步进电机S型曲线加减速的实现

GReq_mcu168 2022-07-01 5064

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之前做电机相关的项目比较少，最近有个项目涉及到步进电机的精确控制，参考了一些资料研究了一下S型曲线加减速，这里总结一下分享给大家。

硬件是：STM32+驱动器+步进电机。
STM32定时器输出PWM，控制驱动器来驱动步进电机。单片机只要控制电机方向，以及PWM的频率即可，具体驱动由驱动器实现。首先说一下什么是S型曲线加速，为什么要S型曲线加速。
S型曲线加速是指步进电机的启动速度按照S型曲线逐渐增加，以达到设定的最大速度。具体的S型曲线方程如下：

x取值-5~5的曲线图如下：驱动器

可以看到，刚开始加速和达到最大速度时加速比较缓慢，中间加速比较快。电机的转矩和转速的乘积的k倍等于功率，也就是说，功率一定的时候，转速与转矩成反比关系。所以，转速越低，转矩越大。当电机直接高速启动时，电机可能存在震动、丢步甚至启动不起来的情况。因此需要S型曲线加速，使电机能够缓慢启动。程序实现控制电机的速度，其实就是控制PWM的输出频率。首先需要对S曲线方程进行一些变化，如下：Fcurrent = Fmin + (Fmax-Fmin)/(1+exp( -Flexible(i - num )/num) )

Fcurrent为计算出的当前频率。
Fmin为加速的起始频率。
Fmax为加速的最大频率。
-Flexible*(i - num)/num是对S型曲线进行拉伸变化，其中Flexible代表S曲线区间（越大代表压缩的最厉害，中间加速度越大；越小越接近匀加速。理想的S曲线的取值为4-6）。
i是在循环计算过程中的索引，从0开始。
num为 加速脉冲数/2 大小。

上面计算出的是频率的S曲线，还需要将频率转换成定时器的计数周期，程序如下：

//功能：S加速曲线初始化//参数1 *pbuff          计算出的定时器的周期//参数2 fre_max        最大频率 Hz//参数3 fre_min        最小频率 Hz//参数4 len            加速需要的脉冲数void CurveS_init(uint16_t *pbuff,uint32_t fre_max,uint32_t fre_min,int16_t len){      int16_t i;      uint16_t flexible =4;      float delt = fre_max-fre_min;      float deno ;      float melo ;      float fre;
       for(i=0; i       {              melo = flexible* (i-len/2) / (len/2);              deno = 1.0f / (1 + expf(-melo));  //              fre = delt * deno + fre_min;              *pbuff++ = (unsigned short)(TIM2_CLOCK_FREQ / fre);       }
}

TIM2_CLOCK_FREQ为定时器的计数频率。之后要做的就是在加减速过程中，每输出一个PWM脉冲，重新装载一次定时器周期。具体怎样输出指定个数PWM来控制步进电机，可参考之前的文章《STM32定时器产生指定个数脉冲》。在PWM中断中，将计算好的S曲线数组，重新装载到定时器的ARR和CCR寄存器中即可。程序如下：

//PWM回调函数void HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim){    Motor.PWMcount++;    SpeedAdjust();//速度调节}
//速度调节函数void SpeedAdjust(void){  switch(Motor.Status)  {    /*加速*/                case SPEED_INCREASE:      if(Motor.Count < Motor.CountMax)      {        __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim2,Period[Motor.Count]);//计算下一个PWM的周期        htim2.Instance->CCR1 = Period[Motor.Count]/2;//占空比50%        Motor.Count++;//加速次数      }      else      {        Motor.Status = SPEED_STABLE;        Motor.Count--;      }      break;    /*匀速*/      case SPEED_STABLE:      if(Motor.PWMcount >= (Motor.PWMneed - Motor.Count))      {            Motor.Status = SPEED_DECREASE;        }      break;    /*减速*/      case SPEED_DECREASE:      if(Motor.Count >= 0)      {        __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim2,Period[Motor.Count]);//计算下一个PWM的周期        htim2.Instance->CCR1 = Period[Motor.Count]/2;        Motor.Count--;        }      if(Motor.PWMcount >= Motor.PWMneed)      {        HAL_TIM_PWM_Stop_IT(&htim2,TIM_CHANNEL_1);      }            break;    default :      break;  }

其中Motor是自己定义的一个结构体：

typedef struct{  uint8_t Status;   //状态  int32_t Count;     //加减速过程脉冲计数  int32_t CountMax;  //最大加速脉冲数  uint32_t PWMcount;//PWM计数  uint32_t PWMneed; //需要输出的PWM总数}Motor_t;

启动时，初始化参数，启动定时器输出PWM即可：

//PWM--需要输出的脉冲个数void StartPWM(uint32_t PWM){             Motor.PWMcount = 0;       Motor.PWMneed = PWM;       Motor.Count = 0;       Motor.Status = SPEED_INCREASE;       Motor.CountMax = 300;       //初始化加速曲线，最小频率100，最大频率10K,加速脉冲数300       CurveS_init(Period,10000,100,Motor.CountMax);       __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim2,Period[0]);       htim2.Instance->CCR1 = Period[0];       HAL_TIM_PWM_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_1);  //启动定时器PWM输出}

来看一下效果，可以看到，PWM的频率是逐渐增大的。实际测试效果也不错。

审核编辑：李倩

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