课程设计 - 运动控制卡（云服务器)

文章目录

课程设计 - 运动控制卡（云服务器)
一、任务要求
二、准备了解
- 1. 主控选择
- 2. 步进电机
- 3. 步进电机驱动器
- - 1）使/失能引脚
  - 2）细分与 Pulse/rev
- 4. 运动控制卡
- 5. 功能或作用
- 6. 开关电源与网线接口
三、总体设计
- 1. 主控设计
- 2. 注意事项
- 3. 线性模组
- 4. 程序设计
四、总结

2021.06.18，今天课设答辩，昨晚肝到凌晨1:48左右。现在越来越对晚睡没什么概念了，特别是当熄灯权完全掌握在自己手上之后。

本笔记是对我的课设——《运动控制卡》 的总结。包含制作流程、教程、思路等。

一、任务要求

课设要求使用单片机制作运动控制卡，需要使用网线（以太网）接口通讯，实现功能是控制多轴步进电机，实现加减速走直线、弧线（含直线插补、圆弧插补）。同时需要预留限位开关等输入。
而我最后完成的有：网口通讯，而且侧重是联网，老师原本初意是想向工业用法看齐；控制多轴步进电机，实现加减速直线，预留限位输入开关。而插补是一点都没做。
其实运动控制的重点应该是插补计算，但我把重心放在了单片机联网通讯方面，还特意选了没用过的esp32作为主控芯片。所以如果专门想看运动控制、插补知识的人可以略过了，我这个设计并未用到插补知识，运动控制也是简单的恒定加减速。
我会尽可能的写详细思路。如果你是毫无头绪的小白，应该能帮到你。祝你阅读愉快。

二、准备了解

1. 主控选择

没有特别要求的同学其实可以选择传统的c51和stm32，但是c51可能单片机外设资源会不够，最近stm32又涨价疯狂（2021年6月18日）。（如果你不是和我一样选esp32，那下面关于单片机的部分都可以跳过了）我纯粹是因为想学一下没用过的esp芯片，经常在小破站看到一些人用esp芯片做小发明（小玩意）。
当我深入了解esp后，发现原来官方示例工程里已经自带了FreeRTOS系统，API库直接支持以太网协议，调用函数就可以用了。所以刚好切合了课设的题目，使用以太网通讯。另一个位同课题的同学则是用stm32F4制作，为了使用以太网接口，还移植了正点原子的例程。所以，如果题目要求中有联网/通讯等要求的话，还是推荐esp32的，毕竟esp32本身就专注无线开发方面（大概）。

我在学习esp32时记录很多笔记，点击我的专栏可以查看：Espressif学习笔记。

2. 步进电机

之前只接触过直流小电机，对步进电机完全没有概念，不知道怎么控制，还以为这种高电压（相对于直流的5v）电机使用时有什么特殊要求，后来查阅资料后才没那么“ 迷茫害怕 ”。在控制方面，（习惯上）直流电机的变速为保持频率改变占空比，而步进电机的变速为保持占空比改变频率。改变占空比也可以令步进电机转得更加快，但是那不符合控制理念，正常还是应该选择改变频率。
因为步进电机是根据脉冲个数转动的，即收到一个脉冲就转一个角度。某种程度上，粗略（能有0.01以上的精度，对普通人来说应该算精准了）的运动是可以连编码器都省去了，做到在一定行程内做点对点的来回运动。如果是直流电机，就一定需要编码器我才知道它转动了多少，直接给pwm得到的转速很不稳定，影响因素太多了。

推荐教程视频：脉冲输出指令PLSY，讲述怎么使用PLC控制步进电机，加深对于收到一个脉冲就转一个角度的理解。再者，收到是速度就决定了转动的速度。

注意步进电机上写着1.8°代表的就是一个脉冲转动的角度，所以就可以得到360/1.8 = 200，需要200个脉冲就可以转动一圈，再经过测量得到丝杠的螺距是5mm，所以一圈就是5mm。再换算一下就是1脉冲等于0.025mm。虽然实际会有误差积累，不过用起来感觉还是挺准的。而且每次到限位都算一次误差清零，所以在实际应用中步进电机就比较少带编码器。如果预设充足要精准，往往选择伺服电机。（老师说的）

