STM32：F407步进电机S形加减速算法的实现

本文主要实现S形加减速算法。

更新（22-06-18）

正点原子官6月17日新上线了《电机控制专题例程》，可以免费下载和观看，正点原子STM32点击应用控制系列教程。
我已经详细地看了一遍正点原子官方有关梯形加减速、S形加减速的例程，他们写的更加有逻辑性，我会按照他们例程对我的程序进行修改。

问题补充（22-06-09）

感谢csdn105GUODAO的提问，有关于输出比较模式下寄存器ARR的值的作用，以及为什么ARR要设置为0xFFFF？

下面是我找到的原因，供大家参考交流，如有错误欢迎指出。

首先应用的是定时器的输出比较模式，例程使用的是TIM3的通道1，针对TIM4_CCMR1寄存器位[6:4] OC1M = 011，即翻转模式，当TIMx_CNT = TIMx_CCR1时，OC1REF发生翻转；
其次，在定时器中断程序中，查询的标志位宏定义 TIM_IT_CC1，也就是TIM4_SR 状态寄存器中位[1] CC1IF，答案我认为就在这一位的功能描述中，如下图（取自《STM32F4xx中文参考手册》P430）
如果大家能够理解中断程序中下面这两句话的作用，就是不断地更新CCR1的值；

 X_TIM_Count = TIM_GetCapture1(TIM3);TIM_SetCompare1(TIM3, (u16)(X_TIM_Count + X_TIM_Pulse));

基于以上几点，我对这段说明的理解是，使用输出比较模式的翻转模式，若ARR不设置为0xFFFF，有可能会因为CCR1大于ARR的值使CC1IF位被意外置1；而设置了ARR=0xFFFF就不会出现这种情况。

原理/思路

步进电机有启动频率这一概念。在启动时有一个最大启动频率，在低于最大启动频率的速度下开始运行，然后通过逐渐加速而达到较高的运行速度，减速亦然。
S形加减速算法，也可以通过提前设置速度表或通过输入参数计算出速度表，这两种方式来实现。上一篇梯形加减速算法中我提前设置的速度表，所以这篇我将通过计算的方式得到速度表。
S形加减速算法的原型是Sigmoid函数，这部分理论 “pengzhihui2012”的步进电机S型曲线加减速算法与实现.中讲解得比较详细，也感谢这篇文章的作者。我也是主要基于这篇文章做了一个复现。

代码实现

X_Step_Motor.h和X_Step_Motor.c，是一个步进电机的控制。
X_Step_Motor.h:

#ifndef __X_STEP_MOTOR_H
#define __X_STEP_MOTOR_H#include "sys.h"
#include "math.h"             // exp()
#include <stdio.h>
#include "delay.h"// Motor Parameter
typedef struct{float X_Step;float X_Fre_Min;float X_Fre_Max;float X_Jerk;
}X_SpeedList_TypeDef;
#define     X_TIM3_FREQ                     (84000000 / X_TIM3_Prescaler)       // 2MHz
#define     X_TIM3_Pulse                    (X_TIM3_FREQ / 500)
#define     X_Accel_Step                    100.0f
#define     X_SpeedList_LEN                 ((u8)X_Accel_Step)
#define     X_FREQ_MIN                      500.0f
#define     X_FREQ_MAX                      5000.0f
#define     X_JERK                          4.0f// Motor State
#define     X_ACCEL                         1                       // acceleration
#define     X_COSTT                         2                       // constant
#define     X_DECEL                         3                       // deceleration
#define     X_UNIFM                         4                       // uniform
#define     X_STOP                          0                       // stop#define      TRUE                            1
#define     FALSE                           0// X - TIM3: CH1 - PA6, DIR - PA7
#define     X_TIM3_Prescaler                42
#define     X_TIM3_Period                   0xFFFF
#define     X_TIM3_IRQHandler               TIM3_IRQHandler// Calculate
void X_Calculate_SpeedList(u32 X_PulseNum);// X
void X_GPIO_Init(void);         //GPIO
void X_TIM3_Config(void);       // TIM
void X_PWM_S_Output_Left(void);
void X_PWM_S_Output_Right(void);
void X_Uniform_Output_Left(u32 X_PulseNum);
void X_Uniform_Output_Right(u32 X_PulseNum);
void X_Stop(void);
void X_TIM3_IRQHandler(void);#endif /* __X_STEP_MOTOR_H *//****************************END OF FILE****************************/

X_Step_Motor.c:

