步進電機加減速算法設計總結附stm32單片機控制小車加減速源程序超詳細

ID:188491 · 發表于 2017-4-11 15:49

最近在研究stm32單片機控制小車加減速，寫了一些東西，教程和源程序都有：

步進電機加減速算法設計總結

需求分析

步進電機已經廣泛地應用于工業自動化行業。目前常用的步進電機驅動器接受兩個光電耦合信號輸入，一個為脈沖，另一個為方向。步進電機驅動器內部不對電機的加減速作任何假設，它根據輸入脈沖的頻率來控制電機的轉速。

在行業應用中，對于執行機構的啟動與停止階段，是有一定要求的。最基本的，要求速度連續，也就是加速度無跳變。因為，加速度與執行機構的出力是成正比的，加速度上的跳變，造就了出力的突變，直接影響就是在機構運行過程中產生沖擊。不但在工作過程中有噪音，更大的危害在于縮短了機構的使用壽命。

因此，有必要針對步進電機開發一套合適的加減速算法，來確保電機的速度曲線連續。

算法原理

本節推到線性速度實現過程中的幾個基本關系式。

2.1 步進電機運行基本公式

步進電機驅動器接受脈沖信號，轉換為步進電機的轉角，一個脈沖轉過的角度稱為步距角。因此，脈沖的總數決定了一次運動過程中電機的轉角，脈沖的頻率決定了步進電機的速度。圖1表示脈沖出現的時刻，時間t0，t1，t2之間的間隔分別是基礎時鐘的整數倍，分別為c0和c1

如果定時器的時鐘基礎頻率為ft，那么有

如果步進電機的步距角為alpha，那么可以求出瞬時速度為

同時，步進電機轉過的角度為

其中，步距角與步進電機每圈對應的脈沖數有關

Spr就是每圈對應的脈沖數，steps per round

要實現線性速度，需要速度隨著時間均勻變化，根據勻加速計算公式有

合并后得到

從該公式中可以得出一個重要結論，那就是當速度一定的時候，步進電機加速度與所需的步數成反比。如果所示

因此，對于給定的總步數以及加速度，減速度，加速的步數與減速的步數是確定的

2.2 線性加減速切換步數

線性加減速的參數包括，最大速度，加速度，減速度，總步數四個。根據參數間的約束關系，分為兩種情況，一種是可以到達最大速度運行，另外一種沒到達。判定的標準是max_s_lim與accel_lim的大小，max_s_lim是達到最大速度所需的步數，accel_lim是根據給定的加速度與減速度，減速開始所需的步數。

兩者的計算方法如下

2.2.1 可以到達最大速度

那么，減速開始的步數為

2.2.2 不能達到最大速度

減速開始的步數為

算法實現

根據算法原理分析，可以得知，線性加減速算法的核心在于定期改變脈沖的間隔。因此，需要在定時器溢出的時候改變下次溢出時間。

為了區分不同的速度輪廓，需要對給定的運動參數做判別，這個步驟可以在主函數中進行。如果實際運行的過程中，不改變參數，那么固定后可以獲得更高的效率。此外，采用定點數來替換浮點運算，加快計算過程。使得該算法可以方便移植到更低端的16位乃至8位單片機上。

3.1 電機運行狀態機

為了跟蹤電機速度輪廓的各個狀態，設計了一個狀態機，分別為停止態，加速態，運行態，減速態。各個狀態的切換關系如圖所示

3.2 主要數據結構

3.2.1 速度輪廓數據SPEED_RAMP_DATA

結構體成員的含義如下

run_state，用來指示電機運行狀態

dir 電機運行方向

step_delay 以定時器周期為基數的延時數

decel_start 減速開始對應的步數

decel_val 減速度

min_delay 運行態對應的延時數

accel_count 加速與減速段對應的步數，是個累計值，在加速段從0開始，在減速段以0結束

3.2.2 電機運行標志GLOBAL_FLAGS

running，表示電機是否在運動，一個軸的運動完成以前不允許第二次運動

cmd，表示是否接到了一個運動命令，該變量保留作為上下位機交互調試使用

3.2.3 宏定義

有一些與電機參數有關的宏定義

T1_FREQ 定時器運行頻率

SPR 步進電機每轉對應的脈沖數

ALPHA 步距角

此外，為了簡化計算，以及支持定點運算，定義了一些中間常量，如

A_T_x100

T1_FREQ_148

A_SQ

A_x20000

3.2.4 運動參數MOVE_PARAMS

包含有

int16_t steps;

uint16_t accel;

uint16_t decel;

uint16_t omega;

1. 梯形加減速算法

這個算法最大的優勢在于，不借用任何表格，在每個中斷中計算下一個中斷發生的時刻，因此節約了大量的內存，給資源緊缺的單機，特別是8bit單片機帶來了福音。不過，這個算法在代碼上有幾個缺陷。