3. 步进电机驱动器

推荐教程视频：步进驱动器，讲述驱动器怎么接线，对比直流电机，控制线从“双脉冲”变成了“脉冲+方向”，虽然直流电机也可以“脉冲+方向”。

1）使/失能引脚

除了方向引脚DR和脉冲引脚PU,还有使能引脚EN（虽然是上图写的是MF），或应该称为失能引脚。因为我用过两款驱动器都属于：EN引脚给 高电平/有效电平 时，电机不动，给低电平/无效电平时才动。（有/无效电平只是一种相对来说，为了避免混淆还是说高/低电平比较好）
控制器的引脚内部一般是类似三极管的结构，所以原理图以三极管示意代表引脚IO。如果如果单片机（控制器）的工作电压（引脚的输出电压）相比驱动器来说比较小，为了避免对单片机造成影响，一般都会加上一个限流电阻。同样也是为了保护驱动器内部光耦。
一开始我还不懂为什么驱动器的输入会有PU+和PU-之分，看了原理图，知道它内部有光耦后就瞬间明白了。为了谨慎，我选择再单片机和驱动器之间再接一个光耦。可以兼容单片机引脚的输入输出情况（当然还是要靠跳冒切换啦）

2）细分与 Pulse/rev

我一开始以为电机上标定的Pulse/rev就是指细分的意思，后来才知道细分 = Pulse ÷ 多少脉冲/圈（原电机），比如我设定Pulse = 6400，如果之前计算得到我用的步进电机是200脉冲/圈，那么细分就等于32。这么一想这个细分好像只是个定义名词，在我实际应用好像并不需要特别在意。因为Pulse就等于多少脉冲/转了，我编程的时候也只在意这个。
至于电机驱动如何做到改变电机“脉冲/转”，将一份步进量1.8°再细分32份的，理论一搜一大把。我只需要知道这个特性是由驱动器决定的，和步进电机无关。还有就是，细分越多误差越大，理解，毕竟白嫖了精度。

4. 运动控制卡

运动控制卡，就是指进行运动控制的一张卡状电路板。早期发展时运动控制卡是PCIE接口，类似显卡似的插在电脑的PCIE槽。不过最近几年貌似开始逐渐出现其他接口，比如以太网等。比起PCIE更加方便、耐用。毕竟现在不是每个人的电脑都是服务器电脑，有那么多pcie槽。而且pc主机发展越来越个性化，pcie被砍得只剩一两个了。所以以后这种非必须的pcie接口的设备应该会被逐渐替代。

5. 功能或作用

运动控制，专门指电机的运动控制。不同小车上的轮胎直流电机，是需要精准控制进给量的步进电机。普通人一般能想到的，应该就是工业上的机械手之类、或切割机器需要精准坐标那种，是不是呢？我也不知道……

我搜索到的直接应用，其实是用来控制线性模组，即直线导轨+步进电机。比如：各种机床平台、3D打印、雕刻机、写字机等，只有空间直线运动，没有空间旋转运动的。可能是我搜索方式不对。

写字机：你还在买一千多的写字机？三百多块DIY一个又快又稳的它不香吗？小白也能自己做！。

雕刻机：看咸鱼佬如何自制一台数控雕刻机。

3D打印机：800块做一台又大又快又稳的CoreXY结构3D打印机。

6. 开关电源与网线接口

普通的24伏直流开关电源，给驱动器供电。原本设想也给主控板供电的。我想着直接用一个AMS2940五伏稳压芯片来接开关电源。直接把稳压当降压用，因为看手册上写着这款芯片最高可输入60伏电压的。我测试时它也确实可以稳出5伏电压。但，我忽略了发热问题……如果AMS2940稳压直连开关电源，在一分钟内就发热到手都不能摸的程度了。

关于网口的相关内容移步到笔记：ESP32 单片机学习笔记 - 06 - （以太网）Ethernet转Wifi，有更加明了的描述。简单就说就是个通讯底层的通讯协议。esp32是直接支持LAN8720模块连接以太网的。所以这一步对我来说还是挺简单的。