/**
******************************************************************************
* @file    X_Step_Motor.c
* @author  SieYuan
* @version V1.0
* @date    2021-01-19
* @brief   反转电平输出脉冲，输出固定脉冲数的PWM波STM32F407  84MHz！  高级定时器 168MHz
******************************************************************************
*/
#include "X_Step_Motor.h"
X_SpeedList_TypeDef X_Speed;u32 X_Step_Position = 0;           // 当前位置
u8  X_Motion_Status = 0;           // 0:停止，1:加速，2:匀速，3:减速
float X_Fre_List[X_SpeedList_LEN];          // 频率列表
u16 X_Toggle_Pulse[X_SpeedList_LEN];        // 频率对应的脉冲个数
u32 X_CosTTNum = 0;                            // X 匀速阶段的脉冲个数/******************** X - GPIO *********************/
void X_GPIO_Init(void)
{GPIO_InitTypeDef   GPIO_InitStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd( RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);RCC_AHB1PeriphClockCmd( RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);// GPIOA A6GPIO_PinAFConfig( GPIOA, GPIO_PinSource6, GPIO_AF_TIM3);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;     // TIM3_CH1 - PA6GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;      // 复用GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;      // 推挽复用输出GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;          // 上拉GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);// GPIOA A7GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;          // 输出GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;  GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;           GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}/******************** X - TIM3 *********************/
void X_TIM3_Config(void)
{TIM_TimeBaseInitTypeDef        TIM_TimeBaseStructure;// 时钟频率设置TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = X_TIM3_Prescaler - 1;TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = X_TIM3_Period;TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInit( TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);TIM_OCInitTypeDef      TIM_OCInitStructure;// 设置工作模式TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_Toggle;           // 比较输出模式，反转输出TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = X_TIM3_Pulse / 2;         // 让第一个脉冲是500HzTIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;   // 使能比较输出                   TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;           // 输出极性TIM_OC1Init( TIM3, &TIM_OCInitStructure);                // 初始化TIM_OC1PreloadConfig( TIM3, TIM_OCPreload_Disable);       // CH1预装载使能，修改   NVIC_InitTypeDef    NVIC_InitStructure;NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;NVIC_Init( &NVIC_InitStructure);
}
/*** 函数功能：速度表计算函数* 输入参数：fre_List[], 各个步的频率数组*         toggle_pulse[], 对应频率的Period*            step[], 变速过程中步数要求， 实际加减速阶段总步数 = 1 + 2 * step = 101*           fre_min - 初始频率，Hz / step/s*           fre_max - 最高频率，Hz / step/s*         jerk, S型的平滑程度，越小越平滑* 说    明：根据速度曲线和加速时间，将数据密集化，即计算每一步的速度值，并存放在内存中。*           这里采用的数学模型是匀变速直线运动，加加速-减加速-匀速-加减速-减减速。
**/
void X_Calculate_SpeedList(u32 X_PulseNum)
{u8 i_x = 0;X_Speed.X_Step = X_Accel_Step;X_Speed.X_Fre_Min = X_FREQ_MIN;X_Speed.X_Fre_Max = X_FREQ_MAX;X_Speed.X_Jerk = X_JERK;float num_x;                                       // 其实是整数float molecule_x;               // 公式分子float denominator_x;     // 公式分母num_x = X_Speed.X_Step / 2;
//  step = step + 1;          // 有一个起始频率，现在用的就是50步。molecule_x = X_Speed.X_Fre_Max - X_Speed.X_Fre_Min;X_CosTTNum = X_PulseNum - (2 * X_Speed.X_Step + 1);for (i_x = 0; i_x < (u8)X_Speed.X_Step; i_x++){denominator_x = 1.0f + (float)exp(-X_Speed.X_Jerk * (i_x - num_x) / num_x);X_Fre_List[i_x] = X_Speed.X_Fre_Min + molecule_x / denominator_x;X_Toggle_Pulse[i_x] = (u16)(X_TIM3_FREQ / X_Fre_List[i_x]);//printf("%d step: frequency: %.2f, pulse:%d.\r\n", i_x, X_Fre_List[i_x], X_Toggle_Pulse[i_x]);}
}void X_PWM_S_Output_Left(void)
{X_Step_Position = 0;X_Motion_Status = X_ACCEL;GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_7);delay_us(100);GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_7);delay_us(125);   //  > 125usX_TIM3_Config();TIM_ClearITPendingBit( TIM3, TIM_IT_CC1);TIM_ITConfig( TIM3, TIM_IT_CC1, ENABLE);TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}void X_PWM_S_Output_Right(void)
