上位机控制步进电机以及步进电机的DMA-PWM加速曲线控制（R...

he129807

项目中用到步进电机，控制两个机械单元。要求动作速度快。我们知道给步进电机突然设置比较大的运行频率，可能会发生失步。而失步属于比较严重的事故，意味着程序再也不知道步进电机的准确位置。所以为了获得比较快的转动速度，又不会失步，可以用S曲线对步进电机启停进行加减速。这里我暂时用梯形加速，运行过程分为加速阶段、匀速阶段、减速阶段。S曲线同理，不过得根据电机性能和负载计算一个合适的加速曲线。
    用到的STM32F411 Nucleo开发板的外设：定时器、DMA。

查看用户手册定时器4的通道1在PB6引脚上

查看数据手册可知定时器4通道1使用 DMA1流0通道2，与我们之前使用的ModBus发送数据的DMA通道无冲突

查看STM32F411 Nucleo开发板开发板原理图，可以看到PB6引脚可用。

接下来我们初始化定时器4通道1作为PWM输出口。定时器预分频设置为100，由于我们使用的100MHz主频，定时器频率为1MHz。初始化代码如下。初始化完关闭定时器。

1. /************************************************************************************
   
2. º¯ÊýÃû³Æ£º
   
3. ÊäÈë²ÎÊý£º
   
4. Êä³ö²ÎÊý£º
   
5. ¹¦ÄÜÃèÊö£º
   
6. ************************************************************************************/
   
7. void TIM4_CH1_PWM_Config(void)
   
8. {
   
9.         GPIO_InitTypeDef    GPIO_InitStructure;
   
10.         TIM_TimeBaseInitTypeDef    TIM_TimeBaseStructure;
    
11.         TIM_OCInitTypeDef    TIM_OCInitStructure;
    
12.         
    
13.   RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);
    
14.         RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB,ENABLE);
    
15.         RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA1, ENABLE);////
    
16. //------------------------------------------------------------------------------------        
    
17.         GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource6,GPIO_AF_TIM4);
    
18.         
    
19.         GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    
20.         GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
    
21.         GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
    
22.         GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    
23.         GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
    
24.         GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
    
25. //------------------------------------------------------------------------------------        
    
26.         TIM_DeInit(TIM4);
    
27.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 100-1;
    
28.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    
29.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 50;
    
30.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    
31.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter = 0x0000;
    
32.         TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);
    
33.         
    
34.         TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);
    
35.         
    
36.         TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;////
    
37.   TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    
38. //  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable;
    
39.   TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 20;
    
40. //  TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;
    
41. //  TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_High;
    
42. //  TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Set;
    
43. //  TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCIdleState_Reset;
    
44.   TIM_OC1Init(TIM4, &TIM_OCInitStructure);
    
45. //------------------------------------------------------------------------------------        
    
46. //  TIM_OC1PreloadConfig(TIM4,TIM_OCPreload_Enable);
    
47. //  TIM_ARRPreloadConfig(TIM4,ENABLE);
    
48.         
    
49. //        TIM_DMAConfig(TIM4,TIM_DMABase_ARR,TIM_DMABurstLength_3Transfers);
    
50.         TIM_DMACmd(TIM4,TIM_DMA_CC1,DISABLE);
    
51.         TIM4 -> CCER &= ~(1<<0); //¹Ø±ÕTME4 PWMÊä³ö
    
52.         TIM_Cmd(TIM4,DISABLE);
    
53. }

复制代码

启动RTX系统之前，我们先调用初始化步进电机函数。包含对硬件的初始化，以及加减速数据表的初始化。

1. /************************************************************************************
   
2. º¯ÊýÃû³Æ£º
   
3. ÊäÈë²ÎÊý£º
   
4. Êä³ö²ÎÊý£º
   
5. ¹¦ÄÜÃèÊö£º
   
6. ************************************************************************************/
   
7. void Stepper_Init(void)
   
8. {
   
9. //-----------------------------------------------------------------------------------
   
10.         uint16_t i = 0,j = SetStartT;        //100Hz                                                                                                                                                                                          //¼ÓËÙÇúÏß±í¸ñ³õʼ»¯
    
11.         for(;i<Stepper_BufLen;i++)
    
12.                 Stepper_Start_Buffer[i] = j-i*((j-SetMaxT)/Stepper_BufLen);
    
13.         
    