三、总体设计

1. 主控设计

首先是重要的光电隔离部分，为了保护主控，所有输入输出信号口我都预留了光耦的接线。这些光耦没有直接连接单片机，为了可自主选择使用跳冒 + 排针的形式。

然后剩下的就是电源部分的稳压、交互部分的按键和屏幕、还有esp32模块和以太网接口模块。

原理图比较简单，本身就没多少内容，输入有：网口、按键、限位开关（预留，跳冒连接）、ADC（预留）；输出有：网口、PWM、屏幕（预留）、蓝牙（预留）。还有稳压和光耦。最后实物如下图。

接线说明：，右上角的黑色线是共地负极，因为主控板采取额外供电而不是和驱动共用开关电源。然后下面2个黑红组合分别是两电机的脉冲PU+方向DR组合。上面2个黄色则是电机的失能EN。（下图中，中间是电源共地，左右两个是电机接口。安利一下，这种接口很方便，省去扭螺丝插座的麻烦。）

2. 注意事项

我多加个一个USB2.0接口只是为了方便供电，没有信号功能。
引脚IO12属于Strapping 管脚中的MTDI引脚，该引脚在上电时不能是高电平，一定要拉低。不然下载程序会一直不成功，如果不下载程序好像还是正常用（我测试的结果）？在手册：ESP32 技术规格书 (PDF)中的2.4 Strapping 管脚有详细原因描述。我之前不知道所以画板时用作了按键输入，外接了上拉电阻……回来拆了就又可以正常下载程序了，如果不拆，而是选择每次下载程序都按下IO12按键使引脚接地下拉，应该也可以……
IO32和IO33只能作输入引脚，我一开始不知道就把它们预留作为PWM输出引脚了。回来在调试程序初始化引脚时，通过监视器看到程序报错了，提示该引脚不能作为输出，只能作为输入……监视器牛批……
关于屏幕的使用，同样是在esp32笔记中：ESP32 单片机学习笔记 - 02 - 软件IIC&硬件SPI，不过我没用到，因为初始化不成功……大概率就是IO32和IO33的锅。而且因为这款esp32引出引脚令人抓急的少，所以屏幕其实都被拿去做电机输出了，按键也只上下3个可用。

3. 线性模组

大体如下图，大伙先看看。

这套线性模组是有xy轴方向可移动，每轴上还配备3个限位开关传感器。我一开始以为这传感器是数字式的，即只会输出高低电平。后来听另一位调试的同学说是模拟式的，应该是运动平台挡住多少就会输出多少电压，电压在一个范围内变化。因为我的主控设计时没有考虑到比较器电路，直连单片机又怕烧坏，所以就没用到上面的限位开关。

比较特别的是这套线性模组居然是带编码器的，不过它的编码器是直接接到了驱动上，实现内闭环？（也不知道这样用对不对，是另一位同学接好的，我也没改。）还有一点，编码器的接口居然是用VGI接口，但是实际上也还是只用到了几根线而已。这接口就给我年代感十足。
有些驱动器上会要选择电机的启动电流，之前用过一款黑色的驱动器上是有的。上图中蓝色的这款没有。注意，如果有但没设置好，可能会驱动不了电机，找半天找不到问题，为什么电机不转之类的问题……
线接好，无误后，控制驱动器的信号引脚，就可以动啦~~简单粗暴。
注意，（我这套线性模组和驱动器的搭配下）如果工作平台移动过头，撞击边缘，驱动器会自动停止输出，然后亮红灯（进入保护）。退出保护的方式就是要将驱动器的失能引脚EN拉高（拉高是电机不动，拉低是电机动）。其实就是：电机运动时进入保护，关闭电机运动后就退出保护了。

4. 程序设计

基础单片机外设初始化等就略过了，在esp32专栏中详细说明：Espressif学习笔记。
关于网口通讯+云服务器搭建，在另一篇笔记中说明：ESP32 单片机学习笔记 - 08 - WebSocket客户端。
剩下的就是步进电机的控制了，思路如下：

累计电机的运动距离，相当于把起点作为原点建立坐标系，这样我就能实现指哪走哪的目标了。累计距离 = 角速度/每秒 * 中断时间，角速度的数据是我换算过的，所以最后计算得到的累计距离就是电机转动的圈数。我这套平台的单轴运动行程大概是20多转就到顶了。
计算下一次期望坐标，如果是走一定轨迹的话，就需要根据当前坐标，代入轨迹的运动方程中，计算下一次期望坐标（目标点坐标）。
判断运动状态，如果当前坐标距离目标坐标很近，又或是已经达到或超过了，就停止运动。反之就是判断需要正转还是反转。
判断下一次角速度输出，这是一个修bug的操作，是为了不要让电动机在目标点附近震动。但是这个写法还是很不理想（不起作用），应该使用插补来解决。（？）
最后电机输出。

