步進電機運動控制策略

01背景與介紹

步進電機是一個用數字來控制運動的數字化電機，特別適用于精準控制場合。今天，我們將通過步進電機控制云臺準確定位轉動的應用，詳細講解一下對步進電機運動的控制。

?

首先，云臺通過一個搖桿控制器進行控制，速度分為0~63。其中，0即為停止，63即為最快速度。該產品模型，如圖1所示：

?

• ?
• ?
• ?
• ?

sbit Cdata    = P?^?;       // ->2051sbit Cctrl    = P?^?;        // -INT0sbit Crclk    = P?^?;sbit Ctclk    = P?^?;

02分析與對策

我們都知道，51單片機的客觀條件不怎么好。

?

首先是工作頻率較低。傳統(tǒng)的51單片機是12T機，也就是說，執(zhí)行一條指令的速度是1/12主頻，即12M的晶振執(zhí)行指令的速度只有1M。當然，后來出了一些變種51單片機是1T機，大部分指令速度是1T的，無論這個大部分有多大概率，至少執(zhí)行速度是提高了不少。

?

這里采用的就是1T機，因為這款產品實際上有兩個步進電機，如果單片機速度太慢，有很多產品功能就無法流暢實現(xiàn)。要充分利用JBC指令來實現(xiàn)判斷跳轉，這條指令對應的C語言語句是_testbit_(abitvar)。不能小看這一點點的節(jié)省，這對一個功能復雜、運行速度敏感的產品來說非常重要！

?

其次是定時器數量少，單次計時時間短。作為一個產品的主控芯片，因為51單片機是8位機，定時器資源也非常緊缺，所以本產品利用了定時器0的模式3，將定時器0一拆為二，變成了兩個不能自動重載的8位定時器（此時原定時器1只能作為波特率發(fā)生器<這也正是我們需要的>，原定時器1的寄存器都作為定時器0的第二個定時器<新定時器1>的控制寄存器，一旦啟動，無法更改）。

?

因為這種模式一旦啟動，后期不能進行修改。所以，為了極大地減少指令數量，可將這兩個定時器工作于偽重載的模式下。即當定時器計數寄存器溢出為0后，直接將這個0作為重載數據，從而避免通過命令進行重載。對于一個反復運行的代碼來說，精簡一條指令的收益是不容小覷的。

?

定時器初始化代碼如下：

• ?

setBaud(BaudID);        // 先初始化定時器1作為波特率發(fā)生器

第三是內存資源很有限。變種的51單片機有一個神奇的現(xiàn)象，那就是代碼存儲器容量足夠大，而RAM（即使用MOV來訪問）卻依然很少，片內擴展的外部存儲器（即使用MOVX來訪問）執(zhí)行時耗又比較大。所以，將好鋼用在刀刃上就變得非常重要了，甚至我們經常還需要用代碼來換取RAM的節(jié)約使用。

03編程魔法師觀點

編程魔法師的觀點，就是要面向對象處理。也就是后面使用步進電機時，不能夾帶控制代碼，只能設置設置參數（屬性）、調用調用動作（函數）。

?

為了減少生澀的說明，這里直接用云臺自檢為例簡要說明。云臺x軸自檢過程，如圖3所示：

?

• ?

sbit Pos0x    = Px^?;        // x光電管信號

我們先來看一下自檢的代碼：

• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?

voidSelfChk(void){? ?? ? Pscx= (Pos0x)?0:1;? ?? ?while(fx)? ?? ?{? ?? ? WDI = !WDI;? ?? ?// ******** 喂狗 ********
? ?? ? if(NdCtrlx)? ?? ???{? ?? ?? ?? ?NdCtrlx = 0;? ?? ?? ?if(fx)? ?? ?? ?{? ?? ?? ?? ?? ?? ? Pscx++;? ?? ?? ?? ?? ?? ? switch(Pscx)? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? case??2: xRun321(0,CVauto,CWavoid);? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? Sx = 0;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? xRun();? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? break;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? case??1: Pscx = 3;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? case??3: Sx = 0;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? xRun321(1,CVauto,0xFFFF);? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? xRun();? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? break;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? case??5: CSmaxx1 = Sx;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? case??4: Sx = 0;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? break;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? case??6: CSdelta = Sx - 1;? ?? ?? ?? ? // 自檢確定光電管寬度? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? fx = 0;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? xStop();? ?? ?? ?? ?? ???}? ?? ?? ?}? ?? ???}? ?? ?}}

從自檢代碼中，我們可以看出，對步進電機的控制只使用了一些方法（函數/宏）。這是一種擼碼的較高境界，即代碼與日常語義貼近。

?

