代码收藏家技术教程 2023-02-08

【开源】STM32步进电机控制：从实现精准运动到节能驱动

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前言

对步进电机的控制通常使用PWM控制，改变频率来控制速度，然后统计脉冲个数知道电机当前位置，
可以很容易实现加减速规划，或者不考虑加减速平稳性，直接以小于最大启动速度的速度启动，发完
给定个脉冲后直接关闭定时器。以上控制方式都没实现对步进电机的位置的自由控制，即让步进电机
跟随任意位置曲线运动
此项目是为了实现步进电机的自由控制，能准确定位。可以使用编码器或者电位器作为控制器，用
手拧编码器，步进电机可跟随一起运动，也可以按照函数曲线运动。

一、步进电机驱动

步进电机驱动器有很多种，如A4988、TMC2208等，常用的驱动方式是脉冲加方向，有的高端点的使用can、串口等方式控制。本篇博客介绍如何使用脉冲加方向方式对步进电机进行位置的自由控制！

二、控制原理

使用can等通信协议方式控制步进电机，可周期性同步位置到驱动器，实现位置的自由控制，脉冲加方向方式也可抽象为使用通信协议在与驱动器通信，只不过是使用增量方式在通信，通过对脉冲的累计得到目标位置。
程序使用两个定时器，一个中断频率为1k，用于周期采样目标位置，并计算当前速度，当前速度值用于修改另一个定时器中断频率，所以在第二个定时器中判断目标位置与当前位置的偏差，然后翻转电平，实现对脉冲发送，同时判断方向，对应控制方向控制IO电平。
在其他函数中可给定任意形式的位置变化，根据采样定理，应该位置变化频率不大于500Hz的都能被1k的定时器中断正常采样，由于发送脉冲需要以一定的频率发送，所以第二个定时器频率根据目标位置变化率而改变，可以让速度平滑，也可以减小CPU带宽占用。以此方式可实现对步进电机的自由控制，可使用编码器或函数随意控制电机！

三、代码分析

此程序可实现对多个步进电机的控制，以下是步进电机类

/*步进电机控制类*/
typedef struct 
{
    volatile unsigned long  *gpio_dir; //电机方向控制GPIO
    volatile unsigned long  *gpio_pluse; //电机脉冲GPIO
    int pluse_count;
    int goal_position;
    int last_position;
    int cur_position;
    int pos_bias;
    int speed;
    uint8_t status;
}stepMotor;

步进电机控制核心函数，由一个简易状态机组成，此函数放上面提到的第二个中断函数执行，先得到当前偏差，状态转换，再发脉冲

void StepMotorCtrl(stepMotor *motor)
{
	switch(motor->status)
	{
		case 0:
		if(motor->goal_position != motor->cur_position)  //扫描
		{
			motor->pos_bias = motor->goal_position - motor->cur_position; //得到偏差
			motor->status = 1;
		}			
		break;
		
		case 1:
		if(motor->pos_bias > 0)
		{
			motor->pluse_count ++;
			*(motor->gpio_dir) = 1;  //正方向
			*(motor->gpio_pluse) = !*(motor->gpio_pluse);
			if(motor->pluse_count == (motor->pos_bias * 2))
			{
				motor->cur_position += motor->pos_bias;
				motor->pluse_count = 0;
				motor->status = 0;
			}
		}
		else
		{
			motor->pluse_count ++;
			*(motor->gpio_dir) = 0;  //负方向
			*(motor->gpio_pluse) = !*(motor->gpio_pluse);
			if(motor->pluse_count == ((-motor->pos_bias) * 2))
			{
				motor->cur_position += motor->pos_bias;
				motor->pluse_count = 0;
				motor->status = 0;
			}					
		}		
		break;

		default:
		break;
	}
}