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基础步进电机运动控制系统

在TMC2209驱动电机这一篇帖子中，已经介绍了让步进电机简单的转动起来了，并且介绍了整步和微步这两个名字。

在这一个帖子中我将在上几篇的帖子上从零实现本次DIY活动的主题一：基础步进电机运动控制系统。内容如下：

使用MCU控制TMC2209 SilentStepStick 驱动步进电机，实现一个可控制转动方向和速度的基础运动控制系统。 主要帮助参与者掌握：

• STEP/DIR控制原理

• 定时器脉冲生成

• 基础运动控制逻辑

活动任务：

• 基础任务（入门级），控制端：

• 生成STEP脉冲信号

• DIR控制电机正反转

• 支持至少两种转速，例如快速、慢速

• 电机能够稳定运行

• 进阶任务，在基础任务上实现：

• 速度调节功能

• 加速/减速控制

• 按键或串口控制运动，例如：启动、停止、反转

• 自由发挥方向（不做强制要求）：

• 梯形加减速控制

• 多种运动模式

• 定位控制（步数控制）

• PWM方式生成STEP

回顾一下连接示意图，除了MS1、MS2、PDN/UART、SPREAD、INDEX、GIDA未连接外，其他的引脚都是用了

首先需要初始化相关控制引脚：DIR、EN、STEP

void GPIO_Init(void)
{
    gpio_config_t gpio_conf = {0};

    gpio_conf.pin_bit_mask = 1ull << USR_LED_IO;
    gpio_conf.mode = GPIO_MODE_OUTPUT;
    gpio_conf.pull_down_en = GPIO_PULLDOWN_DISABLE;
    gpio_conf.pull_up_en = GPIO_PULLUP_DISABLE;
    gpio_conf.intr_type = GPIO_INTR_DISABLE;
    gpio_config(&gpio_conf);

    gpio_conf.pin_bit_mask = 1ull << TMC_EN_IO;
    gpio_config(&gpio_conf);

    gpio_conf.pin_bit_mask = 1ull << TMC_DIR_IO;
    gpio_config(&gpio_conf);

    TMC_STEP_PWM_Init();
    TMC_SET_EN(0);
    TMC_SET_DIR(0);
}

还需要三个相对应的控制函数，分别是控制模块是否使能、电机转动的方向、电机STEP驱动PWM的周期

void TMC_SET_EN(uint8_t en)
{
    gpio_set_level(TMC_EN_IO, !en);
}

void TMC_SET_DIR(uint8_t dir)
{
    tmc_dir_level = dir ? 1 : 0;
    gpio_set_level(TMC_DIR_IO, tmc_dir_level);
}

static esp_err_t TMC_STEP_PWM_Set_Period_US(uint32_t period_us)
{
    uint32_t freq_hz;
    esp_err_t ret;

    if (period_us < TMC_STEP_PWM_MIN_PERIOD_US || period_us > TMC_STEP_PWM_MAX_PERIOD_US) {
        return ESP_ERR_INVALID_ARG;
    }

    freq_hz = 1000000UL / period_us;
    if (freq_hz == 0) {
        return ESP_ERR_INVALID_ARG;
    }

    ret = ledc_set_freq(TMC_STEP_PWM_MODE, TMC_STEP_PWM_TIMER, freq_hz);
    if (ret != ESP_OK) {
        return ret;
    }

    tmc_step_pwm_period_us = period_us;

    return ESP_OK;
}

这时候在main中就可以随心随遇的控制电子的启动、方向和速度了

void app_main(void)
{
    GPIO_Init();
    
    TMC_SET_EN(1);  //TMC_SET_EN(0);
    TMC_SET_DIR(1); //TMC_SET_DIR(0);
    TMC_STEP_PWM_Set_Period_US(1000);
}

但是这样不够优雅，于是计算用串口上位机来控制电机的相关状态。

串口命令分别为：

• Moter Start

• Moter Stop

• Moter Reversal

• Moter Period XXX

static void Moter_Start(const char *args, char *response, size_t response_size)
{
    (void)args;
    TMC_SET_EN(1);
    ESP_ERROR_CHECK(TMC_STEP_PWM_Start());
    snprintf(response, response_size, "OK: Moter Start\r\n");
}

static void Moter_Stop(const char *args, char *response, size_t response_size)
{
    (void)args;
    ESP_ERROR_CHECK(TMC_STEP_PWM_Stop());
    TMC_SET_EN(0);
    snprintf(response, response_size, "OK: Moter Stop\r\n");
}

static void Moter_Reversal(const char *args, char *response, size_t response_size)
{
    (void)args;
    TMC_SET_DIR(!tmc_dir_level);
    snprintf(response, response_size, "OK: Moter Reversal, %d\r\n", tmc_dir_level);
}

static void Moter_Period(const char *args, char *response, size_t response_size)
{
    char *end_ptr = NULL;
    const unsigned long period_us = strtoul(args, &end_ptr, 10);

    if (args[0] == '\0' || end_ptr == args || *end_ptr != '\0' ||
        period_us < TMC_STEP_PWM_MIN_PERIOD_US || period_us > TMC_STEP_PWM_MAX_PERIOD_US ||
        TMC_STEP_PWM_Set_Period_US((uint32_t)period_us) != ESP_OK) {
        snprintf(response, response_size,
                 "ERR: period range %u-%u us\r\n",
                 (unsigned int)TMC_STEP_PWM_MIN_PERIOD_US,
                 (unsigned int)TMC_STEP_PWM_MAX_PERIOD_US);
        return;
    }

    snprintf(response, response_size,
             "OK: STEP period %lu us\r\n",
             (unsigned long)tmc_step_pwm_period_us);
}

static const uart_command_t uart_command_table[] = {
    {"Moter Start", NULL, Moter_Start},
    {"Moter Stop", NULL, Moter_Stop},
    {"Moter Reversal", NULL, Moter_Reversal},
    {"Moter Period", "<us>", Moter_Period},
};

还需要编写一个简单的上位机，大概样子长这样，估计有大佬一眼就能看出来是用python写的Tkinter界面

最后编译代码，烧入进芯片，来一起看下实际的效果吧：