2相步进电机PWM控制研究和分享

只看该作者 · 2011-10-6 10:48

本人做步进电机的控制，只有2个月左右。没有任何代码和完整资料可以参考，但因为市场不等人，必须做出来。可以说是想破头白发都多了很多根。最后还是勉强做出来了，但感觉不够好，这里分享一下，也希望有经验的高手能分享一下自己的经验甚至指点一下小弟。

控制芯片AVRMEGA168
电机 2相步进电机1.8度，200步，4线制
驱动芯片，保密。（原因不是因为什么，是不想被某些人知道在什么行业工作甚至知道是什么厂家的，他们挺小心不愿透漏技术）

芯片性能，主要是有8位PWM定时器0,16位PWM定时器1,8位PWM定时器2.每个定时器都有2个脚能直接输出PWM波形。正好能控制3个步进电机。步进电机每组一头接一个pwm的脚，另一个脚用普通IO口。这样通过控制普通IO的高低，还有PWM的脚，就能控制电机运行。

目前，我只需要控制2个电机。用了定时器0和1，定时器2刚好用来定时用。有些设备3个都用上，要用普通定时功能的话，计数到顶，就进入中断，也可以做到定时。当然这样就不能非常精确的定时，但一般来说也没问题。

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//以上是例汤，以下才是主盘
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void main(void)
{ 帖子2（）；

}

只看该作者 · 2011-10-6 11:22

步进电机，太基础的就不说了，反正一个脉冲就是一步。这样是我没法用的。必须用细分。没有细分驱动器，全靠cpu搞定。用256细分。正好8位PWM都用上了。在直角坐标系，画一个圆圈。x轴和y轴分别代表电机两个线圈，把一个象限的1/4圆，分成256等份。每一条等分线和圈相交的点，对应的xy坐标，就是这些细分角度对应的力大小，还有方向。也就是，圆半径乘以正弦，余弦。这样自己做个excel表格，就能算出256细分对应的pwm电流数据,要改变力大小，改圆半径即可。

有了细分表，事情就解决了一半。那么说说电机运行的要求：
要从转很慢（目前最慢是0.026圈/秒）到3.4圈/秒，开环控制，不能丢步，要平滑加减速不震荡，而且反应要很快，要在2秒内从0加速到最高，或者减速到0，或者掉头。当然不是只有电机自己在转，他带动一个比较重的东西。

控制电机转速，只能控制每步走的间隔。时间间隔，或者每次走步数不同（256细分，一次可以走任意步，但不能超过256）
搞了很久终于有2套方案：
第一个就是，每次都走一细分步，每步之间通过修改时间来产生加减速的效果
第二个就是，每次走的时间一样，但每次走的步数不同，也能达到加减速效果
还有个方案，两个同时修改，太复杂没认真想过算法。
还有个更变态的，时间，步数，连电流也即时改变，更复杂从没想过要去研究。

方案1的优点是，容易控制，但是，要控制时间，必须用定时器，如果只有一个定时器，就很难同时控制2个甚至3个电机。定时器可以把定时值搞很小，通过累加的办法，同时控制3个电机。但这样做也有问题。当定时值很小的时候，运动曲线会很硬，电机很容易丢步.而且电机速度达不到要求.3.4圈每秒，256细分。等于174080步每秒，一步之间只有5.74微妙。还是2个电机。而且mcu不是只处理电机转动那么简单，还有通讯接收。这个方案花了几乎一个月时间，否决了。

方案2，控制步数。固定定时器值。这样就能一个定时器同时控制很多个电机。但也有个问题，因为每次走的步数不同，必须算每次走多少步。加速，匀速，减速，要对加速部分进行积分（累加），达到最高速时就匀速运动，即将到达就要减速。问题就是，快到时，减速距离不一定等于加速距离。于是造成不能到达目标位置马上停下，有一点来回震荡。这方法速度有了，反应也OK，就是不够平顺。于是我把减速距离变成加速距离的3倍，加速很快，减速较慢，勉强能通过应用。但是也有一个严重缺陷，就是当速度很慢的时候，会抖得厉害。
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//帖子3继续
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只看该作者 · 2011-10-6 11:46