接下來，我們再看一下步進電機的方法代碼：

• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?

/*--------------------------------------------------------??功能：x方向運動預備? ?? ?? ???填入目標Sendx、速度Vobj、運行方向mmd??參數：o1: 運行方向? ?? ?? ???o2: 目標速度? ?? ?? ???o3: 目標行程--------------------------------------------------------*/#definexRun321(o1,o2,o3)??{mmdx = o1;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?mmCmdx =((o2)>CVmax)?CVmax:o2;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?mmSx =o3; mmcx = 1;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }
/*--------------------------------------------------------??功能：x方向運動開始? ?? ?? ???調用之前要確認目標Sendx、速度Vobj、運行方向mmd--------------------------------------------------------*/void xRun(void){? ?? ?if(TR0) return;? ?? ?TL0? ? = CT2Vooo; // 進入運行的時間? ?? ?NdCtrlx = 0;? ?? ?TR0? ? = 1;}
/*--------------------------------------------------------??功能：x方向運動停止--------------------------------------------------------*/#define?xStop(){mmCmdx?=?0x40;mmcx?=?1;}

很顯然，通過控制步進電機的運行參數設置、步進電機的起與停，符合我們的日?？刂屏晳T，這就是工程學與實際應用完美統(tǒng)一的境界。

04步進電機運動控制策略

控制步進電機運動有兩種方式：一種是速度控制方式，另一種是終點控制方式。

?

速度控制方式是指在實時控制時，只有目標速度，沒有目標位置的控制方式。這種控制具有隨意性，它可能是從一個速度到另一個速度的變化，也可能是保持某個速度的運動；而速度的變化可以是增速，也可以是減速；一個速度與另一個速度可以是0，也可以不是0（如圖4所示）。

?

05代 碼

我知道很多小伙伴不喜歡啰嗦、只喜歡代碼，所以這里就不多說了，大家直接復制代碼就行了。

?

定時器0（x電機）的ISR如下：

• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?

voidTimer0(void) interrupt 1 using 1{? ?? ?static UINT??data Dis=0;? ?? ?? ?? ???//剩余行程? ?? ?static bit? ?? ???D=0;? ?? ?? ?? ?? ?? ?//運動方向? ?? ?static UCH? ?data Vend=0;? ?? ?? ???//目標速度? ?? ?static UCH? ?data V=0;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? //當前速度? ?? ?static UCH? ?data lps=0;? ?? ?? ?? ???//定時器延時倍率計數器? ?? ?static bit? ?? ???Wavoid=0;? ?? ?//--------------------------------------------------------------------------------? ?? ?if(_testbit_(mmcx))? ?? ?? ?? ?// 存在立即執(zhí)行命令? ?? ?{? ?? ?? ???switch(mmCmdx)? ?? ?? ???{? ?? ?? ?? ?? ???case 0x40:??// 停止? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? if(Dis>V)Dis = V;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?Vend= 0;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? mmCmdx = 0x00;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? break;? ?? ?? ?? ?? ???default??:? ?// 開始命令解釋: mmcx = 0 表示速度變化，其他命令必須mmcx = 1? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? if(V&&(D!=mmdx)) // 如果速度大于0反向則執(zhí)行減速到自動停止? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?if(Vend){Dis= V; Vend = 0;}? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? else? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?D = mmdx;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?Vend = mmCmdx;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?Sendx =mmSx;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?if(Sendx<(CSmaxx1))? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?Dis= (fx)?(Sendx -Sx):((D)?((Sendx>=Sx)?(Sendx-Sx)((Sendx<=Sx)?(Sx-Sendx):(CSmaxx1-Sendx+Sx)));? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?else? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?Dis= 0xFFFF;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? if(!Dis)StopRunx();? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?if(!lps) lps = CT2Vooo; //以最快速度進入第一步? ?? ?? ???}? ?? ?}? ?? ?// 運行處理? ?? ?if(++lps) return;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?// 延長定時器定時時間，lps自增到溢出(==0)才進行一次運動運動處理? ?? ?SendMx();? ?? ?? ?? ?? ?? ? //根據當前方向運動一步? ?? ?NextPx();? ?? ?? ?? ?? ?? ???//求下一個圓周坐標Sx，以及剩余行程Dis(行程不能大于等于最大圓周坐標，自動計算近距離及方向到達目標)? ?? ?WidAvd();? ?? ?? ?? ?? ?? ? //光電管處同步處理(自檢正方向從未遮擋到遮擋處為0，從遮擋到未遮擋處為光電管寬度，反方向倒著處理)? ?? ?NxtxAn();? ?? ?? ?? ?? ?? ???//求下一個速度參數}

