野火电子《电机应用开发实战指南-基于STM32》章节[步进电机速度环控制实现]学习总结_野火电机应用开发实战指南

野火电子《电机应用开发实战指南-基于STM32》章节步进电机速度环控制实现学习总结

官方文档:https://github.com/Embedfire-motor/ebf_motor_tutorial_stm32f407/blob/master/improve_part/step_motor_speed_loop_control.rst

1. 使用定时器输出可变频率的PWM（占空比固定为50%）

使用STM32的定时器输出比较翻转模式TIM_OCMode_Toggle,可以实现输出一个频率可调的PWM波。该模式下生成的PWM频率为：
$$PWM频率=\frac{定时器频率}{时钟预分频系数\times 定时器PWM通道输出比较值\times 2}$$
野火官方的例程中提供的步进PWM脉冲输出初始化配置如下，该输出模式下定时器自动重装载值一定要设置为最大值,即65535；

void TIM_PWMOUTPUT_Config(void)
{
	TIM_OC_InitTypeDef  TIM_OCInitStructure;  	
	/*使能定时器*/
    MOTOR_PUL_CLK_ENABLE();

	TIM_StepperHandle.Instance = MOTOR_PUL_TIM;    
	/* 累计 TIM_Period个后产生一个更新或者中断*/		
	///当定时器从0计数到TIM_PERIOD-1，即为TIM_PERIOD次，为一个定时周期
	TIM_StepperHandle.Init.Period = TIM_PERIOD-1; 		//自动重装载值  TIM_PERIOD固定为65536
	//定时器时钟源TIMxCLK = 2 * PCLK1  
	//				PCLK1 = HCLK / 2 
	//				=> TIMxCLK=HCLK/2=SystemCoreClock/2*2=72MHz
	// 设定定时器频率为=TIMxCLK/(TIM_Prescaler+1)=100KHz
	TIM_StepperHandle.Init.Prescaler = TIM_PRESCALER-1;	//分频系数72/3=24M TIM_PRESCALER=3

	/*计数方式*/
	TIM_StepperHandle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;            
	/*采样时钟分频*/	
	TIM_StepperHandle.Init.ClockDivision=TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;   
	TIM_StepperHandle.Init.RepetitionCounter = 0 ;  		
	/*初始化定时器*/
	HAL_TIM_OC_Init(&TIM_StepperHandle);

	/*PWM模式配置--这里配置为输出比较模式*/
	TIM_OCInitStructure.OCMode = TIM_OCMODE_TOGGLE; 
	/*比较输出的计数值*/
	TIM_OCInitStructure.Pulse = OC_Pulse_num;
	/*当定时器计数值小于CCR1_Val时为高电平*/
	TIM_OCInitStructure.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;          
	/*设置互补通道输出的极性*/
	TIM_OCInitStructure.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_LOW; 
	/*快速模式设置*/
	TIM_OCInitStructure.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;   
	/*空闲电平*/
	TIM_OCInitStructure.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET;  
	/*互补通道设置*/
	TIM_OCInitStructure.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET; 
	HAL_TIM_OC_ConfigChannel(&TIM_StepperHandle, &TIM_OCInitStructure, MOTOR_PUL_CHANNEL_x);

	/* 确定定时器 */
	HAL_TIM_Base_Start(&TIM_StepperHandle);
	/* 启动比较输出并使能中断 */
	HAL_TIM_OC_Start_IT(&TIM_StepperHandle,MOTOR_PUL_CHANNEL_x);
	/*使能比较通道*/
	TIM_CCxChannelCmd(MOTOR_PUL_TIM,MOTOR_PUL_CHANNEL_x,TIM_CCx_ENABLE);
}
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2. 步进电机闭环控制算法

程序通过增量式PID算法实现了步进电机转速的闭环控制，PID传入的参数为单次采样周期(20ms)内编码器的脉冲计数值，PID经过计算后输出的值为期望设定的编码器单次采样脉冲计数值，可以通过运算最终将值转化为步进电机脉冲PWM输出通道比较值，进行调整步进脉冲输出频率达成转速闭环控制的目的。

