步进电机运动八大加减速算法

     引导一种模块化(Module)设计思想，将传统步进电机的控制器(controller)、驱动器(Driver)、运动算法(Arithmetic)三合一。

对比国内外步进电机驱动原理和已有工作，结合各种硬件特性，改进或实现了可实际移植并用于步进电机控制八大算法。本产品为步进电机实际控制算法实现源代码，包括市面上常用的梯形加减速算法、SPTA算法、PWM专用通道算法、特征拟合算法、任意形状的s形加减速七段法、s形logistics函数法、DMA算法、从定时器法。可用于实际项目和相关研究之用。

1、T梯形加减速算法

梯形算法的速度轮廓是梯形，故而得名，对梯形求导数可以得到矩形，因此本算法直接从勾勒加速度曲线入手，进行数值积分得出速度轮廓，进而转换为对应的定时器预设值，从而控制电机的速度变化，达到想要的效果。

2、SPTA算法

SPTA算法根据用户输入的加速度和速度以及总脉冲数，自动计算加减速过程所需的定时器装载值，也不需要额外的RAM来存储表格，算法效率高、灵活方便，特别适合移植到一些资源紧俏的单片机，比如51单片机等。

图 2-1   SpTA 控制算法状态机状态切换图

SpTA 算法同样是通过定时器来实现的，与 S 形曲线算法不同的是它没有使用定时器的 PWM 功能，仅仅是通过定时器定时中断来产生一个时间片，在定时器中断服务子程序中完成上述算法 ，在需要时，通过控制 GPIO 产生一个步进脉冲 。

SpTA 与 S 型算法的比较：

从上面的两种算法可以看出，传统的 S 形曲线控制算法实现比较简单，但是它将要输出的脉冲频率（周期）和脉冲个数存储在 RAM 里，占用了一定的内存，且要想实现更好的 控制效果， S 形曲线的 离散化程度越高，占用的 RAM 越大，如果要改变电机的运行速度曲线，需要重新计算每个阶段脉冲频率和脉冲个数，计算时使用了浮点数，运算量较大。

SpTA 算法是根据用户输入的加速度和目标速度以及设定的总脉冲数，自行决定如何输出达到最佳运动效果的脉冲，它不需要占用额外的 RAM 来存储每个阶段脉冲频率和脉冲个数，算法实现基本上都是 MCU“ 拿手 ” 的加减法和移位运算，算法效率高，但是该算法为了达到较好的运动控制，需要一个时间片很小的定时中断来调整数据，这样在输出一个脉冲期间要频繁产生中断，尤其是在电机起步和停止的时候，脉冲频率低，但是 定时器 中断的次数很高，这样 CPU 的效率就会被 定时器 中断拉低。

从算法计算量、占用 RAM 大小、控制效果和 CPU 效率上，两种控制算法对比分析如表 3.2 所示，综合考虑二者的优缺点，本系统中对于试剂盘、样本盘、反应盘等负载较大的电机使用 SpTA 控制算法，其它负载使用 S 形曲线控制算法。

  表 3.2  步进电机 S 形曲线控制算法与 SpTA 控制算法比较分析

3、PWM专用通道加减速算法

一般来说，采用单片机控制步进电机的方法是在定时器的中断处理函数中，对于特定的IO口进行操作来产生脉冲，这种方法的好处是灵活，可以方便的移植到各种类型的单片机，只要求该单片机具有定时器和多余的GPIO，几乎所有的单片机都能满足要求。

但是随着单片机功能的不断增强，CPU负担逐渐增多，这种方式自身缺点也逐渐显现，那就是占用了较多的计算资源。替代的办法就是采用定时器专用的PWM通道来产生所需的硬件脉冲，这样在不经常启动停止的工况下，不再需要CPU的干预，大大提高了效率。

4、特征拟合算法

该算法充分利用所选的步进电机特性曲线来选择加减速轮廓，具有非常大化电机能力的优点，而且算法占用的空间少，对于特定的步进电机具有带载能力非常大化的优点，在小负载测试中发现，使用梯形加减速算法可以在3s内完成无丢步的运动，换为该算法，可以实现2.2s无丢步加减速。

5、任意形状的S形加减速

此为S形七段法。如果从加速度轮廓上看，梯形加减速的加速度是矩形的，而且在速度切换点，加速度从正一下子变为负，会有明显的响声，因此，有必要开发更为平滑的算法。那就是S形加减速。针对S形加减速，具体做法有很多，比较简单的做法是采用sigmoid函数，一切有S形状的函数都可以拿来做基础S函数，比如log函数的变形，sin函数。不过，这些函数在S曲线的计算公式上虽然简单了，但是由于可调参数太少，导致了无法根据现实情况随意更改S曲线形尸缺少灵活性。为此，本店在理论推导的基础上推出任意形状的S形曲线算法。首先规划运动的加速度，然后积分得到速度轮廓，进而转换为步进电机的频率轮廓。
正点原子电机笔记——步进电机S形加减速 - 知乎 (zhihu.com)
【C语言】STM32控制步进电机——一种S形加减速曲线的推导与实现_步进电机s曲线加减速程序c_游楽场的博客-CSDN博客

6、S形加减速logistic函数法

S曲线常见的方法是七段法，在很多论文中都有涉及，该方法的灵活性好，可以指定任意一段加速度以及斜率。但该方法也有缺点，即在于过于灵活导致参数众多，本方法采用的logistic函数法，参数少，易于掌控。

7、DMA算法

DMA算法采用新的处理方式，只有在需要改变步进脉冲频率的时候再进入中断，这样可以提高CPU的效率，让CPU专注于执行计算密集型的工作，给任务多、计算复杂的应用提供了一种更好的解决方案。

8、从定时器法（SLAVER TIMER）

SLAVER算法是一种提升总线利用率的方法，使用两个定时器，一个输出PWM，一个工作在计数器模尸把PWM输出的同时，让计数器对其进行计数，从而释放了总线，提升了工程整体效率。