運動控制與馬達選擇嵌入式系統設計

在嵌入式系統中，馬達控制與運動規劃是常見的需求，從簡單的開關控制到複雜的多軸聯動，都仰賴精確的控制演算法和硬體選型。本文介紹三種基本的運動控制方法：三角形、梯形和 S-curve 控制，並討論如何根據應用場景選擇合適的馬達。此外，也涵蓋了動作控制函式庫的使用、控制理論的基礎知識，以及 ADC、DMA 等周邊裝置的應用，提供讀者更全面的嵌入式系統設計與開發參考。

14.2 三角形動作控制

三角形動作控制是一種簡單的動作控制方法，指的是電機或其他執行器以最大加速度從靜止開始運動，然後以最大減速度停止運動。這種方法可以快速實作位置控制，但可能會對電機或其他執行器造成過大的負荷。

14.3 梯形動作控制

梯形動作控制是一種較為複雜的動作控制方法，指的是電機或其他執行器以一定的加速度從靜止開始運動，然後以一定的減速度停止運動。這種方法可以實作更為平滑的運動，但可能會需要更多的計算和控制。

14.4 S-curve 動作控制

S-curve 動作控制是一種較為先進的動作控制方法，指的是電機或其他執行器以一定的加速度從靜止開始運動，然後以一定的減速度停止運動，並且在運動過程中會出現一個平滑的 S 形曲線。這種方法可以實作更為平滑和精確的運動，但可能會需要更多的計算和控制。

14.5 電機選擇

電機選擇是動作控制中的一個重要步驟，需要根據具體的應用需求選擇合適的電機。不同的電機有不同的特性和優缺點，需要根據具體的需求進行選擇。

14.6 動作控制函式庫

動作控制函式庫是一種軟體函式庫，提供了動作控制的功能和演算法，可以方便地實作動作控制。不同的動作控制函式庫有不同的功能和特性，需要根據具體的需求進行選擇。

14.7 控制理論

控制理論是動作控制中的一個重要概念，指的是對動作控制系統的數學描述和分析。控制理論可以幫助我們瞭解動作控制系統的行為和特性，並且可以用於設計和最佳化動作控制系統。

第14章：馬達和運動

#define 宣告，289，325
&（位元AND）運算元，89，205
- 測試位元是否設定在暫存器中，91
- 使用於清除位元在暫存器中，91
<<（位元左移）運算元，91
?:（三元條件）運算元，292
^（XOR）位元運算元
- 使用於切換位元在暫存器中，91
|（位元OR）運算元，89
- 設定位元在暫存器中，91
~（位元NOT）運算元，89
- 清除位元在暫存器中，91
A
abs 函式，118，290
加速度，378
- 運動曲線，382-384
準確度
- 時鐘源的準確度，363
- 不同數字項的正弦泰勒級數的準確度，334
- 增加明確查詢的查詢表中的準確度，344
- 與精確度的比較，323
- 相關的電阻，359
- 正弦查詢表的結果，339
動作暫存器，113
主動低引腳，48，101
主動物件，174-177
角色模式，177
執行器，373
介面卡模式，25，100

類別比數位轉換器（ADCs）

類別比數位轉換器（ADCs）是一種將類別比訊號轉換為數位訊號的電子元件。它們在許多應用中都非常重要，例如資料採集、控制系統和通訊系統。

外部ADC範例：SPI和DMA

在某些應用中，我們需要使用外部ADC來擴充套件微控制器的類別比輸入能力。以下是使用SPI和DMA的外部ADC範例：

// 定義SPI和DMA的相關引數
#define SPI_CLK 1000000 // SPI時脈頻率
#define SPI_MODE 0 // SPI模式
#define DMA_CHANNEL 1 // DMA通道

// 初始化SPI和DMA
void init_spi_dma(void) {
    // 初始化SPI
    SPI_InitTypeDef spi_init;
    spi_init.SPI_Mode = SPI_MODE;
    spi_init.SPI_ClockSpeed = SPI_CLK;
    HAL_SPI_Init(&spi_init);

    // 初始化DMA
    DMA_HandleTypeDef dma_handle;
    dma_handle.Instance = DMA1_Channel1;
    dma_handle.Init.Channel = DMA_CHANNEL;
    dma_handle.Init.Direction = DMA_PeripheralToMemory;
    HAL_DMA_Init(&dma_handle);
}

// 讀取ADC資料
uint16_t read_adc(void) {
    // 送出SPI請求
    uint8_t request[] = {0x01, 0x00}; // 請求ADC轉換
    HAL_SPI_Transmit(&spi_handle, request, 2, 100);

