第07章梯形算法电机控制

约 2009 字大约 7 分钟

2026-01-26

7.1 问题与策略

步进电机通过脉冲信号控制转速，但直接高速启动或停止会导致堵转（电机卡死）或丢步（转动不精准）。其核心原因是高频脉冲下电机内部反向电动势阻碍转子响应，且负载惯性与扭矩限制瞬时加速能力。因此需采用渐变脉冲频率的加减速策略：

加速阶段：从低于电机启动极限的基础频率开始，逐步提升脉冲频率。

恒速阶段：保持稳定频率运行；

减速阶段：逐步降低脉冲频率，避免惯性过冲。加减速算法需匹配电机矩频特性（输出扭矩随频率下降），常见曲线包括直线（梯形）、指数、S型，其中S型曲线通过平滑加速度减少机械冲击，适用于高精度场景。

加减速控制策略对比表

控制类型	原理	优点	缺点	适用场景
梯形加减速	脉冲频率线性增减，加速度恒定	控制简单，计算量小	高速时易因扭矩不足失步，机械冲击明显	轻负载、快速定位（3D打印机）
S型曲线加减速	加速度平滑变化，减少启动/停止时的加速度突变	机械冲击小，定位精度高，抑制共振	算法复杂，需高算力支持	高精度、重负载（CNC机床）
闭环控制	通过编码器反馈实时调整脉冲频率，结合PID算法补偿误差	抗干扰强，精度高，适应负载变化	成本高，系统复杂度增加	高动态响应场景（自动化产线）

7.2 梯形算法

7.3 开发实现

① 流程图

② 代码

Int_Motor.h

修改后如下：

#ifndef __INT_MOTOR_H__
#define __INT_MOTOR_H__

#include <math.h>

#include "gpio.h"
#include "tim.h"

#include "Com_Global.h"
#include "Com_Debug.h"

// 宏定义：加速度
#define MOTOR_ACC_SPEED 40000.0f

/**
 * @brief 启动电机
 * 
 */
void Int_Motor_Start(void);

/**
 * @brief 停止电机
 * 
 */
void Int_Motor_Stop(void);

/**
 * @brief 设置电机速度
 * 
 */
void Int_Motor_SetSpeed(void);

/**
 * @brief 获取已经旋转的角度
 * 
 */
void Int_Motor_GetCurrentAngle(void);

/**
 * @brief 获取当前速度，单位转/分
 * 
 */
void Int_Motor_GetCurrentSpeed(void);


/**
 * @brief TIM1更新中断触发后被调用的函数
 * 
 */
void Int_Motor_UpdateCallback(void);


#endif /* __INT_MOTOR_H__ */

Int_Motor.c

修改后如下：

#include "Int_Motor.h"

// 定义静态全局变量：保存电机已经旋转角度对应的ITM1更新周期数
static uint32_t gs_current_angle_update_periods = 0;
// 定义静态全局变量：保存电机目标旋转角度对应的TIM1更新周期数
static uint32_t gs_target_angle_update_periods = 0;

// 定义静态全局变量：保存电机目标速度对应的TIM1更新周期数（周期数/s）
static uint32_t gs_target_speed_update_periods = 0;
// 定义静态全局变量：保存电机当前速度对应的TIM1更新周期数（周期数/s）
static uint32_t gs_current_speed_update_periods = 0;

// 定义静态全局变量：保存加速度所需时间（用周期数表示）
static uint32_t gs_acc_speed_update_periods = 0;
// 定义静态全局变量：保存是否需要匀速阶段, 1表示需要；0表示不需要
static uint8_t gs_need_const_speed_stage = 0;

// 静态函数：计算加速度所需时间（用周期数表示）
static void Int_Motor_CalcAccSpeedUpdatePeriods(void)
{
    /*
     公式： V1? - V0? = 2as
     计算s;
     s = (V1? - V0?) / 2 / a
    */
    gs_acc_speed_update_periods = (gs_target_speed_update_periods * gs_target_speed_update_periods - gs_current_speed_update_periods * gs_current_speed_update_periods) / 2 / MOTOR_ACC_SPEED;
    printf("加速度所需周期数：%d\n", gs_acc_speed_update_periods);