14.         for(i=0;i<Stepper_BufLen;i++)
    
15.                 Stepper_Stop_Buffer[i] = Stepper_Start_Buffer[Stepper_BufLen-1-i];
    
16. //-----------------------------------------------------------------------------------        
    
17.         DMA1_Stream0_CH2Init();
    
18.         TIM4_CH1_PWM_Config();
    
19. }

复制代码

上位机对步进电机的控制：上位机通过ModBus协议向STM32F411 Nucleo开发板写入转动角度数据。数据类型为浮点型。比如上位机可以输入100°、101.1°。接收到上位机转动角度的指令之后，进行DMA数据表的计算。计算加速步数、匀速步数、减速步数。

1. /************************************************************************************
   
2. ÈÎÎñÃû³Æ£º²½½øµç»úÔËÐгÌÐò
   
3. ÊäÈë²ÎÊý£º
   
4. Êä³ö²ÎÊý£º
   
5. ¹¦ÄÜÃèÊö£º
   
6. ************************************************************************************/
   
7. void Stepper(void)
   
8. {
   
9.         if((!flag_DMA1_Stream0_CH2)&&(Writable_Structure.Stepper_Angles))
   
10.         {
    
11.                 osDelay(1000);
    
12.                 Stepper_Angle(Writable_Structure.Stepper_Angles);               
    
13.                 Writable_Structure.Stepper_Angles = 0;
    
14.         }
    
15. }
    
16. /************************************************************************************
    
17. º¯ÊýÃû³Æ£º
    
18. ÊäÈë²ÎÊý£º
    
19. Êä³ö²ÎÊý£º
    
20. ¹¦ÄÜÃèÊö£º
    
21. ************************************************************************************/
    
22. void Stepper_Angle(float Angle)
    
23. {
    
24.         int32_t stepnum;
    
25.         static float wucha;
    
26.         
    
27.         stepnum = (int32_t)((Angle*1600)/360);
    
28.         
    
29.         wucha = (Angle*1600)/360 - stepnum + wucha;//Îó²îÐÞÕý
    
30.         if(wucha>1)
    
31.         {
    
32.                 stepnum++;
    
33.                 wucha -= 1;
    
34.         }
    
35.         
    
36.         Stepper_Steps_a(stepnum);
    
37. }
    
38. /************************************************************************************
    
39. º¯ÊýÃû³Æ£º
    
40. ÊäÈë²ÎÊý£º
    
41. Êä³ö²ÎÊý£º
    
42. ¹¦ÄÜÃèÊö£º
    
43. ************************************************************************************/
    
44. void Stepper_Steps_a(int32_t steps)//// ÓàÊý¼Óµ½ÔÈËÙÀï
    
45. {
    
46.         int32_t Start_Steps = 0;
    
47.         Stepper_Period = 3;
    
48.         
    
49.         if((steps/2)>Stepper_BufLen)
    
50.         {
    
51.                 Start_Steps = Stepper_BufLen;
    
52.                 Stepper_Run = Stepper_Start_Buffer[Stepper_BufLen-1];                                                                                                                //ÔÈËÙʱµÄÔËÐÐƵÂÊ
    
53.                 Stepper_Mid_Steps = steps - Stepper_BufLen*2 + steps%2;                                                                                                        //ÔÈËٽ׶β½Êý
    
54.         }
    
55.         else
    
56.         {
    
57.                 Start_Steps = steps/2 + steps%2;
    
58.                 Stepper_Run = Stepper_Start_Buffer[steps/2-1];
    
59.                 Stepper_Mid_Steps = -(steps/2);
    
60.         }
    
61. 
    