    // 等待DMA傳輸完成
    while (HAL_DMA_GetState(&dma_handle)!= HAL_DMA_STATE_READY) {
        // 等待...
    }

    // 讀取ADC資料
    uint16_t data;
    HAL_DMA_GetData(&dma_handle, &data, 2);
    return data;
}

溫度補償

在某些應用中，我們需要對ADC輸入進行溫度補償，以提高測量的準確度。以下是使用查詢表實作溫度補償的範例：

// 定義溫度補償查詢表
const uint16_t temp_comp_table[] = {
    0x0000, 0x0001, 0x0002,..., 0xFFFF
};

// 測量溫度補償
uint16_t temp_compensation(uint16_t adc_value) {
    // 查詢溫度補償表
    uint16_t index = adc_value / 10; // 10為查詢表的間隔
    return temp_comp_table[index];
}

嵌入式系統設計與開發

在嵌入式系統的設計與開發過程中，瞭解各種基本概念和技術是非常重要的。以下將概述一些關鍵的嵌入式系統設計和開發知識。

基礎知識

數字邏輯和二進位制數學：理解二進位制數字的運算和邏輯操作是嵌入式系統設計的基礎。
微控制器和單晶片：熟悉微控制器和單晶片的架構和功能是嵌入式系統設計的核心。
程式語言：C語言是嵌入式系統開發中最常用的語言，瞭解其語法和應用是必不可少的。

系統設計

頂層設計：從系統的需求和功能出發，進行整體設計和架構規劃。
模組化設計：將系統分解為多個模組，各模組負責不同的功能，方便維護和升級。
介面設計：定義不同模組或系統之間的通訊介面和協定。

硬體知識

電子元件：瞭解各種電子元件的特性和應用，包括電阻、電容、電感等。
印刷電路板（PCB）設計：學會使用相關軟體進行PCB設計，包括元件佈局、線路佈置等。
嵌入式系統硬體平臺：熟悉各種嵌入式系統硬體平臺，包括單板電腦、開發板等。

軟體開發

編譯器和連結器：瞭解編譯器和連結器的作用和使用方法。
除錯技術：學會使用除錯工具，包括硬體除錯工具（如JTAG）和軟體除錯工具（如GDB）。
實時作業系統：瞭解實時作業系統的基本概念和應用，包括任務排程、同步機制等。

安全性和可靠性

安全威脅和防禦：瞭解嵌入式系統可能面臨的安全威脅，包括駭客攻擊、資料洩露等，並學會防禦措施。
可靠性設計：在設計階段考慮系統的可靠性，包括冗餘設計、錯誤檢測和糾正機制等。

測試和驗證

單元測試：對個別模組進行測試，以確保其功能正確。
整體測試：對整個系統進行測試，以驗證其功能和效能。
驗證工具：使用相關工具進行系統驗證，包括模擬工具、測試平臺等。

其他知識

通訊協定：瞭解各種通訊協定，包括UART、SPI、I2C等。
功耗管理：學會如何在嵌入式系統中進行功耗管理，包括動態電壓和頻率調整等技術。

透過掌握以上知識，嵌入式系統設計師可以更好地設計和開發出功能強大、可靠性高、安全的嵌入式系統。

從底層實作到高階應用的全面檢視顯示，馬達控制的精確度和效率是現代自動化系統的關鍵。本章節深入探討了從簡單的三角形運動控制到複雜的S-curve運動控制等多種控制方法，並分析了它們的優缺點以及適用場景。三角形控制雖然簡單易用，但在高速或高精確度應用中其加速度突變會造成震動和誤差。梯形控制改善了加速度曲線，使其更平滑，但仍未達到最佳化。S-curve控制則透過更精細的加速度控制，實作了更平滑、更精確的運動，但需要更複雜的演算法和更高的計算資源。

多維比較分析顯示，選擇合適的控制方法需要考量系統的動態效能需求、計算能力以及成本等多重因素。此外，電機的選擇也至關重要，需要根據負載特性、速度和扭矩要求等因素進行綜合評估。本章節也介紹了動作控制函式庫和控制理論，這為開發者提供了強大的工具和理論基礎，有助於簡化開發流程並提升系統效能。然而，開發者仍需關注控制演算法的複雜度和計算資源的消耗，特別是在資源受限的嵌入式系統中。

展望未來，隨著微控制器效能的提升和控制演算法的發展，更先進的運動控制技術，例如模型預測控制(MPC)和機器學習控制，將在嵌入式系統中得到更廣泛的應用。這些技術有望進一步提升運動控制的精確度、效率和適應性。玄貓認為，深入理解各種運動控制方法的原理和特性，並結合實際應用需求進行技術選型，是開發高效能、高效率運動控制系統的關鍵。

玄貓

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。