    // 判断是否需要允许阶段； 如果加速度所需周期数大于等于总周期数的一半，不需要匀速阶段
    if (gs_acc_speed_update_periods >= gs_target_angle_update_periods / 2)
    {
        gs_need_const_speed_stage = 0;
    }
    else
    {
        gs_need_const_speed_stage = 1;
    }
}

// 静态函数：实时更新速度
static void Int_Motor_UpdateSpeed(void)
{
    // 定义变量，保存下一个速度
    uint32_t v1 = 0;

    // 加速阶段: 已经旋转的周期数小于加速度所需周期数
    if (gs_current_angle_update_periods < gs_acc_speed_update_periods)
    {
        // 公式：V1? - V0? = 2as； 这里s取1，该函数一个周期调用一次
        v1 = sqrt(2 * MOTOR_ACC_SPEED * 1 + gs_current_speed_update_periods * gs_current_speed_update_periods);
    }

    // 匀速阶段：条件1：已经旋转的周期数 >= 加速所需周期数； 只要能执行到else，该条件一定是满足的
    //          条件2: 剩余周期数 > 减速所需周期数(等于加速所需周期数)
    //          条件3：需要匀速阶段
    else if (gs_target_angle_update_periods - gs_current_angle_update_periods > gs_acc_speed_update_periods &&
             gs_need_const_speed_stage)
    {
        // 匀速阶段，速度保持不变
        v1 = gs_target_speed_update_periods;
    }

    // 减速阶段
    else
    {
        // 公式： V0? - V1? = 2as； 这里s取1，该函数一个周期调用一次
        v1 = sqrt(gs_current_speed_update_periods * gs_current_speed_update_periods - 2 * MOTOR_ACC_SPEED * 1);
    }

    // 限制V1范围
    if (v1 > gs_target_speed_update_periods)
    {
        v1 = gs_target_speed_update_periods;
    }
    else if (v1 < MIN_TARGET_SPEED * 3200 / 60)
    {
        v1 = MIN_TARGET_SPEED * 3200 / 60;
    }

    // 更新当前速度
    gs_current_speed_update_periods = v1;
    //printf("Speed:%d\n", gs_current_speed_update_periods);


    // 设置TIM1的自动重装载值
    __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim1, 1000000 / gs_current_speed_update_periods - 1);
}

/**
 * @brief 启动电机
 *
 */
void Int_Motor_Start(void)
{
    // 1. 设置电机的旋转方向，目标角度是正数，设置为顺时针；目标角度是负数，设置为逆时针
    if (g_target_angle > 0)
    {
        // 设置 MOTOR_DIR 为高电平
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_DIR_GPIO_Port, MOTOR_DIR_Pin, GPIO_PIN_SET);
    }
    else
    {
        // 设置 MOTOR_DIR 为低电平
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_DIR_GPIO_Port, MOTOR_DIR_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    }

    // 2. 将目标速度(转/分)转换为对应的周期数(周期数/秒)
    gs_target_speed_update_periods = g_target_speed * 3200 / 60;
    // 3. 设置最小速度作为当前速度（初始速度）; 在转为对应的周期数
    g_current_speed = MIN_TARGET_SPEED;
    gs_current_speed_update_periods = g_current_speed * 3200 / 60;
    // 4. 设置TIM1的自动重装载值
    __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim1, 1000000 / gs_current_speed_update_periods - 1);

    // 5. 计算目标角度对应的TIM1更新周期数
    gs_target_angle_update_periods = fabs(g_target_angle) / 360 * 3200;
    // 6. 清零已经旋转的角度对应的ITM1更新周期数
    gs_current_angle_update_periods = 0;

    // 7. 计算加速度所需时间（用周期数表示） ！！！这一步一定一定一定要等待计算完gs_target_angle_update_periods
    Int_Motor_CalcAccSpeedUpdatePeriods();