1，采用的是PWM輸出引腳。對于步進電機來說，不需要采用PWM，而且一般單片機的PWM腳是硬件綁定的，不靈活。

2，在周期計算函數中，不應該每個中斷都更新定時器的預設值，這樣就無法得到50%的占空比。

3，代碼在波形配置寄存器上少寫了一句關鍵的代碼。

4. 算法采用了定點算術，導致數據都偏大，其中某個預定義的宏，編譯器提示溢出。

5，如果要進一步增大加速度和速度，不進行特殊處理，會造成32位的數據溢出。

6，對于整形運算中的%，使用了編譯器相關的特性，因此會有移植性問題。

諸如此類，不一而足，在向32bit的單片機移植過程中，本工作室對問題都做了修復，確保算法的正確性和適應性。

2. 任意形狀的S形加減速

如果從加速度輪廓上看，梯形加減速的加速度是矩形的，而且在速度切換點，加速度從正一下子變為負，會有明顯的響聲，因此，有必要開發更為平滑的算法。那就是S形加減速。針對S形加減速，具體做法有很多，比較簡單的做法是采用sigmoid函數，一切有S形狀的函數都可以拿來做基礎S函數，比如log函數的變形，sin函數。不過，這些函數在S曲線的計算公式上雖然簡單了，但是由于可調參數太少，導致了無法根據現實情況隨意更改S曲線形式，缺少靈活性。為此，本工作室在理論推導的基礎上推出任意形狀的S形曲線算法。具體來說，首先規劃運動的加速度，然后積分得到速度輪廓，進而轉換為步進電機的頻率輪廓。

3. 擬合電機矩頻特性加減速

該算法充分利用所選的步進電機特性曲線來選擇加減速輪廓，具有最大化電機能力的優點，而且算法占用的空間少，對于特定的步進電機具有帶載能力最大化的優點，在小負載測試中發現，使用梯形加減速算法可以在3s內完成無丟步的運動，換為該算法，可以實現2.2s無丟步加減速。

stm32源程序：

/*----------------------------------------------------------------------------*/
//版權信息：無極電子工作室
//文件名： s_curve.c
//當前版本： 1.0
//單片機型號： MB9BF322L
//開發環境： IAR EWARM7.4
//晶振頻率： 4M
//作者： paul
//功能： s曲線計算文件
//修訂記錄:
//2015-09-28----創建
/*----------------------------------------------------------------------------*/
#include "s_curve.h"
//s曲線加速度各段參數定義
//起始速度
const float f0 = 0;
//加加速度與減減速度，
float faa = 0;
float frr = 0;
//加速段三個時間
const float taa = 0.1;
const float tua = 0.2;
const float tra = 0.1;
//勻速段
const float tuu = 5.0;
//減速段
const float tar = 0.1;
const float tur = 0.2;
const float trr = 0.1;
unsigned int s_curve_table[TABLE_LEN]={0};
static int S_curve_func(
S_curve_params_struct *s_params,
float t,
float *freq,
float *acc
);
void S_curve_gen(void)
{
unsigned int i,tint;
float ti;
float freq,freq_pre;
float acc,acc_pre;
float fi;
S_curve_params_struct s_params;
s_params.f0 = f0;
s_params.taa = taa;
s_params.tua = tua;
s_params.tra = tra;
s_params.tuu = tuu;
s_params.tar = tar;
s_params.tur = tur;
s_params.trr = trr;
s_params.faa = 2.0/(s_params.taa*(s_params.taa+s_params.tra+2*s_params.tua));
s_params.frr = 2.0/(s_params.trr*(s_params.tar+s_params.trr+2*s_params.tur));
for(i = 0;i < TABLE_LEN;i++)
{
fi = i*(taa+tua+tra+tuu+tar+tur+trr)/TABLE_LEN;
S_curve_func(&s_params,fi,&freq,&acc);
ti = TMAX - (TMAX - TMIN)*freq;
tint = (unsigned int)ti;
s_curve_table[i] = tint;
}
}
static int S_curve_func(
S_curve_params_struct *s_params,
float t,
float *freq,
float *acc
)
{
float A,B,C,D,E,F;
float f1,f2,f3,f4,f5;
float Ta,Tu,Tr;
float fra,far;
float f0,faa,frr;
float taa,tua,tra,tuu,tar,tur,trr;
faa = s_params->faa;
frr = s_params->frr;
taa = s_params->taa;
tua = s_params->tua;
tra = s_params->tra;
tuu = s_params->tuu;
tar = s_params->tar;
tur = s_params->tur;
trr = s_params->trr;
f0 = s_params->f0;
fra = faa*taa/tra;
far = frr*trr/tar;
Ta = taa + tua + tra;
Tu = tuu;
Tr = tar + tur + trr;
A = f0;
B = f0 - 0.5*faa*taa*taa;
C = f0 + 0.5*faa*taa*taa + faa*taa*tua + 0.5*fra*(taa+tua)*(taa+tua) - fra*Ta*(taa+tua);
f1 = f0 + 0.5*faa*taa*taa;
f2 = f0 + 0.5*faa*taa*taa + faa*taa*tua;
f3 = 0.5*fra*Ta*Ta + C;
D = f3 - 0.5*far*(Ta+Tu)*(Ta+Tu);
f4 = -far*0.5*(Ta+Tu+tar)*(Ta+Tu+tar) + far*(Ta+Tu)*(Ta+Tu+tar) + D;
E = f4 + far*tar*(Ta+Tu+tar);
f5 = -far*tar*(Ta+Tu+Tr-trr) + E;
F = f5 + frr*(Ta+Tu+Tr)*(Ta+Tu+Tr-trr) - 0.5*frr*(Ta+Tu+Tr-trr)*(Ta+Tu+Tr-trr);
if((t>=0) && (t<=Ta+Tu+Tr))
{
if((t>=0) && (t<=taa))
{
*freq = 0.5*faa*t*t + A;
*acc = faa*t;
}
else if((t>=taa) && (t<=taa+tua))
{
*freq = faa*taa*t + B;
*acc = faa*taa;
}
else if((t>=taa+tua) && (t<=taa+tua+tra))
…………限于本文篇幅余下代碼請從51黑下載附件…………

