Драйвер шагового двигателя

[backlan]

Программных граблей тоже хватило. На 4 драйвера надо 16 выводов ШИМ, их не хватило, поэтому пришлось использовать комплементарные выходы для управления одной катушкой. Когда один вывод управляется ШИМ, второй подключён к нулю.

template ‹int inductor› void set_inductor_pulse_width (int len)
{
	if (len › 0) // == 0 не рассмотрен отдельно, поэтому два графика нормальные
	{
		//set_pulse_width‹inductor*2+1›(0);   //нужно только для отладки, чтобы рисовались нормальные графики
		enablePWM‹inductor*2+1›(false);     //отключили от ШИМ
		set_pin_state‹inductor*2+1›(false); //заземлили
		
		enablePWM‹inductor*2›(true);        //подключили ШИМ
		set_pulse_width‹inductor*2›(len);   //задали ширину импульсов
	}
	else
	{
		//set_pulse_width‹inductor*2›(0);   //нужно только для отладки
		enablePWM‹inductor*2›(false);     //отключили от ШИМ
		set_pin_state‹inductor*2›(false); //заземлили
		
		enablePWM‹inductor*2+1›(true);        //подключили ШИМ
		set_pulse_width‹inductor*2+1›(-len);   //задали ширину импульсов
	}
}

Разводку пинов сделал в MicroXplorer.
stm32f100c_map2.zip

[backlan]

Чтобы включить ШИМ на некоторых таймерах, пришлось почитать datasheet.

	TIM-›CR1 |= TIM_CR1_ARPE;   //размер импульса ШИМ меняется в начале нового импульса
	TIM-›CCMR1 = TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2 | TIM_CCMR1_OC1PE   //левый шим на всех каналах
			| TIM_CCMR1_OC2M_1 | TIM_CCMR1_OC2M_2 | TIM_CCMR1_OC2PE;

...

	TIM1-›CCER |= TIM_CCER_CC1E
			| TIM_CCER_CC4E
			| TIM_CCER_CC1NE
			| TIM_CCER_CC2NE
			| TIM_CCER_CC3NE; //подключаем все каналы

...

//Без этого не работают!!!
	TIM1-›BDTR |= TIM_BDTR_MOE;   //второй вариант - задать значения сигналов в начале периода
	TIM15-›BDTR |= TIM_BDTR_MOE;  //через биты OIS1, OIS1N и т.д.
	TIM16-›BDTR |= TIM_BDTR_MOE;  //описание в RM0041, стр. 264

[backlan]

Для USART сделал самодельный fifo кольцевой буфер.

template ‹class item, int bits› //какие элементы хранятся, сколько бит в счётчике (т.е. размер буфера = 2^bits)
class FIFOBuffer
{
	public:
	int first; //первый элемент в очереди
	int last;  //следующий за последним (первый свободный)
	static const int mask = (1 ‹‹ bits) - 1;
	static const int size = 1 ‹‹ bits;
	item buffer[size];

	int Size()     { return size - 1; }
	int Count()    { return (last - first) & mask; }
	bool IsFull()  { return (last + 1) & mask == first; } //остался один элемент - массив заполнен,
	bool IsEmpty() { return last == first; }              //совпадение указателей - массив пуст
	void Clear()   { last = first = 0; }
	void Push(item value) { buffer[last] = value; last = (last+1) & mask; }
	item Pop()     { int index = first; first = (first+1) & mask; return buffer[index]; }
	item Front()   { return buffer[first]; }

//второй вариант
/*
	int Size()     { return size; }
	int Count()    { return last - first; }
	bool IsFull()  { return first + size == last; }
	bool IsEmpty() { return last == first; }
	void Clear()   { last = first = 0; }
	void Push(item value) { buffer[(last++) & mask] = value;}
	item Pop()     { return buffer[(first++) & mask]; }
	item Front()   { return buffer[first & mask]; }
*/
	FIFOBuffer()   { Clear(); }
};

[backlan]

Оказалось что использование косинуса приводит к увеличению программы на 3 кб (из 16 доступных). Пришлось сделать заполнение таблицы косинусов на этапе компиляции.

#define DIV_BITS_COUNT  0
const int DIV_BITS  =   DIV_BITS_COUNT; //число битов, отведённых на "дробную часть" шага
const int SUB_STEPS =   1‹‹DIV_BITS;    //число микрошагов в одном шаге

const int COS_AMPLITUDE   = 127;
const int COS_TABLE_COUNT = SUB_STEPS*4;

//constexpr нету
//static_assert нету
//static const double нету

//вычисление косинуса с точностью float на препроцессоре

#define cos_t(x) (((1-x*x/2.0 \
                  *(1.0-x*x/3.0/4 \
                  *(1.0-x*x/5.0/6 \
                  *(1.0-x*x/7.0/8 \
                  *(1.0-x*x/9.0/10 \
                  *(1.0-x*x/11.0/12 \
                  *(1.0-x*x/13.0/14 \
                  *(1.0-x*x/15.0/16 \
                  *(1.0-x*x/17.0/18 \
                  *(1.0-x*x/19.0/20 \
                  *(1.0-x*x/21.0/22 \
                  *(1.0-x*x/23.0/24 \
                  *(1.0-x*x/25.0/26 \
                 )))))))))))))))

