51单片机控制双步进电机的魔法师思想

嵌入式ARM 2022-09-08 12:01

01

背景与介绍


步进电机是一个用数字来控制运动的数字化电机,特别适用于精准控制场合。今天,我们将通过步进电机控制云台准确定位转动的应用,详细讲解一下对步进电机运动的控制。


首先,云台通过一个摇杆控制器进行控制,速度分为0~63。其中,0即为停止,63即为最快速度。该产品模型,如图1所示:


图1:云台控制模型

在控制逻辑上,这里使用的方案是一片2051作为步进电机驱动,一片80C5x作为主控芯片实现产品功能,从而形成了一个双机系统,如图2所示:

图2:云台双机控制系统

双机通信口线定义如下:

sbit Cdata    = P?^?;       // ->2051sbit Cctrl    = P?^?;        // -INT0sbit Crclk    = P?^?;sbit Ctclk    = P?^?;

02

分析与对策


我们都知道,51单片机的客观条件不怎么好。


首先是工作频率较低。传统的51单片机是12T机,也就是说,执行一条指令的速度是1/12主频,即12M的晶振执行指令的速度只有1M。当然,后来出了一些变种51单片机是1T机,大部分指令速度是1T的,无论这个大部分有多大概率,至少执行速度是提高了不少。


这里采用的就是1T机,因为这款产品实际上有两个步进电机,如果单片机速度太慢,有很多产品功能就无法流畅实现。要充分利用JBC指令来实现判断跳转,这条指令对应的C语言语句是_testbit_(abitvar)。不能小看这一点点的节省,这对一个功能复杂、运行速度敏感的产品来说非常重要!


其次是定时器数量少,单次计时时间短。作为一个产品的主控芯片,因为51单片机是8位机,定时器资源也非常紧缺,所以本产品利用了定时器0的模式3,将定时器0一拆为二,变成了两个不能自动重载的8位定时器(此时原定时器1只能作为波特率发生器<这也正是我们需要的>,原定时器1的寄存器都作为定时器0的第二个定时器<新定时器1>的控制寄存器,一旦启动,无法更改)。


因为这种模式一旦启动,后期不能进行修改。所以,为了极大地减少指令数量,可将这两个定时器工作于伪重载的模式下。即当定时器计数寄存器溢出为0后,直接将这个0作为重载数据,从而避免通过命令进行重载。对于一个反复运行的代码来说,精简一条指令的收益是不容小觑的。


定时器初始化代码如下:


setBaud(BaudID);        // 先初始化定时器1作为波特率发生器

第三是内存资源很有限。变种的51单片机有一个神奇的现象,那就是代码存储器容量足够大,而RAM(即使用MOV来访问)却依然很少,片内扩展的外部存储器(即使用MOVX来访问)执行时耗又比较大。所以,将好钢用在刀刃上就变得非常重要了,甚至我们经常还需要用代码来换取RAM的节约使用。


03

编程魔法师观点


编程魔法师的观点,就是要面向对象处理。也就是后面使用步进电机时,不能夹带控制代码,只能设置设置参数(属性)、调用调用动作(函数)。


为了减少生涩的说明,这里直接用云台自检为例简要说明。云台x轴自检过程,如图3所示:


图3:自检流程

光电管口线定义:

sbit Pos0x    = Px^?;        // x光电管信号

我们先来看一下自检的代码:


voidSelfChk(void){       Pscx= (Pos0x)?0:1;      while(fx)      {       WDI = !WDI;      // ******** 喂狗 ********
       if(NdCtrlx)        {            NdCtrlx = 0;         if(fx)         {                   Pscx++;                   switch(Pscx)                   {                            case  2: xRun321(0,CVauto,CWavoid);                                        Sx = 0;                                        xRun();                                        break;                            case  1: Pscx = 3;                            case  3: Sx = 0;                                        xRun321(1,CVauto,0xFFFF);                                     xRun();                                        break;                            case  5: CSmaxx1 = Sx;                            case  4: Sx = 0;                                        break;                            case  6: CSdelta = Sx - 1;             // 自检确定光电管宽度                                        fx = 0;                                        xStop();                 }         }        }      }}