62.         DMA1_Stream0_CH2_Cmd(&TIM4_PWMDMA_Config,Stepper_Start_Buffer,Start_Steps,DMA_MemoryInc_Enable);
    
63.         TIM_DMACmd(TIM4,TIM_DMA_CC1,ENABLE);
    
64.         TIM4->CCER |= 1<<0; //¿ªTME4 PWMÊä³ö
    
65.         TIM_Cmd(TIM4,ENABLE);
    
66. }

复制代码

其中有一段误差修正。因为我是用的步进电机步数为1600步360°。当上位机输入1°的时候，程序控制转动4.44步。只能取整数。如果每次都转动4步，误差会累积，最后变得十分不准确。加入误差修正程序，可以使误差始终小于1°。

1. void DMA1_Stream0_IRQHandler(void)
   
2. {        
   
3.         if(DMA_GetITStatus(DMA1_Stream0,DMA_IT_TCIF0)==SET)
   
4.   {
   
5.                 DMA_ClearFlag(DMA1_Stream0,DMA_IT_TCIF0);
   
6.                
   
7.                 if(--Stepper_Period)//¸ù¾Ýµ±Ç°µ÷Ëٽ׶ÎÖØÐÂÅäÖÃDMA
   
8.                 {
   
9.                         if(Stepper_Mid_Steps<0)
   
10.                         {
    
11.                                 Stepper_Mid_Steps = 0-Stepper_Mid_Steps;
    
12.                                 DMA1_Stream0_CH2_Cmd(&TIM4_PWMDMA_Config,&Stepper_Stop_Buffer[Stepper_BufLen-Stepper_Mid_Steps],Stepper_Mid_Steps,DMA_MemoryInc_Enable);
    
13.                                 Stepper_Period = 1;
    
14.                         }
    
15.                         else
    
16.                         {
    
17.                                 if(2 == Stepper_Period)
    
18.                                         DMA1_Stream0_CH2_Cmd(&TIM4_PWMDMA_Config,&Stepper_Run,Stepper_Mid_Steps,DMA_MemoryInc_Disable);
    
19.                                 if(1 == Stepper_Period)
    
20.                                         DMA1_Stream0_CH2_Cmd(&TIM4_PWMDMA_Config,Stepper_Stop_Buffer,Stepper_BufLen,DMA_MemoryInc_Enable);
    
21.                         }
    
22.                 }
    
23.                 else
    
24.                 {
    
25.                         DMA_Cmd(DMA1_Stream0,DISABLE);
    
26.                         TIM_DMACmd(TIM4,TIM_DMA_CC1,DISABLE);
    
27.                         TIM4 -> CCER &= ~(1<<0); //¹Ø±ÕTME4 PWMÊä³ö
    
28.                         flag_DMA1_Stream0_CH2 = 0;
    
29.                 }
    
30.   }
    
31. }

复制代码

中断里进行调速阶段的切换。具体程序的细节请看附件吧。

硬件的连线。如前面文章中更新的，我是用的仍然是ModBus通讯。图中的黄绿线是和上位机的通讯线。我使用的步进电机有4根控制线，分别是脉冲+、脉冲-、转向+、转向-。

上位机输入100°，每5S钟发送一次。PS：请忽略通讯错误次数，那是调试的时候，暂停运行产生的

右下角是收到的数据，右侧显示任务栈使用量有点大，因为我设置的栈有点过小

可以看到实际PWM波形，两次波形之间的间隔为5.03S，是我们设置的5S通讯一次产生的

展开一点，可以看到步进电机脉冲密度。调速效果可以。带比较重的负载的时候可以降低启动频率，增长加速过程

wcstz0137

虽然没有硬件，但是还是下载学习一下思路。

lindeijun

下载来看看，也许以后用得着！！