【STM32F411 Nucleo试用体验】(五)上位机控制步进电机以及步进电机的DMA-PWM加速曲线控制（RTX系统）

STM32

项目中用到步进电机，控制两个机械单元。要求动作速度快。我们知道给步进电机突然设置比较大的运行频率，可能会发生失步。而失步属于比较严重的事故，意味着程序再也不知道步进电机的准确位置。所以为了获得比较快的转动速度，又不会失步，可以用S曲线对步进电机启停进行加减速。这里我暂时用梯形加速，运行过程分为加速阶段、匀速阶段、减速阶段。S曲线同理，不过得根据电机性能和负载计算一个合适的加速曲线。
用到的STM32F411 Nucleo开发板的外设：定时器、DMA。

查看用户手册定时器4的通道1在PB6引脚上

查看数据手册可知定时器4通道1使用 DMA1流0通道2，与我们之前使用的ModBus发送数据的DMA通道无冲突。

查看STM32F411 Nucleo开发板开发板原理图，可以看到PB6引脚可用。

接下来我们初始化定时器4通道1作为PWM输出口。定时器预分频设置为100，由于我们使用的100MHz主频，定时器频率为1MHz。初始化代码如下。初始化完关闭定时器。

/************************************************************************************
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************************************************************************************/
void tiM4_CH1_PWM_Config(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB,ENABLE);
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA1, ENABLE);////
//------------------------------------------------------------------------------------
GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource6,GPIO_AF_TIM4);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
//------------------------------------------------------------------------------------
TIM_DeInit(TIM4);
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 100-1;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 50;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter = 0x0000;
TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);
TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;////
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
// TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 20;
// TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;
// TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_High;
// TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Set;
// TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCIdleState_Reset;
TIM_OC1Init(TIM4, &TIM_OCInitStructure);
//------------------------------------------------------------------------------------
// TIM_OC1PreloadConfig(TIM4,TIM_OCPreload_Enable);
// TIM_ARRPreloadConfig(TIM4,ENABLE);
// TIM_DMAConfig(TIM4,TIM_DMABase_ARR,TIM_DMABurstLength_3Transfers);
TIM_DMACmd(TIM4,TIM_DMA_CC1,DISABLE);
TIM4 -> CCER &= ~(1<<0); //¹Ø±ÕTME4 PWMÊä³ö
TIM_Cmd(TIM4,DISABLE);
}

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接着我们初始化DMA通道，初始化的时候暂时把数据源地址、发送数据数量、DMA递增方式用参数来传递。因为我们要变速调节步进电机。这里使用梯形加速，运行过程分为加速阶段、匀速阶段、减速阶段。每个阶段数据提前在内存中存储。其起始地址，和数据长度不固定。

/************************************************************************************
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************************************************************************************/
void TIM4_PWMDMA_Config(uint16_t *DataBuf,int32_t BufSize,int32_t MemoryInc)
{
DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA1, ENABLE);
DMA_InitStructure.DMA_Channel = DMA_Channel_2;
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&TIM4->ARR;
DMA_InitStructure.DMA_Memory0BaseAddr = (uint32_t)DataBuf;
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = BufSize;
DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_MemoryToPeripheral;
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = MemoryInc;
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;
DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;
DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
DMA_InitStructure.DMA_FIFOMode = DMA_FIFOMode_Disable;
DMA_InitStructure.DMA_FIFOThreshold = DMA_FIFOThreshold_HalfFull;
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBurst = DMA_MemoryBurst_Single;
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBurst = DMA_PeripheralBurst_Single;
DMA_Init(DMA1_Stream0,&DMA_InitStructure);
DMA_ITConfig(DMA1_Stream0,DMA_IT_TC,ENABLE);
}

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启动RTX系统之前，我们先调用初始化步进电机函数。包含对硬件的初始化，以及加减速数据表的初始化。

/************************************************************************************
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************************************************************************************/
void Stepper_Init(void)
{
//-----------------------------------------------------------------------------------
uint16_t i = 0,j = SetStartT; //100Hz //¼ÓËÙÇúÏß±í¸ñ³õÊ¼»¯
for(;i
Stepper_Start_Buffer[i] = j-i*((j-SetMaxT)/Stepper_BufLen);
for(i=0;i
Stepper_Stop_Buffer[i] = Stepper_Start_Buffer[Stepper_BufLen-1-i];
//-----------------------------------------------------------------------------------
DMA1_Stream0_CH2Init();
TIM4_CH1_PWM_Config();
}

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上位机对步进电机的控制：上位机通过ModBus协议向STM32F411 Nucleo开发板写入转动角度数据。数据类型为浮点型。比如上位机可以输入100°、101.1°。接收到上位机转动角度的指令之后，进行DMA数据表的计算。计算加速步数、匀速步数、减速步数。