期望设定的编码器单次采样脉冲值（脉冲频率）>>步进单次采样内的输出脉冲数量>>步进脉冲输出频率>>转速控制

程序相关宏定义说明

TIM_STEP_FREQ步进电机定时器的时钟频率 由定时器时钟频率和预分频系数决定
PULSE_RATIO脉冲系数，步进电机旋转360度机械角度所需脉冲数量与编码器实际输出脉冲数量的比值；

eg.步进电机步距角1.8度 细分器32细分 则步进旋转一圈需要360/1.8*32=6400个脉冲；编码器分辨率为一圈4000个脉冲则脉冲比为6400/4000=1.6

SAMPLING_PERIOD为编码器采样频率(50Hz)，同时也是PID函数的控制周期
OC_Pulse_num步进电机PWM脉冲输出通道定时器的值
由
$$步进脉冲输出频率=\frac{定时器时钟频率}{时钟分频系数\times 步进脉冲输出通道比较值\times 2}$$
可得
$$步进脉冲输出通道比较值=\frac{定时器时钟频率}{步进电机脉冲输出频率\times 时钟分频系数\times 2}$$
步进脉冲输出频率可以通过编码器的脉冲周期转换获得
$$编码器脉冲比=\frac{步进电机单圈脉冲数}{编码器单圈脉冲数}$$
$$编码器脉冲频率=\frac{编码器单次采样脉冲数}{采样周期}=编码器单次采样脉冲数\times 采样频率$$
$$步进电机脉冲输出频率=编码器脉冲比\times 编码器脉冲频率$$
最终可以得到
$$步进脉冲输出通道比较值=\frac{定时器时钟频率}{编码器脉冲比\times 单次采样脉冲数\times 采样频率\times 时钟分频系数\times 2}$$
也就是闭环控制程序第32行的内容OC_Pulse_num = ((uint16_t)(TIM_STEP_FREQ / (timer_delay * PULSE_RATIO * SAMPLING_PERIOD))) >> 1;
野火官方提供的闭环控制算法（增量式PID）如下：

 /**
   * @brief  步进电机速度闭环控制
   * @retval 无
   * @note   基本定时器中断内调用
   */
 void Stepper_Speed_Ctrl(void)
 {
   /* 编码器相关变量 */
   static __IO int32_t last_count = 0;
   __IO int32_t capture_count = 0;
   __IO int32_t capture_per_unit = 0;
   /* 经过pid计算后的期望值 */
   static __IO float cont_val = 0.0f;

   __IO float timer_delay = 0.0f;

   /* 当电机运动时才启动pid计算 */
   if((sys_status.MSD_ENA == 1) && (sys_status.stepper_running == 1))
   {
     /* 计算单个采样时间内的编码器脉冲数 */
     capture_count =__HAL_TIM_GET_COUNTER(&TIM_EncoderHandle) + (encoder_overflow_count * ENCODER_TIM_PERIOD);
     capture_per_unit = capture_count - last_count;
     last_count = capture_count;

     /* 单位时间内的编码器脉冲数作为实际值传入pid控制器 */
     cont_val += PID_realize((float)capture_per_unit);// 进行 PID 计算

     /* 判断速度方向 */
     cont_val > 0 ? (MOTOR_DIR(CW)) : (MOTOR_DIR(CCW));

     /* 计算得出的期望值取绝对值 */
     timer_delay = fabsf(cont_val);

     /* 计算比较计数器的值 */
     OC_Pulse_num = ((uint16_t)(TIM_STEP_FREQ / (timer_delay * PULSE_RATIO * SAMPLING_PERIOD))) >> 1;

     #if PID_ASSISTANT_EN
     int Temp = capture_per_unit;    // 上位机需要整数参数，转换一下
     set_computer_value(SEED_FACT_CMD, CURVES_CH1, &Temp, 1);  // 给通道 1 发送实际值
     #else
     printf("实际值：%d，目标值：%.0f\r\n", capture_per_unit, pid.target_val);// 打印实际值和目标值
     #endif
   }
   else
   {
     /*停机状态所有参数清零*/
 //    OC_Pulse_num = 0xFFFF;
     last_count = 0;
     cont_val = 0;
     pid.actual_val = 0;
     pid.err = 0;
     pid.err_last = 0;
     pid.err_next = 0;
   }
 }
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