51单片机控制双步进电机的魔法师思想

sunsili

51单片机控制双步进电机的魔法师思想

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    = P1^0;       // ->2051

sbit Cctrl    = P1^1;        // -INT0

sbit Crclk    = P1^2;

sbit Ctclk    = P1^3;

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)?CVmax2;\

                                       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<Vend)\

                                       {\

                                             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。
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