わるコード部分を重点的に確認してください。以下の赤色の部分が追加したユーザーコードです。

(2) 上記の赤色のコードを自分のプロジェクトファイルの main.c にコピーし、コンパイルとダウンロードを行って動作を確認します。

お問い合わせ

資料のダウンロード・技術サポートについては、HumansX株式会社までお問い合わせください。