#define cos_i(x) ((int8_t)(COS_AMPLITUDE * cos_t(((2*M_PI*(x))/COS_TABLE_COUNT))))

//смысла в 10 битах нет, это просто для теста скорости
#define A10(x) A9(x) A9(x + 2048)
#define A9(x) A8(x) A8(x + 1024)
#define A8(x) A7(x) A7(x + 512)
#define A7(x) A6(x) A6(x + 256)
#define A6(x) A5(x) A5(x + 128)
#define A5(x) A4(x) A4(x +  64)
#define A4(x) A3(x) A3(x +  32)
#define A3(x) A2(x) A2(x +  16)
#define A2(x) A1(x) A1(x +   8)
#define A1(x) A0(x) A0(x +   4)
#define A0(x) F(x)   F(x +   2)
#define F(x)  I(x)   I(x +   1)

#define I(x) cos_i(x),

//это шаманство для автоматической подстановки нужного количества элементов массива
#define init(a,b) conc(a, b)
#define conc(A, n) A##n

int8_t cosTable[COS_TABLE_COUNT] = {init(A, DIV_BITS_COUNT)(0)};

[backlan]

Вот весь проект. Если запустить симулятор, он будет графики ШИМ на выводах одного мотора выдавать.
cnc_driver.zip

Померять программно индуктивности/сопротивления моторов пока не удалось, т.к. smd транзисторы оказались поддельными, с неправильной разводкой выводов и неправильной полярностью.

[backlan]

Решил измерить потери при передаче туда-обратно через usb-com порт.
Частота послано ошибок не дошло
9600: 104004 25 132
115200: 103164 258 1068

Передача пакетная, ошибки считаются в пакетах по 10 байт, частота в бит/сек, остальное в байтах. Если rx-tx контакты замкнуть, то потери = 0.
Кто-нибудь пробовал мерять потери? А то 2.5 % на частоте 115200 - это как-то многовато, мне кажется.

[eddy]

Итак, промучившись вчера полдня в попытках сделать управление полностью "железным", я плюнул на это дело и реализовал через ШИМ, а в обработчике прерывания счетчика (в конце каждого периода) считаются шаги. Дубово, но "и так сойдет".
Для проверки подключил один ШД (а вообще управлять система будет пятью двигателями) и сфотографировал пару осциллограмм.
ШИМ со скважностью 50%, контроллер ШД работает по переднему фронту управляющего импульса, включено деление шагов на 16 (т.е. 16 этих прямоугольных импульсов == 1 шаг):

Соответствующее напряжение на обмотке ШД (со сдвигом по фазе, скорее всего, но остальные параметры остались теми же):


P.S. Это не на нормальных драйверах ШД, а на попсовых тошибовских.

Таки дошли руки (правда, пока на макетке - нормальную плату сделаю, когда сверла придут, а то сверлить нечем) до испытания драйвера L6208N. Стоит сказать, что тестовый шаговый двигатель — хитрый, у него сопротивление обмотки 1.5Ом, поэтому управлять им при помощи обычных ключей без контроля тока нельзя! Итак, вот что получается на обмотке шаговика (напряжение) при работе в полношаговом режиме на частоте 400Гц (соответственно, 100 шагов в секунду):

Поподробней напишу в ЖЖшке (с картинками и видео).

(ось Y на осциллографе инвертирована)

[eddy]

Вроде бы, на макетке все работало и момент вполне нормальный был, но как собрал оконечную плату, появились проблемы: во-первых, очень маленький момент получается; во-вторых, двигатель крутится то в одну, то в другую сторону. Подключаю двигатель к обычному драйверу (на тошибовском регуляторе) — момент отличный, проблем нет.
Судя по осциллограммам, у меня почему-то ШИМ "не догоняет" ток до нужного значения (на тошибовском нормальное заполнение, а у меня какой-то редкий частокол получается).

Может ли это быть из-за неправильно подобранных параметров Roff/Coff (у меня 51кОм и 1нФ, соответственно)? Драйвер работает в режиме slow decay, полношаговый. Делитель Vref настроен на ток 1.1А.

[pambaru]

во-вторых, двигатель крутится то в одну, то в другую сторону.

Похоже, что работает только одна обмотка.

[eddy]

Нет, там все ОК: осциллограммы правильные. Просто тока почему-то не хватает.

Кстати, где-бы почитать, как на основе параметров двигателя (сопротивление и индуктивность обмоток) рассчитать наиболее оптимальные параметры: Roff и Coff в RC-цепочке управляемой логики; выбрать правильно режим затухания (fast decay или slow decay) и наиболее оптимальную скорость работы?