从自检代码中,我们可以看出,对步进电机的控制只使用了一些方法(函数/宏)。这是一种撸码的较高境界,即代码与日常语义贴近。


接下来,我们再看一下步进电机的方法代码:


/*--------------------------------------------------------  功能:x方向运动预备           填入目标Sendx、速度Vobj、运行方向mmd  参数:o1: 运行方向           o2: 目标速度           o3: 目标行程--------------------------------------------------------*/#definexRun321(o1,o2,o3)  {mmdx = o1;\                                       mmCmdx =((o2)>CVmax)?CVmax:o2;\                                       mmSx =o3; mmcx = 1;\                                     }
/*--------------------------------------------------------  功能:x方向运动开始           调用之前要确认目标Sendx、速度Vobj、运行方向mmd--------------------------------------------------------*/void xRun(void){      if(TR0) return;      TL0    = CT2Vooo; // 进入运行的时间      NdCtrlx = 0;      TR0    = 1;}
/*--------------------------------------------------------  功能:x方向运动停止--------------------------------------------------------*/#define xStop(){mmCmdx = 0x40;mmcx = 1;}

很显然,通过控制步进电机的运行参数设置、步进电机的起与停,符合我们的日常控制习惯,这就是工程学与实际应用完美统一的境界。


04

步进电机运动控制策略


控制步进电机运动有两种方式:一种是速度控制方式,另一种是终点控制方式。


速度控制方式是指在实时控制时,只有目标速度,没有目标位置的控制方式。这种控制具有随意性,它可能是从一个速度到另一个速度的变化,也可能是保持某个速度的运动;而速度的变化可以是增速,也可以是减速;一个速度与另一个速度可以是0,也可以不是0(如图4所示)。


图4:速度控制中的速度变化

目标控制方式是指在**了预存点坐标的再现控制时,读出当前运行的目标终点坐标并以一定的速度走到该点的控制方式。这种控制目标确定,运行速度确定,对运动的控制要求就是走位精确(如图5所示)。

图5:终点控制的速度行程曲线

确定了步进电机控制策略后,我们就需要不断扫描步进电机的控制策略,一旦出现变化,我们就立即响应。这些在时间上的微分控制用程序来实现我们利用定时器,这样做的好处就是时间微分量能够得到保证,时间微分量的均匀性也能够得到保证,从而在体验上获得一种稳定的感觉。

其实,这种需求就是一种确定的、机械的需求,我们可以将其整合到步进电机运动的定时器中去。这样一来,我们就能得到一个步进电机微分控制逻辑图了(如图6所示)。

图6:步进电机控制微分流程图

05

代 码


我知道很多小伙伴不喜欢啰嗦、只喜欢代码,所以这里就不多说了,大家直接复制代码就行了。


定时器0(x电机)的ISR如下:


voidTimer0(void) interrupt 1 using 1{      static UINT  data Dis=0;              //剩余行程      static bit        D=0;                  //运动方向      static UCH   data Vend=0;           //目标速度      static UCH   data V=0;                      //当前速度      static UCH   data lps=0;              //定时器延时倍率计数器      static bit        Wavoid=0;      //--------------------------------------------------------------------------------      if(_testbit_(mmcx))            // 存在立即执行命令      {           switch(mmCmdx)           {                 case 0x40:  // 停止                                  if(Dis>V)Dis = V;                                 Vend= 0;                                  mmCmdx = 0x00;                                  break;                 default  :   // 开始命令解释: mmcx = 0 表示速度变化,其他命令必须mmcx = 1                                  if(V&&(D!=mmdx)) // 如果速度大于0反向则执行减速到自动停止                                  {                                       if(Vend){Dis= V; Vend = 0;}                                  }                                  else                                  {                                       D = mmdx;                                       Vend = mmCmdx;                                       Sendx =mmSx;                                       if(Sendx<(CSmaxx1))                                             Dis= (fx)?(Sendx -Sx):((D)?((Sendx>=Sx)?(Sendx-Sx):(CSmaxx1-Sx+Sendx)):((Sendx<=Sx)?(Sx-Sendx):(CSmaxx1-Sendx+Sx)));                                       else                                             Dis= 0xFFFF;                                  }                                  if(!Dis)StopRunx();                                 if(!lps) lps = CT2Vooo; //以最快速度进入第一步           }      }      // 运行处理      if(++lps) return;                     // 延长定时器定时时间,lps自增到溢出(==0)才进行一次运动运动处理      SendMx();                   //根据当前方向运动一步      NextPx();                    //求下一个圆周坐标Sx,以及剩余行程Dis(行程不能大于等于最大圆周坐标,自动计算近距离及方向到达目标)      WidAvd();                   //光电管处同步处理(自检正方向从未遮挡到遮挡处为0,从遮挡到未遮挡处为光电管宽度,反方向倒着处理)      NxtxAn();                    //求下一个速度参数}