復制代碼

資料下載：

s型加減速.rar (1.97 MB, 下載次數: 859)

ID:187303 · 發表于 2017-4-17 16:36

很難得的好資料下載了

ID:88957 · 發表于 2017-4-19 00:20

感謝分享！

ID:217138 · 發表于 2017-7-11 10:29

請問樓主，程序里面的參數怎么來的啊？有算法解析嗎？

ID:156430 · 發表于 2017-7-31 12:34

非常好,下來學習一下

ID:46999 · 發表于 2017-7-31 23:02

非常好的資料。感謝樓主分享

ID:228179 · 發表于 2017-8-17 21:09

這個不就是抄的AN446的嘛

ID:227940 · 發表于 2017-8-20 16:44

謝謝謝好資料，51黑有你更精彩!!!

ID:1619 · 發表于 2017-11-24 09:21

感謝分享，但黑幣不夠。汗。

ID:240600 · 發表于 2017-11-28 11:01

AVR446的算法，贊！

ID:243748 · 發表于 2017-11-29 18:36

下載學習了

ID:228600 · 發表于 2017-12-25 22:08

很難得的好資料，只能看

ID:268324 · 發表于 2017-12-28 14:03

謝謝分享

ID:268324 · 發表于 2017-12-28 14:23

非常謝謝

ID:268324 · 發表于 2017-12-28 14:23

謝謝！謝謝！謝謝！

ID:270446 · 發表于 2018-1-2 21:40

樓主，怎么樣才能聯系到你，我的扣扣179687307求聯系

ID:247982 · 發表于 2018-1-4 15:10

niu
正好在研究算法很復雜

ID:282536 · 發表于 2018-2-6 15:07

謝謝分享

ID:294146 · 發表于 2018-3-19 17:27

謝謝分享

ID:256895 · 發表于 2018-3-20 07:56

謝謝分享

ID:263867 · 發表于 2018-4-10 17:47

多謝樓主好東東

ID:263867 · 發表于 2018-4-10 17:48

多謝樓主的資料，值得參考

ID:89086 · 發表于 2018-4-17 16:14

很棒的資料，正有需要

ID:31045 · 發表于 2018-4-19 08:37

謝謝分享

ID:313602 · 發表于 2018-4-22 12:02

不是很明白，頂一下

ID:87577 · 發表于 2018-4-23 11:35

先下載學習一下，謝謝樓主分享

ID:313537 · 發表于 2018-4-23 14:41

謝謝分享

ID:223773 · 發表于 2018-4-23 14:59

正好在使用步進電機梯形算法，換向時沖擊力較大，希望此算法能解決這個問題

ID:314181 · 發表于 2018-4-24 09:56

謝謝分享，要慢慢看啊，希望能搞懂

ID:316419 · 發表于 2018-4-25 17:20

很棒的資料，正有需要

ID:316419 · 發表于 2018-4-25 17:21

很棒的資料，正有需要

ID:316419 · 發表于 2018-4-25 17:49

正是我所需要的，多謝分享

ID:298588 · 發表于 2018-4-25 20:36

感謝分享，51黑電子有你更精彩

ID:129023 · 發表于 2018-4-25 20:50

好資料,點個贊!

ID:82014 · 發表于 2018-4-26 12:33

好東西啊，正需要

ID:317012 · 發表于 2018-4-26 14:40

學習中，多謝樓主

ID:82014 · 發表于 2018-4-26 19:37

樓主做得很詳細，很到位。正需要呢

ID:320466 · 發表于 2018-5-2 14:45

分析得很到位，最近正缺這一理論知識引導~

ID:321312 · 發表于 2018-5-3 15:49

多謝樓主分享，正在學習這塊。。。

ID:245836 · 發表于 2018-5-7 10:30

多謝樓主分享，正在學習這塊。。。

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