步进电机闭环控制工程

基于 RT-Thread + STM32H750，步进电机位置环控制。

硬件连接

信号	MCU 引脚	说明
PUL (脉冲)	PA0 (AF1_TIM2)	TIM2 CH1 OC Toggle
DIR (方向)	PC1	GPIO 输出, CW=HIGH / CCW=LOW
EN (使能)	PC3	GPIO 输出, HIGH=使能
ENC A	PC6 (AF2_TIM3)	编码器 CH1
ENC B	PC7 (AF2_TIM3)	编码器 CH2
控制定时器	TIM4 (timer4)	20ms / 50Hz 控制周期

目录结构

project/
├── applications/
│   ├── stepper_drv/              # 公共驱动层
│   │   ├── stepper_motor_driver.c/h    # 电机驱动 (TIM OC Toggle, 无毛刺脉冲)
│   │   ├── stepper_encoder_driver.c/h  # 编码器驱动 (32 位累加)
│   │   └── stepper_pid_pos.c/h         # 位置式 PID (抗饱和)
│   ├── position_loop/            # 位置环控制器
│   │   ├── position_loop.c/h           # S 形加减速 + PID + 到位锁定
│   │   └── test_positionloop.c         # posloop 命令
│   ├── speed_loop/               # 速度环控制器
│   │   ├── speed_loop.c/h
│   │   └── test_speedloop.c
│   ├── open_loop/                # 开环控制器 (无编码器)
│   │   ├── stepper_openloop.c/h
│   │   └── test_openloop.c
│   └── main.c
├── board/
│   ├── Kconfig                   # 硬件配置菜单
│   └── CubeMX_Config/            # STM32CubeMX HAL 配置
├── rtconfig.h                    # RT-Thread 配置 (Kconfig 生成)
└── README.md

编译 & 烧录

menuconfig    # 配置硬件参数
scons -j4     # 编译

MSH 命令

位置环

posloop <motor_id> <counts>          # 定位到目标位置 (编码器 counts)
posloop                              # 查看所有电机状态
posloop_tune <id> <kp> <ki> <kd>     # 在线调 PID
posloop_start <id>                   # 启动
posloop_stop <id>                    # 停止

速度环

speedloop <motor_id> <freq_hz>       # 定速运行 (正=CW, 负=CCW)
speedloop_tune <id> <kp> <ki> <kd>

开环

stepol <freq_hz>                     # 开环定速 (无编码器反馈)
stepol_dir cw|ccw                    # 设置方向

位置环控制原理

target(counts) → [S 形速度斜坡] → [PID + 前馈] → DIR + 脉冲频率
                       ↑                            ↓
                encoder ←─────────────────── 位置反馈 (32-bit counts)

加减速算法

采用 Jerk-limited Trapezoidal（加加速度限幅梯形），即加速度渐变、速度 S 形：

加速度:                        速度:
  ^                              ^
  |  ╱‾‾‾‾╲  jerk 限幅           |  ╭────╮
  | ╱      ╲                     | ╱      ╲
  |╱        ╲                    |╱        ╲
  +────────────>                  +────────────>

对比传统梯形：加速度从 0 渐变到最大值（而非跳变），加速度变化率由 jerk 控制。

三阶段控制

阶段	条件	策略
远距离	`	err
近距离	`2 <	err
到位	`	err

到位防回弹

到位后锁存，只有新目标写入才解锁，避免编码器噪声触发反复微调。

Kconfig 配置

menuconfig
# Hardware Drivers Config → On-chip Peripheral Drivers →
#   Enable Stepper Position-loop Control

参数	默认值	说明
SPEED_LIMIT	80000	输出频率上限 (Hz)
RAMP_MAX_SPEED	80000	S 形斜坡巡航速度 (Hz)
MAX_ACCEL	500	最大加速度 (Hz/周期)
S_CURVE_JERK	MAX_ACCEL/8	加加速度 (Hz/周期²)，越小越平滑
MOVE_THRESHOLD	20	到位死区 (counts)
CTRL_PERIOD_US	20000	控制周期 (50 Hz)
KP / KI / KD	5.0 / 0.5 / 0.1	PID 增益

参数调优指南

S 曲线平滑度：减小 S_CURVE_JERK（如 MAX_ACCEL/12）→ 更平滑但加速慢；增大（如 MAX_ACCEL/4）→ 更快但冲击大。

PID 修正占比：corr_limit = RAMP_MAX_SPEED × 0.10，即 S 形前馈占 90%。如果跟踪滞后大，可适当增大 KP。

到位精度：MOVE_THRESHOLD 设太小会导致"爬行"迟迟不到位；设太大会提前退出。20 counts 是默认值。

许可

仅允许学习和非商业用途。禁止用于商业产品。