步进电机走一步代码如下(此处代码根据硬件确定,以下仅供参考):


#define SendMx(){\                            Cctrl = 1; Cdata =0; Cctrl = 0; \                            Cctrl = 1; Cdata =!D; Cctrl = 0; \                       }

步进电机走一步后坐标与行程处理的代码如下:


#define NextPx(){\                            if(fx)\                            {\                                  Sx++;\                            }\                            else\                            {\                                  if(D)\                                  {\                                       Sx++;\                                       if(Sx>=CSmaxx1)Sx = 0;\                                  }\                                  else\                                  {\                                       if(Sx)Sx--; else Sx = CSmaxx1 - 1;\                                  }\                            }\                            if(Dis &&(Dis<(CSmaxx1))) Dis--;\                        }

每次检测到光电管后同步处理的代码如下:


#define WidAvd(){\                            if(Wavoid)\                            {\                                  if(Pos0x)\                                  {\                                       Wavoid =0;\                                       if(fx)if(Pscx==5) NdCtrlx = 1;\                                  }\                            }\                            else\                            {\                                  if(!Pos0x)\                                  {\                                       Wavoid =1;\                                       if(fx)\                                       {\                                             if((Pscx==3)||(Pscx==4))NdCtrlx = 1;\                                       }\                                       else\                                       {\                                             Sx= (D)?0:CSdelta;\                                       }\                                  }\                            }\                       }

步进电机走一步后速度处理的代码如下:


#define NxtxAn(){\                            if(Dis)\                            {\                                  if(Dis>V)\                                  {\                                       if(V                                       {\                                             V++;\                                       }\                                       else\                                       {\                                             if(V>Vend)V--;\                                       }\                                  }\                                  else\                                  {\                                       V--;\                                  }\                                  lps = CxT2Vmin+ V;\                            }\                            else\                            {\                                  StopRunx();\                            }\                       }

06

相关问题与处理方法


1、由于步进电机是一种电转换率很低的设备,因此,当负载与输出功率出现矛盾时,一定要保证设备不能出现失步,尽可能降低负载影响是重中之重。例如,减轻负载质量、降低负载运动阻力等,都是很重要的工作。


2、选择铜耗铁耗低的步进电机,是在体积一定的情况下提高步进电机带载能力的优选方案,如果你能接受这样做带来的成本增加的话。


3、速度突变容易导致步进电机失步,这主要是“既想步进电机小,又想步进电机快”导致的步进电机功率跟不上速度变化。在不提高步进电机功率的前提下,利用合适的加速曲线能一定程度上抑制失步。


4、光电管位置同步,是避免步进电机控制时,因机械误差导致数位累积误差的有效办法。由于这种误差通常只会在整周转动时产生累积,因此只要在每次经过零位光电管时进行一次同步即可消除。


5、对于计算时出现位置速度偏差的处理方法是,当到达指定目标前速度按加减速曲线应该变为0时,保持速度1不变,直到到达终点。当到达指定目标时速度按加减速曲线计算无法到达0时,到达终点时速度直接降为0。


尽管这种处理看起来不太合理,但这种偏差在运算出现±1误差时进行强制修正,实际造成的影响可以忽略不计。


6、如果出现步进电机在某个速度时抖动特别厉害(电机运行声音明显变大),可以通过改变负载结构与质量的方式修改产品的固有谐振频率,以避开结构共振点造成的抖动。

好了,以上就是今天分享的所有内容了,如果有需要查看原图和代码的小伙伴,请点击底部“阅读原文”进行下载。


END

作者:yyy71cj
来源:21ic论坛

版权归原作者所有,如有侵权,请联系删除。

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