    // 8. 启动电机，设置 MOTOR_EN 为高电平
    HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_EN_GPIO_Port, MOTOR_EN_Pin, GPIO_PIN_SET);
    // 9. 启动TIM1定时器的更新中断和TIM1_Channel1输出比较
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1);
    HAL_TIM_OC_Start_IT(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
}

/**
 * @brief 停止电机
 *
 */
void Int_Motor_Stop(void)
{
    // 停止电机，设置 MOTOR_EN 为低电平
    HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_EN_GPIO_Port, MOTOR_EN_Pin, GPIO_PIN_RESET);

    // 停止TIM1定时器的更新中断和TIM1_Channel1输出比较
    HAL_TIM_Base_Stop_IT(&htim1);
    HAL_TIM_OC_Stop_IT(&htim1, TIM_CHANNEL_1);

    // 强制清零当前速度
    gs_current_speed_update_periods = 0;
}

/**
 * @brief 设置电机速度
 *
 */
void Int_Motor_SetSpeed(void)
{
    /*
        定时器溢出(更新)2次，产生1个上升沿
        转1圈，需要需要200*8个上升沿；合计需要3200个更新周期

        TIM1
        PSC=71； 1us计1个数

        根据转速计算ARR值，转速用rpm表示（转速：转/分钟）
        一圈所用时间： (1 / rpm) * 60 * 1000 * 1000 us
        定时器1次更新(溢出)所用时间： (1 / rpm) * 60 * 1000 * 1000 / 3200 us

        定时器ARR的值：(1 / rpm) * 60 * 1000 * 1000 / 3200 - 1
    */
    // 设置当前速度为目标速度
    g_current_speed = g_target_speed;

    // 计算用周期数表示的速度
    gs_current_speed_update_periods = g_current_speed * 3200 / 60;
    gs_target_speed_update_periods = g_target_speed * 3200 / 60;

    // 设置定时器ARR值
    __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim1, 1000000 / gs_current_speed_update_periods - 1);

}

/**
 * @brief 获取已经旋转的角度
 *
 */
void Int_Motor_GetCurrentAngle(void)
{
    // 根据周期数计算已经旋转的角度
    g_current_angle = gs_current_angle_update_periods / 3200.0f * 360.0f;

    // 如果是逆时针转，将g_current_angle转为负数
    if (g_target_angle < 0)
    {
        g_current_angle = -g_current_angle;
    }
}

/**
 * @brief 获取当前速度，单位转/分
 *
 */
void Int_Motor_GetCurrentSpeed(void)
{
    // 根据当前速度对应的周期数计算当前速度
    g_current_speed = gs_current_speed_update_periods / 3200.0f * 60.0f;
}

/**
 * @brief TIM1更新中断触发后被调用的函数
 *
 */
void Int_Motor_UpdateCallback(void)
{
    // 增加已经旋转角度对应的ITM1更新周期数
    gs_current_angle_update_periods++;

    // 实时更新速度
    Int_Motor_UpdateSpeed();

    // 如果已经旋转角度对应的ITM1更新周期数大于等于目标角度对应的TIM1更新周期数
    if (gs_current_angle_update_periods >= gs_target_angle_update_periods)
    {
        // 停止电机
        Int_Motor_Stop();
    }
}

App_Task.c

添加实时获取当前速度的代码：

/* 代码省略 ...*/

// 显示任务函数的实现
void disaply_task_callback(void *pvParameters)
{
    /* 代码省略 ...*/
    
    while (1)
    {
        // 如果是第0页，获取当前已经旋转的角度
        if (g_current_page == 0)
        {
            // 获取当前已经旋转的角度
            Int_Motor_GetCurrentAngle();
        }
        // 如果是第1页，获取当前速度
        else if (g_current_page == 1)
        {
            // 获取当前速度
            Int_Motor_GetCurrentSpeed();
        }

        /* 代码省略 ...*/
    }
}

/* 代码省略 ...*/

第07章 梯形算法电机控制

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