本帖最后由 mugenwon 于 2011-10-6 11:57 编辑

我发现一个问题，转得慢，用手模着电机，觉得他有一下一下的振（很微弱的，就像用针撞击一块铁的感觉）。那种卡很奇怪。按道理做到256细分，电机应该很平顺才对。转的快看不出，转很慢，就有这感觉。但从细分的原理来看，应该是没错的。运行几天也没有丢步。我怀疑这是和电机本身结构有关。电机很慢时，究竟和细分表格里面的数据对得上吗？因为细分实在太小，很难用什么东西测出来。（反正距离长了，例如半步一步的，绝对没有错）这是一个请高手指教的地方

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还有个就是，驱动算法，只用修改走步数，不变定时间隔的办法，够不够？另外就算是这么做，那么每次走的步数，如何控制才是上策？目前我用的方法是长斜坡。就是每次都是加1步。但要走很多步才加1。这方法简单，但是马达反应比较慢。最好就是每次通过计算来得出走多少步。问题又没有这样的计算公式。有人说是指数，就是说要算乘法。我的思想是单片机尽量不用乘法，于是没有用公式。如果用查表，也可以用公式套上生成表格。问题是，这个步数表格，能不能应用在整个从1步到128步的范围？而且刹车距离，还是要对加速步数积分（加），如果距离太长，超过65535，就要用到32位运算，对于avr这8位单片机来说，会不会负担太重？毕竟速度快了，pwm的周期也短。这些都是我的疑虑。

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pwm目前我只用到8位，其实定时器1能做到16位。我用过10位，发现马达会叫了。电流变化刚好能让电机线圈变成喇叭的音圈了。这是不允许的。。。也想问问，如果用更高位的pwm来做，细分表有无必要更多，目前我用8位，表格数据是8位的，要用9位以上，自然就要用16位数据，运算速度的问题又来了

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然后，假如只修改步数不足够，要连每一步时间也修改，应该怎么做？有没有这样做的高手分享一下我感激不尽。还有没有更NB的，不用步数表格，只用公式，连总体电流也能平滑变化，速度平滑变化，低速不震荡的。我自问也有点基础，数学物理还算过关，也找了很多次资料，没有一个靠谱或实际点的。别说芯片资源不够，人家就是用这么简单的东西，做出很复杂很成功的产品。问题是算法，你不知道。如果有这方面的高手，分享一下经验，相信很多人会感谢你的！

只看该作者 · 2011-10-6 14:03

这里具体写一下算法，还有程序。
用256细分，（更低细分不行，抖得厉害）每个细分当是一微步。假设750微秒处理一次电机的运动状态。我是这样的：每处理6次，调整一个微步。例如第一步走1微步，一直走到第6步还是走1微步，但是第7~12步，就是2微步，13~18走3微步，如此类推。为什么不是每次都加1微步？因为电机从停止到运动反应不过来，他无法在500us内从1微步到2微步。这条运动曲线是什么？我也说不上，不是匀加速。是变加速的。速度越高，加速度越低。达到一定速度就不能再加了，变成匀速。如果最高速是用120微步，速度是多少？3.125圈每秒。勉强达标。最慢速度为0.026圈每秒。
因为要做加速和减速运动，减速距离和加速距离一致（或更长，后面再说），所以什么时候开始减速？必须知道这个刹车距离。假设等于加速距离，那么加速的时候你必须算出这个距离。只要把每一步的距离加起来就是了。但我为了节省运算时间，做了个速度表格，从0到120，运算的结果都出来了（数值不是0~120，而是第一个是0，第二个是1，第三个是1+2，第四个是1+2+3.。。）,因为我是6次才加一步的，所以我连乘以6都算进去了，结果就变成0,6,18，。。。最大那个是4万多。后来因为电机电流太大烧电机，电流降低了，6次加1步变成7次，最大那个数变成接近16位的65535，不敢再加了，不然变成32位处理，怕影响运算速度。
后来发现运行没事，就是停止时抖得厉害（停的太快），于是把刹车距离加长。怎么加？本来可以用表格的，但为了省事，我采用加速距离的三倍算，直接用加速距离表格乘以3.这样做，电机加速很快，减速比较慢。基本能达到要求。

问题是慢时会抖。假设最慢要变得更慢，那自然就要把定时器改的更慢。假如定时器改慢了，最高速度就提不上去，要提，可以把一步步数加大，比如说加到160，那么加减速距离表格很容易就变成32位运算，我就是不想这么做。最理想的情况就是，能同时修改定时器。假如要750us处理一次，但也要1000us处理一次，那么定时器必须为最大公约数，250us，才能这么办。定时器分级越多，定时器值肯定要越小。还有就是衔接问题，如何变化？估计不能直接从750us一步，一下子变成1000us一步。这样会抖。假设要750,800,850,这样变化，那惨了，定时器要变成50us一中断。这个地方想来想去觉得不可行，于是没有下手。