/*==============================================================* @brief*          void.点对点运动，无加减速* @Note*          void.指定期望运动坐标和电机。*==============================================================*/
void Motor_coordinates(void)
{/* 保存运动状态 */int motor_run_o= motor_stop;/* 累加圈数/累计脉冲，绝对坐标，不会清零 */M.actual[0].c += M.actual[0].w * TIMER_PERIOD_MS / 1000;M.actual[1].c += M.actual[1].w * TIMER_PERIOD_MS / 1000;M.actual[0].c = FLOAT_DECIMAL(M.actual[0].c, 1000.0); // 保留3位小数M.actual[1].c = FLOAT_DECIMAL(M.actual[1].c, 1000.0);/* 计算下一次期望位置 */if (M.mods_cf == mods_b) // 只有在该标志位处于模式b时才计算Circle_coordinates();/* 判断运动状态 */for (int motor_n = 0; motor_n < 2; motor_n++){/* 加个限定差大小条件，为了避免单片机数据精度问题 */if (M.expect[motor_n].c > M.actual[motor_n].c && fabs(M.expect[motor_n].c - M.actual[motor_n].c) > 0.001) // 假设 角速度 不会小于 0.1，导致角度小于0.0001.motor_run_o = motor_run_H;else if (M.expect[motor_n].c < M.actual[motor_n].c && fabs(M.expect[motor_n].c - M.actual[motor_n].c) > 0.001)motor_run_o = motor_run_L;elsemotor_run_o = motor_stop;/* 判断下一次角速度输出 */if (motor_run_o == motor_run_H){M.actual[motor_n].w = 1; //添加判断，剩下的距离是否能满足速度要求，不能就按着距离算速度if ((M.expect[motor_n].c - M.actual[motor_n].c) * 1000 / TIMER_PERIOD_MS < M.actual[motor_n].w ){M.actual[motor_n].w  = (M.expect[motor_n].c - M.actual[motor_n].c) * 1000 / TIMER_PERIOD_MS;}}else if (motor_run_o == motor_run_L){M.actual[motor_n].w = -1;if ((M.expect[motor_n].c - M.actual[motor_n].c) * 1000 / TIMER_PERIOD_MS > M.actual[motor_n].w ){M.actual[motor_n].w  = (M.expect[motor_n].c - M.actual[motor_n].c) * 1000 / TIMER_PERIOD_MS;}}else if (motor_run_o == motor_stop)M.actual[motor_n].w = 0;}/* 两轴电机输出：上下 */mcpwm_set_hz_a(M.actual[0].w);mcpwm_set_hz_b(M.actual[1].w);
}

其他程序内容不那么重要，就不细说了，都是写简单的单片机功能实现。我会把工程分享到github上，感兴趣的自己看看吧。（不建议）

分享个我找了好久的bug：使用浮点数时，一定一定不能判断是否等于，就算截取小数位也没用。因小数点的精度已经不满足。只能判断范围大小，如果要用判断就必须判断整数。避免精度问题。

四、总结

两个星期的课设，前一个半星期都学esp32和搭建云平台，最后2天不到的时间才开始写电机的运动控制，所以我就没实现插补。之后有机会再了解吧，现在比较对无线、联网方面感兴趣一点。
Github项目链接：lovely-him/Motion_control_card_server，包含pcb工程、云平台工程、esp32代码，全部资料。还有些其他笔记分布在我的专栏里。有兴趣的自行查找，感谢阅读。

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一、任务要求

二、准备了解

1. 主控选择

2. 步进电机

3. 步进电机驱动器

1）使/失能引脚

2）细分与 Pulse/rev

4. 运动控制卡

5. 功能或作用

6. 开关电源与网线接口

三、总体设计

1. 主控设计

2. 注意事项

3. 线性模组

4. 程序设计

四、总结

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2. 步进电机

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1）使/失能引脚

2）细分 与 Pulse/rev

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2. 注意事项

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