步进电机S型曲线加减速的实现

电子说

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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: 步进电机 x取值-5~5的曲线图如下: 步进电机 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voidCurveS_init(uint16_t*pbuff,uint32_tfre_max,uint32_tfre_min,int16_tlen){int16_ti;uint16_tflexible =4;floatdelt = fre_max-fre_min;floatdeno ;floatmelo ;floatfre;for(i=0; i
          {melo = flexible* (i-len/2) / (len/2);deno =1.0f/ (1+ expf(-melo));//fre = delt * deno + fre_min;*pbuff++ = (unsignedshort)(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voidHAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim){Motor.PWMcount++;SpeedAdjust();//速度调节}//速度调节函数voidSpeedAdjust(void){switch(Motor.Status){/*加速*/caseSPEED_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*/caseSPEED_STABLE:if(Motor.PWMcount >= (Motor.PWMneed - Motor.Count)){Motor.Status = SPEED_DECREASE;}break;/*减速*/caseSPEED_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:


typedefstruct{uint8_tStatus;//状态int32_tCount;//加减速过程脉冲计数int32_tCountMax;//最大加速脉冲数uint32_tPWMcount;//PWM计数uint32_tPWMneed;//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voidStartPWM(uint32_tPWM){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300CurveS_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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