stepper-Motor

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# 嵌入式步进电机驱动库

轻量级纯C步进电机控制库，支持多电机注册、梯形加减速、多种运动模式。通过硬件抽象层解耦底层IO，可零修改移植到各类MCU平台。

![image-20260610205519564](https://raw.githubusercontent.com/YangAoTeng/stepper-Motor/master/IMAGE/image-20260610205519564.png)

## 特性

- 支持多电机同时控制（数量可配置）
- 梯形加减速（线性加减速），运动平滑
- 速度模式 / 位置模式 / 归零模式
- 正负限位开关保护
- 外部脉冲反馈驱动位置计数（编码器/PWM中断）
- 1ms定时器软件计数，不依赖PWM硬件
- 纯整数定点运算，无浮点依赖
- 硬件抽象层设计，移植仅需实现5个IO函数

## 架构概览

```
┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│                     用户应用层                            │
│   stepper_move_position() / stepper_move_speed() / ...  │
└────────────────────────┬────────────────────────────────┘
                         │
┌────────────────────────▼────────────────────────────────┐
│                   stepper_motor.c                        │
│   stepper_tick() 每1ms:                                  │
│     - 状态机驱动                                         │
│     - 梯形加减速计算                                     │
│     - 输出目标频率 → set_output_freq(id, freq)           │
│                                                         │
│   stepper_feed_steps() ← 外部反馈实际脉冲数              │
│     - 更新 position                                     │
│     - 更新 steps_to_go (位置模式)                        │
└───────────┬─────────────────────────────────▲───────────┘
            │ 输出频率                         │ 反馈步数
┌───────────▼─────────────────────────────────┴───────────┐
│                  硬件抽象层 (stepper_port.h)              │
│   set_enable / set_direction / set_output_freq          │
│   get_limit_pos / get_limit_neg                         │
└───────────┬─────────────────────────────────▲───────────┘
            │                                 │
┌───────────▼─────────────────────────────────┴───────────┐
│                     底层硬件                              │
│   GPIO / 定时器PWM / 编码器中断                           │
│                                                         │
│   PWM中断或编码器中断中调用:                              │
│     stepper_feed_steps(id, 1);  // 每个脉冲反馈一步      │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘
```

## 文件结构

```
stepper_config.h    - 用户可配置参数（电机数量、默认加速度等）
stepper_port.h      - 硬件抽象层接口定义
stepper_motor.h     - 公共API和类型定义
stepper_motor.c     - 核心实现（状态机、加减速、tick）
main.c              - Windows平台测试程序
```

## 快速上手

### 1. 实现硬件接口

```c
#include "stepper_motor.h"

void my_set_enable(uint8_t id, uint8_t enable)   { /* GPIO控制使能 */ }
void my_set_direction(uint8_t id, uint8_t dir)   { /* GPIO控制方向 */ }
uint8_t my_get_limit_pos(uint8_t id)             { /* 读正限位开关 */ }
uint8_t my_get_limit_neg(uint8_t id)             { /* 读负限位开关 */ }
void my_set_output_freq(uint8_t id, uint32_t hz) { /* 设置定时器PWM频率 */ }

stepper_io_t io = {
    .set_enable      = my_set_enable,
    .set_direction   = my_set_direction,
    .get_limit_pos   = my_get_limit_pos,
    .get_limit_neg   = my_get_limit_neg,
    .set_output_freq = my_set_output_freq,
};
```

### 2. 初始化和注册电机

```c
stepper_init(&io);

// 注册电机0：加速度2000步/秒², 减速度2000步/秒², 最大速度5000步/秒
stepper_register(0, 2000, 2000, 5000);
```

### 3. 在1ms定时器中调用tick

```c
void Timer1ms_IRQHandler(void) {
    stepper_tick();
}
```

### 4. 在PWM中断或编码器中断中反馈步数

```c
// PWM脉冲完成中断 —— 每输出一个脉冲调用一次
void PWM_Pulse_IRQHandler(void) {
    stepper_feed_steps(0, 1);
}

// 或者编码器计数中断 —— 批量反馈
void Encoder_IRQHandler(void) {
    uint32_t count = read_encoder_count();
    stepper_feed_steps(0, count);
}
```

### 5. 控制电机运动

```c
// 位置模式：正方向走10000步，最大速度3000步/秒
stepper_move_position(0, 10000, 3000);

// 速度模式：正方向持续运行，速度2000步/秒
stepper_move_speed(0, STEPPER_DIR_POS, 2000);

// 归零模式：向负方向寻找限位
stepper_home(0, STEPPER_DIR_NEG, 500);

// 减速停止
stepper_stop(0);
```

## API参考

### 初始化

| 函数 | 说明 |
|------|------|
| `stepper_init(io)` | 初始化库，传入硬件IO接口 |
| `stepper_register(id, accel, decel, max_speed)` | 注册电机 |

### 运动控制

| 函数 | 说明 |
|------|------|
| `stepper_move_speed(id, dir, speed)` | 速度模式，持续运行 |
| `stepper_move_position(id, steps, speed)` | 位置模式，相对移动 |
| `stepper_home(id, dir, speed)` | 归零模式，找限位开关 |
| `stepper_stop(id)` | 带减速停止 |
| `stepper_emergency_stop(id)` | 紧急停止（无减速） |