{X_Step_Position = 0;X_Motion_Status = X_ACCEL;GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_7);delay_us(100);   GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_7);delay_us(125);      //  > 125usX_TIM3_Config();TIM_ClearITPendingBit( TIM3, TIM_IT_CC1);TIM_ITConfig( TIM3, TIM_IT_CC1, ENABLE);TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}void X_Uniform_Output_Left(u32 X_PulseNum)
{X_Step_Position = 0;X_Motion_Status = X_UNIFM;X_CosTTNum = X_PulseNum;GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_7);delay_us(100);GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_7);delay_us(125);   //  > 125usX_TIM3_Config();TIM_ClearITPendingBit( TIM3, TIM_IT_CC1);TIM_ITConfig( TIM3, TIM_IT_CC1, ENABLE);TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}void X_Uniform_Output_Right(u32 X_PulseNum)
{X_Step_Position = 0;X_Motion_Status = X_UNIFM;X_CosTTNum = X_PulseNum;GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_7);delay_us(100);   GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_7);delay_us(125);     //  > 125usX_TIM3_Config();TIM_ClearITPendingBit( TIM3, TIM_IT_CC1);TIM_ITConfig( TIM3, TIM_IT_CC1, ENABLE);TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}void X_Stop(void)
{TIM_Cmd(TIM3, DISABLE);        // 关闭定时器TIM_ITConfig( TIM3, TIM_IT_CC1, DISABLE);X_Step_Position = 0;X_Motion_Status = X_STOP;
}/******************** X - IRQ *********************/
void X_TIM3_IRQHandler(void)
{u16 X_TIM_Count = 0;static u8 j_x = 0;volatile static float X_TIM_Pulse = (X_TIM3_Pulse / 2);           // 第一个脉冲 500Hzif (TIM_GetITStatus( TIM3, TIM_IT_CC1) != RESET){TIM_ClearITPendingBit( TIM3, TIM_IT_CC1);       // 清楚中断标志位X_TIM_Count = TIM_GetCapture1(TIM3);j_x++;if (j_x == 2){j_x = 0;if (X_Motion_Status == X_ACCEL){X_Step_Position++;if (X_Step_Position < X_SpeedList_LEN){X_TIM_Pulse = X_Toggle_Pulse[X_Step_Position - 1] / 2;   // -1}else{// 加速阶段第50步，配置好下一个状态X_TIM_Pulse = X_Toggle_Pulse[X_Step_Position - 1] / 2;     if (X_CosTTNum > 0){X_Motion_Status = X_COSTT;}else{X_Motion_Status = X_DECEL;}X_Step_Position = 0;}}else if (X_Motion_Status == X_COSTT){X_Step_Position++;      // 当前将要执行的步数 Step_Position - 1 是已经执行的步数X_TIM_Pulse = X_Toggle_Pulse[X_SpeedList_LEN - 1] / 2;if (X_Step_Position == X_CosTTNum){X_Motion_Status = X_DECEL;X_Step_Position = 0;}}else if (X_Motion_Status == X_DECEL){X_Step_Position++;if (X_Step_Position < (X_SpeedList_LEN + 1)){X_TIM_Pulse = X_Toggle_Pulse[X_SpeedList_LEN - X_Step_Position] / 2;}else{TIM_ITConfig( TIM3, TIM_IT_CC1, DISABLE);TIM_Cmd(TIM3, DISABLE);        // 关闭定时器X_Step_Position = 0;X_Motion_Status = X_STOP;}}else if (X_Motion_Status == X_UNIFM){X_Step_Position++;if (X_Step_Position < X_CosTTNum){X_TIM_Pulse = X_TIM3_Pulse / 2;}else{TIM_ITConfig( TIM3, TIM_IT_CC1, DISABLE);TIM_Cmd(TIM3, DISABLE);     // 关闭定时器X_Step_Position = 0;X_Motion_Status = X_STOP;}}}}TIM_SetCompare1(TIM3, (u16)(X_TIM_Count + X_TIM_Pulse));
}/****************************END OF FILE****************************/

main.c

/**
**************************************************************************************
* @file    main.c
* @author  SieYuan
* @version V1.0
* @date    2021-01-19
* @brief   实现  S 形加减速算法
**************************************************************************************
*/
#include    "stm32f4xx.h"
#include    "sys.h"
#include    "led.h"
#include    "key.h"
#include    "exti.h"
#include    "delay.h"
#include    "X_Step_Motor.h"int main(void)
{/* 程序初始化：对【LED】【KEY】【EXIT】【USART】*/LED_Init();KEY_Init();EXTIx_Init();X_GPIO_Init();delay_init(168);X_Calculate_SpeedList(300);X_PWM_S_Output_Left();while(1);
}
/****************************END OF FILE****************************/

实现效果

小结

以上就是S形加减速算法的简单实现。此段代码，加速/减速过程为100步，每个频率走1步。这个部分可以通过调整宏定义进行修改。
我这里使用的是TIM3，如果是使用TIM1\TIM8等高级定时器，注意在配置定时器时添加下面这句，详细可查看 STM32：F103/F407定时器主从模式输出精准脉冲个数.一文中后面的部分。

TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;

CSDN下载链接: STM32：F407步进电机S形加减速算法的实现。

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