这一章在干嘛?

解决第 15 章埋的雷:步进电机不能一上电就发高频脉冲(超过启动频率就堵转失步),到终点也不能高速急停(会过冲)。梯形加减速——加速、匀速、减速三段——是步进开环控制的标配算法。

16.1 为什么需要加减速

16.2 三角形还是梯形?

16.3 脉冲间隔的精确计算(免开方递推)

16.4 状态机与控制实现

16.1 为什么需要加减速

步进电机有个「启动频率」:直接给高频脉冲,反电动势的阻尼让转子跟不上磁场,就会堵转/丢步;到达终点时速度太高,惯性又让它过冲

原书图 16.1.1 原书图 16.1.1:加减速实例图解

原书图 16.1.2 原书图 16.1.2:加减速模型解析

对策是让速度走「梯形」:OA 段低于启动频率起跑、按固定加速度升速;AB 段以最大速度匀速;BC 段按固定减速度降到 0。加速度恒定,属于匀变速控制

16.2 三角形还是梯形?

已知量:总步数 step、加速度 accel、减速度 decel、最大速度 Max_ω;未知量:加速段脉冲数 、减速段脉冲数 、下一个脉冲周期。两种运动形态:

原书图 16.2.1.1 原书图 16.2.1.1:梯形加减速各阶段和脉冲的关系图解

原书图 16.2.2.1 原书图 16.2.2.1:梯形加减速运动场景 1(三角形)

原书图 16.2.3.1 原书图 16.2.3.1:梯形加减速运动场景 2(梯形)

  • :三角形——距离太短,没加到最大速度就得减速,,无匀速段;
  • :梯形——,有匀速段;开始减速点 = 总步数 + 减速段步数(减速段步数记为负)。
void create_t_ctrl_param(int32_t step, uint32_t accel,
                         uint32_t decel, uint32_t speed)
{
    g_srd.min_delay  = (int32_t)(A_T_x10 / speed);            /* 匀速段计数值 */
    g_srd.step_delay = (int32_t)((T1_FREQ_148 * sqrt(A_SQ / accel)) / 10); /* c0 */
    max_s_lim = (uint32_t)(speed * speed / (A_x200 * accel / 10));
    if (max_s_lim == 0) max_s_lim = 1;
    accel_lim = (uint32_t)(step * decel / (accel + decel));
    if (accel_lim == 0) accel_lim = 1;
    if (accel_lim <= max_s_lim)            /* 三角形:到不了最大速度 */
        g_srd.decel_val = accel_lim - step;
    else                                    /* 梯形:有匀速段 */
        g_srd.decel_val = -(max_s_lim * accel / decel);
    if (g_srd.decel_val == 0) g_srd.decel_val = -1;
    g_srd.decel_start = step + g_srd.decel_val;  /* 开始减速的步数点 */
    if (step == 1) { g_srd.run_state = DECEL; g_srd.step_delay = 1000; }
}

16.3 脉冲间隔的精确计算(免开方递推)

匀加速下第 n 个脉冲的时刻 ,相邻间隔 。每步开两次方太奢侈,用麦克劳林展开近似:

原书图 16.2.4 原书图 16.2.4:脉冲间隔时间示意图

原书图 16.2.4.1 原书图 16.2.4.1:梯形加减速数学模型

n=1 时有 0.4142 偏差,用 修正(T1_FREQ_148)。递推中的余数 rest 参与下次计算,把整除丢掉的精度攒回来。匀速段计数值 ;为避免浮点,把 放大 10 倍存成 A_T_x10

实验参数:

TIM8 168MHz、分频 84 → ;输出比较翻转模式(两次中断一个脉冲)。FSPR=200(整步 200 脉冲/圈)、MICRO_STEP=8 → SPR=1600;速度 2000、加速度 25、减速度 20(单位 0.1rad/s)。

16.4 状态机与控制实现

状态机:STOP → ACCEL → RUN → DECEL → STOP,在定时器中断里按脉冲个数切换(只走 1 步直接进 DECEL)。

原书图 16.3.1.1 原书图 16.3.1.1:梯形加减速时间-速度关系

原书图 16.3.1.2 原书图 16.3.1.2:状态表切换

case ACCEL:   /* 加速段:递推下一个脉冲周期 */
    step_count++;
    g_srd.accel_count++;
    new_step_delay = g_srd.step_delay - (((2 * g_srd.step_delay) + rest)
                     / (4 * g_srd.accel_count + 1));   /* Cn 递推 */
    rest = ((2 * g_srd.step_delay) + rest)
         % (4 * g_srd.accel_count + 1);                /* 余数补偿 */
    if (step_count >= g_srd.decel_start) {             /* 到达减速点 */
        g_srd.accel_count = g_srd.decel_val;           /* 减速计数初值(负) */
        g_srd.run_state = DECEL;
    } else if (new_step_delay <= g_srd.min_delay) {    /* 已达最大速度 */
        last_accel_delay = new_step_delay;
        new_step_delay = g_srd.min_delay;              /* 切换匀速计数值 */
        rest = 0;
        g_srd.run_state = RUN;
    }
    break;

实验用接口三(TIM8_CH3=PI7、DIR3=PB2、EN3=PF11),驱动器 1.0A、8 细分。KEY0 开启、KEY1/KEY2 增减总步数(1~100 圈循环)。步数够多时能明显看到:缓慢加速 → 最大速度匀速 → 缓慢减速停住