步進電機走一步代碼如下（此處代碼根據硬件確定，以下僅供參考）：

• ?
• ?
• ?
• ?

#define SendMx(){? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? Cctrl = 1; Cdata =0; Cctrl = 0; ? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? Cctrl = 1; Cdata =!D; Cctrl = 0; ???????????????????????}

步進電機走一步后坐標與行程處理的代碼如下：

• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?

#define NextPx(){? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? if(fx)? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? Sx++;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? else? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? if(D)? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?Sx++;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?if(Sx>=CSmaxx1)Sx = 0;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? else? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?if(Sx)Sx--; else Sx = CSmaxx1 - 1;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? if(Dis &&(Dis<(CSmaxx1))) Dis--;????????????????????????}

每次檢測到光電管后同步處理的代碼如下：

• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?

#define WidAvd(){? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? if(Wavoid)? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? if(Pos0x)? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?Wavoid =0;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?if(fx)if(Pscx==5) NdCtrlx = 1;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? else? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? if(!Pos0x)? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?Wavoid =1;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?if(fx)? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?{? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?if((Pscx==3)||(Pscx==4))NdCtrlx = 1;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?}? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?else? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?{? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?Sx= (D)?0:CSdelta;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?}? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }???????????????????????}

步進電機走一步后速度處理的代碼如下：

• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?
• ?

#define NxtxAn(){? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? if(Dis)? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? if(Dis>V)? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?if(V? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?{? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?V++;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?}? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?else? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?{? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?if(V>Vend)V--;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?}? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? else? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?V--;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? lps = CxT2Vmin+ V;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? else? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? StopRunx();? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }???????????????????????}

06相關問題與處理方法

1、由于步進電機是一種電轉換率很低的設備，因此，當負載與輸出功率出現(xiàn)矛盾時，一定要保證設備不能出現(xiàn)失步，盡可能降低負載影響是重中之重。例如，減輕負載質量、降低負載運動阻力等，都是很重要的工作。

?

2、選擇銅耗鐵耗低的步進電機，是在體積一定的情況下提高步進電機帶載能力的優(yōu)選方案，如果你能接受這樣做帶來的成本增加的話。

?

3、速度突變容易導致步進電機失步，這主要是“既想步進電機小，又想步進電機快”導致的步進電機功率跟不上速度變化。在不提高步進電機功率的前提下，利用合適的加速曲線能一定程度上抑制失步。

?

4、光電管位置同步，是避免步進電機控制時，因機械誤差導致數位累積誤差的有效辦法。由于這種誤差通常只會在整周轉動時產生累積，因此只要在每次經過零位光電管時進行一次同步即可消除。

?

5、對于計算時出現(xiàn)位置速度偏差的處理方法是，當到達指定目標前速度按加減速曲線應該變?yōu)?時，保持速度1不變，直到到達終點。當到達指定目標時速度按加減速曲線計算無法到達0時，到達終點時速度直接降為0。

?

盡管這種處理看起來不太合理，但這種偏差在運算出現(xiàn)±1誤差時進行強制修正，實際造成的影響可以忽略不計。

?