步进电机s型曲线加减速算法与实现,步进电机特性曲线

 之前做电机相关的项目比较少，最近有个项目涉及到步进电机的精确控制，参考了一些资料研究了一下S型曲线加减速，这里总结一下分享给大家。

硬件是：STM32+驱动器+步进电机。

STM32定时器输出PWM，控制驱动器来驱动步进电机。单片机只要控制电机方向，以及PWM的频率即可，具体驱动由驱动器实现。

首先说一下什么是S型曲线加速，为什么要S型曲线加速。

S型曲线加速是指步进电机的启动速度按照S型曲线逐渐增加，以达到设定的最大速度。具体的S型曲线方程如下：

x取值-5~5的曲线图如下：

可以看到，刚开始加速和达到最大速度时加速比较缓慢，中间加速比较快。

电机的转矩和转速的乘积的k倍等于功率，也就是说，功率一定的时候，转速与转矩成反比关系。所以，转速越低，转矩越大。当电机直接高速启动时，电机可能存在震动、丢步甚至启动不起来的情况。因此需要S型曲线加速，使电机能够缓慢启动。

程序实现

控制电机的速度，其实就是控制PWM的输出频率。首先需要对S曲线方程进行一些变化，如下：

Fcurrent = Fmin + (Fmax-Fmin)/(1+exp( -Flexible(i - num )/num) )

Fcurrent为计算出的当前频率。

Fmin为加速的起始频率。

Fmax为加速的最大频率。

-Flexible*(i - num)/num是对S型曲线进行拉伸变化，其中Flexible代表S曲线区间（越大代表压缩的最厉害，中间加速度越大；越小越接近匀加速。理想的S曲线的取值为4-6）。

i是在循环计算过程中的索引，从0开始。

num为 加速脉冲数/2 大小。

上面计算出的是频率的S曲线，还需要将频率转换成定时器的计数周期，程序如下：

//功能：S加速曲线初始化//参数1 *pbuff 计算出的定时器的周期//参数2 fre_max 最大频率 Hz//参数3 fre_min 最小频率 Hz//参数4 len 加速需要的脉冲数void CurveS_init(uint16_t *pbuff,uint32_t fre_max,uint32_t fre_min,int16_t len){ int16_t i; uint16_t flexible =4;      float delt = fre_max-fre_min;      float deno ; float melo ;      float fre; for(i=0; i<len; i++) { melo = flexible* (i-len/2) / (len/2); deno = 1.0f / (1 + expf(-melo)); // fre = delt * deno + fre_min; *pbuff++ = (unsigned short)(sldqyg2_CLOCK_FREQ / fre); }}

sldqyg2_CLOCK_FREQ为定时器的计数频率。

之后要做的就是在加减速过程中，每输出一个PWM脉冲，重新装载一次定时器周期。具体怎样输出指定个数PWM来控制步进电机，可参考之前的文章《STM32定时器产生指定个数脉冲》。

在PWM中断中，将计算好的S曲线数组，重新装载到定时器的ARR和CCR寄存器中即可。程序如下：

//PWM回调函数void HAL_sldqyg_PWM_PulseFinishedCallback(sldqyg_HandleTypeDef *htim){ Motor.PWMcount++; SpeedAdjust();//速度调节}//速度调节函数void SpeedAdjust(void){ switch(Motor.Status) { /*加速*/ case SPEED_INCREASE: if(Motor.Count < Motor.CountMax) { __HAL_sldqyg_SET_AUTORELOAD(&htim2,Period[Motor.Count]);//计算下一个PWM的周期 htim2.Instance->CCR1 = Period[Motor.Count]/2;//占空比50% Motor.Count++;//加速次数 } else { Motor.Status = SPEED_STABLE; Motor.Count--; }      break; /*匀速*/ case SPEED_STABLE: if(Motor.PWMcount >= (Motor.PWMneed - Motor.Count)) { Motor.Status = SPEED_DECREASE; }      break; /*减速*/ case SPEED_DECREASE: if(Motor.Count >= 0) { __HAL_sldqyg_SET_AUTORELOAD(&htim2,Period[Motor.Count]);//计算下一个PWM的周期 htim2.Instance->CCR1 = Period[Motor.Count]/2; Motor.Count--; } if(Motor.PWMcount >= Motor.PWMneed) { HAL_sldqyg_PWM_Stop_IT(&htim2,sldqyg_CHANNEL_1); }       break; default : break; }

其中Motor是自己定义的一个结构体：

typedef struct{ uint8_t Status; //状态 int32_t Count; //加减速过程脉冲计数 int32_t CountMax; //最大加速脉冲数 uint32_t PWMcount;//PWM计数 uint32_t PWMneed; //需要输出的PWM总数}Motor_t;

启动时，初始化参数，启动定时器输出PWM即可：

//PWM--需要输出的脉冲个数void StartPWM(uint32_t PWM){ Motor.PWMcount = 0; Motor.PWMneed = PWM; Motor.Count = 0; Motor.Status = SPEED_INCREASE; Motor.CountMax = 300;       //初始化加速曲线，最小频率100，最大频率10K,加速脉冲数300       CurveS_init(Period,10000,100,Motor.CountMax); __HAL_sldqyg_SET_AUTORELOAD(&htim2,Period[0]); htim2.Instance->CCR1 = Period[0]; HAL_sldqyg_PWM_Start_IT(&htim2, sldqyg_CHANNEL_1); //启动定时器PWM输出}

来看一下效果，可以看到，PWM的频率是逐渐增大的。实际测试效果也不错。

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