### 外部反馈

| 函数 | 说明 |
|------|------|
| `stepper_feed_steps(id, steps)` | 外部脉冲反馈，更新位置和剩余步数 |

### 状态查询

| 函数 | 说明 |
|------|------|
| `stepper_get_state(id)` | 获取运行状态 |
| `stepper_get_position(id)` | 获取当前位置（步） |
| `stepper_get_speed(id)` | 获取当前速度（步/秒） |
| `stepper_is_home_done(id)` | 查询归零是否完成 |

### 设置

| 函数 | 说明 |
|------|------|
| `stepper_set_position(id, pos)` | 手动设置当前位置 |
| `stepper_set_accel(id, accel, decel)` | 修改加减速参数 |
| `stepper_clear_error(id)` | 清除错误状态 |

### 周期调用

| 函数 | 说明 |
|------|------|
| `stepper_tick()` | 1ms定时器中周期调用 |

## 数据流说明

库的核心设计思路是**输出频率、输入步数**：

1. `stepper_tick()` 每1ms根据加减速算法计算出当前目标速度
2. 通过 `set_output_freq(id, freq)` 告知底层应输出的脉冲频率
3. 底层硬件产生实际脉冲（定时器PWM等）
4. 每产生一个实际脉冲，通过 `stepper_feed_steps(id, 1)` 反馈给库
5. 库根据反馈更新 `position` 和 `steps_to_go`，驱动状态机判断

这种设计确保位置计数来自真实脉冲输出（或编码器），而非内部推算，避免丢步误差累积。

## 运动模式说明

### 速度模式

指定方向和目标速度，电机加速到目标速度后持续运行，直到调用 `stepper_stop()` 触发减速停止。

```
速度 ▲
     │    ┌──────────────────┐
     │   /                    \
     │  /                      \
     └──────────────────────────── 时间
      加速      匀速       减速
```

### 位置模式

指定目标步数和速度，电机自动计算加速、匀速、减速三个阶段，精确到达目标位置后停止。

```
速度 ▲
     │    ┌────────────┐
     │   /              \
     │  /                \
     └──────────────────────── 时间
      加速    匀速    减速
                          ↑到达目标
```

减速点由公式 `s = v² / (2a)` 自动计算。如果目标步数不足以加速到最大速度，电机会在未达到匀速前直接进入减速。

### 归零模式

向指定方向运动，加速到归零速度后匀速，直到对应方向的限位开关触发，立即停止并将当前位置设为0。

## 配置参数

在 `stepper_config.h` 中修改：

| 宏 | 默认值 | 说明 |
|----|--------|------|
| `STEPPER_MAX_NUM` | 4 | 最大电机数量 |
| `STEPPER_TICK_PERIOD_MS` | 1 | tick周期(ms) |
| `STEPPER_DEFAULT_ACCEL` | 1000 | 默认加速度(步/秒²) |
| `STEPPER_DEFAULT_DECEL` | 1000 | 默认减速度(步/秒²) |
| `STEPPER_MIN_SPEED` | 50 | 最小速度/启动速度(步/秒) |
| `STEPPER_SPEED_SCALE` | 1000 | 速度定点放大倍数 |

## 硬件抽象层

库通过 `stepper_io_t` 结构体中的5个函数指针与硬件交互：

| 接口 | 方向 | 说明 |
|------|------|------|
| `set_enable` | 输出 | 控制电机驱动器使能 |
| `set_direction` | 输出 | 控制运动方向 |
| `get_limit_pos` | 输入 | 正方向限位开关状态 |
| `get_limit_neg` | 输入 | 负方向限位开关状态 |
| `set_output_freq` | 输出 | 设置脉冲频率（核心输出） |

`set_output_freq` 是最关键的输出接口——库只负责计算当前应输出的频率值，底层负责产生实际脉冲。

`stepper_feed_steps` 是最关键的输入接口——底层每产生一个实际脉冲就反馈给库，库据此更新位置。

## 移植指南

将库移植到MCU只需四步：

1. 实现 `stepper_io_t` 中的5个函数（GPIO + 定时器）
2. 在1ms定时器中断中调用 `stepper_tick()`
3. 在 `set_output_freq` 中配置硬件定时器输出对应频率的脉冲
4. 在PWM脉冲中断或编码器中断中调用 `stepper_feed_steps(id, steps)`

库核心文件（stepper_config.h、stepper_port.h、stepper_motor.h、stepper_motor.c）无需任何修改。

## 状态机

```
IDLE ──move命令──► ACCEL ──达到目标速度──► CRUISE ──到达减速点──► DECEL ──速度归零──► IDLE
                     │                                              ▲
                     └──────剩余步数不足以匀速──────────────────────┘

HOMING: ACCEL → 匀速运行 → 限位触发 → IDLE (position=0)
ERROR:  任何运动中限位意外触发 → 立即停止
```

## 编译测试（Windows）

```bash
gcc -Wall -Wextra -o stepper_test.exe main.c stepper_motor.c
./stepper_test.exe
```

测试程序中通过 `sim_pulse_feedback()` 模拟底层PWM中断的脉冲反馈，验证完整的"输出频率→产生脉冲→反馈步数"闭环流程。

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