/************************************************************************************
ÈÎÎñÃû³Æ£º²½½øµç»úÔËÐÐ³ÌÐò
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************************************************************************************/
void Stepper(void)
{
if((!flag_DMA1_Stream0_CH2)&&(Writable_Structure.Stepper_Angles))
{
osDelay(1000);
Stepper_Angle(Writable_Structure.Stepper_Angles);
Writable_Structure.Stepper_Angles = 0;
}
}
/************************************************************************************
º¯ÊýÃû³Æ£º
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¹¦ÄÜÃèÊö£º
************************************************************************************/
void Stepper_Angle(float Angle)
{
int32_t stepnum;
static float wucha;
stepnum = (int32_t)((Angle*1600)/360);
wucha = (Angle*1600)/360 - stepnum + wucha;//Îó²îÐÞÕý
if(wucha>1)
{
stepnum++;
wucha -= 1;
}
Stepper_Steps_a(stepnum);
}
/************************************************************************************
º¯ÊýÃû³Æ£º
ÊäÈë²ÎÊý£º
Êä³ö²ÎÊý£º
¹¦ÄÜÃèÊö£º
************************************************************************************/
void Stepper_Steps_a(int32_t steps)//// ÓàÊý¼Óµ½ÔÈËÙÀï
{
int32_t Start_Steps = 0;
Stepper_Period = 3;
if((steps/2)>Stepper_BufLen)
{
Start_Steps = Stepper_BufLen;
Stepper_Run = Stepper_Start_Buffer[Stepper_BufLen-1]; //ÔÈËÙÊ±µÄÔËÐÐÆµÂÊ
Stepper_Mid_Steps = steps - Stepper_BufLen*2 + steps%2; //ÔÈËÙ½×¶Î²½Êý
}
else
{
Start_Steps = steps/2 + steps%2;
Stepper_Run = Stepper_Start_Buffer[steps/2-1];
Stepper_Mid_Steps = -(steps/2);
}
DMA1_Stream0_CH2_Cmd(&TIM4_PWMDMA_Config,Stepper_Start_Buffer,Start_Steps,DMA_MemoryInc_Enable);
TIM_DMACmd(TIM4,TIM_DMA_CC1,ENABLE);
TIM4->CCER |= 1<<0; //¿ªTME4 PWMÊä³ö
TIM_Cmd(TIM4,ENABLE);
}

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其中有一段误差修正。因为我是用的步进电机步数为1600步360°。当上位机输入1°的时候，程序控制转动4.44步。只能取整数。如果每次都转动4步，误差会累积，最后变得十分不准确。加入误差修正程序，可以使误差始终小于1°。

void DMA1_Stream0_IRQHandler(void)
{
if(DMA_GetITStatus(DMA1_Stream0,DMA_IT_TCIF0)==SET)
{
DMA_ClearFlag(DMA1_Stream0,DMA_IT_TCIF0);
if(--Stepper_Period)//¸ù¾Ýµ±Ç°µ÷ËÙ½×¶ÎÖØÐÂÅäÖÃDMA
{
if(Stepper_Mid_Steps<0)
{
Stepper_Mid_Steps = 0-Stepper_Mid_Steps;
DMA1_Stream0_CH2_Cmd(&TIM4_PWMDMA_Config,&Stepper_Stop_Buffer[Stepper_BufLen-Stepper_Mid_Steps],Stepper_Mid_Steps,DMA_MemoryInc_Enable);
Stepper_Period = 1;
}
else
{
if(2 == Stepper_Period)
DMA1_Stream0_CH2_Cmd(&TIM4_PWMDMA_Config,&Stepper_Run,Stepper_Mid_Steps,DMA_MemoryInc_Disable);
if(1 == Stepper_Period)
DMA1_Stream0_CH2_Cmd(&TIM4_PWMDMA_Config,Stepper_Stop_Buffer,Stepper_BufLen,DMA_MemoryInc_Enable);
}
}
else
{
DMA_Cmd(DMA1_Stream0,DISABLE);
TIM_DMACmd(TIM4,TIM_DMA_CC1,DISABLE);
TIM4 -> CCER &= ~(1<<0); //¹Ø±ÕTME4 PWMÊä³ö
flag_DMA1_Stream0_CH2 = 0;
}
}
}

复制代码

中断里进行调速阶段的切换。具体程序的细节请看附件吧。

硬件的连线。如前面文章中更新的，我是用的仍然是ModBus通讯。图中的黄绿线是和上位机的通讯线。我使用的步进电机有4根控制线，分别是脉冲+、脉冲-、转向+、转向-。

上位机输入100°，每5S钟发送一次。PS：请忽略通讯错误次数，那是调试的时候，暂停运行产生的

右下角是收到的数据，右侧显示任务栈使用量有点大，因为我设置的栈有点过小

可以看到实际PWM波形，两次波形之间的间隔为5.03S，是我们设置的5S通讯一次产生的

展开一点，可以看到步进电机脉冲密度。调速效果可以。带比较重的负载的时候可以降低启动频率，增长加速过程

2016-7-29 16:54:43

插入的代码，自动排版的有点乱，感兴趣的话，可以下载附件查看，代码会清晰很多

aming · 2017-10-12 22:03:41

谢谢提供例程，看过还是很完整！

许工 · 2017-11-8 21:50:13

谢谢分享。

许工 · 2017-11-8 21:50:37

谢谢分享。

Johnson · 2018-2-28 18:12:32

谢谢分享，学习学习。。。

LQH9249 · 2018-3-2 22:33:16

谢谢分享。

秦荣喜 · 2018-3-16 14:07:32

谢谢分享！

WAGN8012 · 2018-4-13 09:35:03

谢谢
谢谢提供例程，看过还是很完整！

孙秋海 · 2019-3-30 07:55:06

谢谢分享，学习学习。。。

曾屿辰 · 2019-4-24 15:26:22

谢谢分享，学习学习

一笑天下 · 2019-7-22 13:14:03

学习资料，谢谢分享

龙传 · 2019-9-12 11:34:05

谢谢楼主分享，里面的占空比能固定为50%吗？

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