只看该作者 · 2011-10-6 14:19

这算法还有个问题，就是即使现在位置和目标位置不变，从0加速，匀速，减速后，速度变为0时，也不一定落在目标位置，我觉得这是个致命缺陷，举个例子。速度只要1,2,3,4,步四级。就是说，最高速时，刹车距离有10步，加速距离也是10步。假设现在位置为0，目标位置为30，加速走10步，减速走10步，中间只有10步，但速度是4，剩下2步合不上。结果是这样走的，1,2,3,4,4,4,4,3,2,1,1,1，这样还好，假如是1,2,3,4,4,4,4,4,3,2,1，-1，-1，这样就跑回去了，就出现震荡。实际是怎么走的呢？连这样也不是，减速时，有时候因为这个问题，判断出有需要加速的情况，加了后马上再减速。后面也有可能再有加速和减速，甚至跑回去的。现象很不明显，但我感觉抖就是因为这个原因。这算法还是有缺陷。

1万 · 2011-10-6 18:58

够劲够胆又一个闭门造车的人 :lol

1万 · 2011-10-6 22:09

记号

只看该作者 · 2011-10-6 22:20

1万 · 2011-10-7 07:50

够劲够胆又一个闭门造车的人 :lol
eydj2008 发表于 2011-10-6 18:58

一个闭门造车之人，能有此心德，本身能力就不差~~~

墙裂帮顶~~~

1万 · 2011-10-7 08:53

步进电机加减速了解不多，帮顶。

只看该作者 · 2011-10-7 09:28

楼主强悍啊，一个步进电机研究这么深入

只看该作者 · 2011-10-7 10:48

mark

1万 · 2011-10-7 11:15

别说那么多啊简单的讲就是控制线圈中的电流（先微分再积分）去控制磁场产生旋转步进电机属于同步电机一类

只看该作者 · 2011-10-7 11:21

够劲够胆又一个闭门造车的人 :lol
eydj2008 发表于 2011-10-6 18:58

应该不算了，因为以前用过自带细分驱动的IC，稍微懂点细分的皮毛。但这次是不能用这种IC的，更不能用细分驱动器。也找了很多资料，原理都是采用方案1的，修改时间间隔。这种方法对一个电机而言，而且要求不高是没问题的。现在我一个mcu要驱动3个电机，而且要求很高，并不只看点对点的运动，是要看整个运动过程的平滑度。这方面的资料，别说程序，连算法都没有，就算是原理也泛泛而谈。
这算法，其实除了步进电机，还能用在LED亮度控制方面，或者任何电压电流控制要求十分严格的场合。只要是对过程变化要求很高的场合，都适用。本来看过很多pid算法的资料以为能用在上面，结果看的不是太明白。
有一点我非常不解，步进电机的控制模型和函数应该如何建立。目前能控制的，是每一步之间的时间，还有步幅。但电机的运动条件，例如速度，力矩，电流，控制电压（pwm）之间的关系是什么？最好能有个数学模型，输入负载，最高加速度，最高速度，电机最大力矩等参数，还有当前速度，当前位置和目标位置，就能算出当前应该走多少步幅，这就最完美了！

1万 · 2011-10-7 19:56

对啊你能想到这里你就开始入了，打开门造车吧（力矩，电流，速度的数学模型）

1万 · 2011-10-7 19:58

出来之后，才有速度，位置和时间的关系

只看该作者 · 2011-10-8 07:56

楼上的大哥，能否具体说说步进电机的数学模型？我实在找不到。

1万 · 2011-10-8 16:22

模型不是找的啊是算的啊你将他们分开，力矩和电流的关系，这个式子列出来，与速度相关的反向电动势算出来，就出来了。

1万 · 2011-10-8 16:26

转起来，控制速度是很简单的事。你想控制得好，就复杂了。

只看该作者 · 2011-10-9 17:03

哎，步进电机，我恨它。
其中各种缘由就不想说了，影响我今后的五年的。
楼主所述内容我在当时只是听说过，居然一点不懂，最后我竟然很创新的失败了。
回头再看楼主的帖。

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