01背景與介紹

步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)用數(shù)字來控制運(yùn)動(dòng)的數(shù)字化電機(jī)，特別適用于精準(zhǔn)控制場合。今天，我們將通過步進(jìn)電機(jī)控制云臺(tái)準(zhǔn)確定位轉(zhuǎn)動(dòng)的應(yīng)用，詳細(xì)講解一下對步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制。

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首先，云臺(tái)通過一個(gè)搖桿控制器進(jìn)行控制，速度分為0~63。其中，0即為停止，63即為最快速度。該產(chǎn)品模型，如圖1所示：

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sbit Cdata    = P?^?;       // ->2051sbit Cctrl    = P?^?;        // -INT0sbit Crclk    = P?^?;sbit Ctclk    = P?^?;

02分析與對策

我們都知道，51單片機(jī)的客觀條件不怎么好。

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首先是工作頻率較低。傳統(tǒng)的51單片機(jī)是12T機(jī)，也就是說，執(zhí)行一條指令的速度是1/12主頻，即12M的晶振執(zhí)行指令的速度只有1M。當(dāng)然，后來出了一些變種51單片機(jī)是1T機(jī)，大部分指令速度是1T的，無論這個(gè)大部分有多大概率，至少執(zhí)行速度是提高了不少。

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這里采用的就是1T機(jī)，因?yàn)檫@款產(chǎn)品實(shí)際上有兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，如果單片機(jī)速度太慢，有很多產(chǎn)品功能就無法流暢實(shí)現(xiàn)。要充分利用JBC指令來實(shí)現(xiàn)判斷跳轉(zhuǎn)，這條指令對應(yīng)的C語言語句是_testbit_(abitvar)。不能小看這一點(diǎn)點(diǎn)的節(jié)省，這對一個(gè)功能復(fù)雜、運(yùn)行速度敏感的產(chǎn)品來說非常重要！

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其次是定時(shí)器數(shù)量少，單次計(jì)時(shí)時(shí)間短。作為一個(gè)產(chǎn)品的主控芯片，因?yàn)?1單片機(jī)是8位機(jī)，定時(shí)器資源也非常緊缺，所以本產(chǎn)品利用了定時(shí)器0的模式3，將定時(shí)器0一拆為二，變成了兩個(gè)不能自動(dòng)重載的8位定時(shí)器（此時(shí)原定時(shí)器1只能作為波特率發(fā)生器<這也正是我們需要的>，原定時(shí)器1的寄存器都作為定時(shí)器0的第二個(gè)定時(shí)器<新定時(shí)器1>的控制寄存器，一旦啟動(dòng)，無法更改）。

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因?yàn)檫@種模式一旦啟動(dòng)，后期不能進(jìn)行修改。所以，為了極大地減少指令數(shù)量，可將這兩個(gè)定時(shí)器工作于偽重載的模式下。即當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)寄存器溢出為0后，直接將這個(gè)0作為重載數(shù)據(jù)，從而避免通過命令進(jìn)行重載。對于一個(gè)反復(fù)運(yùn)行的代碼來說，精簡一條指令的收益是不容小覷的。

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定時(shí)器初始化代碼如下：

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setBaud(BaudID);        // 先初始化定時(shí)器1作為波特率發(fā)生器

第三是內(nèi)存資源很有限。變種的51單片機(jī)有一個(gè)神奇的現(xiàn)象，那就是代碼存儲(chǔ)器容量足夠大，而RAM（即使用MOV來訪問）卻依然很少，片內(nèi)擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器（即使用MOVX來訪問）執(zhí)行時(shí)耗又比較大。所以，將好鋼用在刀刃上就變得非常重要了，甚至我們經(jīng)常還需要用代碼來換取RAM的節(jié)約使用。

03編程魔法師觀點(diǎn)

編程魔法師的觀點(diǎn)，就是要面向?qū)ο筇幚怼?/span>也就是后面使用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，不能夾帶控制代碼，只能設(shè)置設(shè)置參數(shù)（屬性）、調(diào)用調(diào)用動(dòng)作（函數(shù)）。

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為了減少生澀的說明，這里直接用云臺(tái)自檢為例簡要說明。云臺(tái)x軸自檢過程，如圖3所示：

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sbit Pos0x    = Px^?;        // x光電管信號

我們先來看一下自檢的代碼：

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voidSelfChk(void){? ?? ? Pscx= (Pos0x)?0:1;? ?? ?while(fx)? ?? ?{? ?? ? WDI = !WDI;? ?? ?// ******** 喂狗 ********
? ?? ? if(NdCtrlx)? ?? ???{? ?? ?? ?? ?NdCtrlx = 0;? ?? ?? ?if(fx)? ?? ?? ?{? ?? ?? ?? ?? ?? ? Pscx++;? ?? ?? ?? ?? ?? ? switch(Pscx)? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? case??2: xRun321(0,CVauto,CWavoid);? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? Sx = 0;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? xRun();? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? break;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? case??1: Pscx = 3;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? case??3: Sx = 0;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? xRun321(1,CVauto,0xFFFF);? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? xRun();? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? break;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? case??5: CSmaxx1 = Sx;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? case??4: Sx = 0;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? break;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? case??6: CSdelta = Sx - 1;? ?? ?? ?? ? // 自檢確定光電管寬度? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? fx = 0;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? xStop();? ?? ?? ?? ?? ???}? ?? ?? ?}? ?? ???}? ?? ?}}

從自檢代碼中，我們可以看出，對步進(jìn)電機(jī)的控制只使用了一些方法（函數(shù)/宏）。這是一種擼碼的較高境界，即代碼與日常語義貼近。

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接下來，我們再看一下步進(jìn)電機(jī)的方法代碼：

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/*--------------------------------------------------------??功能：x方向運(yùn)動(dòng)預(yù)備? ?? ?? ???填入目標(biāo)Sendx、速度Vobj、運(yùn)行方向mmd??參數(shù)：o1: 運(yùn)行方向? ?? ?? ???o2: 目標(biāo)速度? ?? ?? ???o3: 目標(biāo)行程--------------------------------------------------------*/#definexRun321(o1,o2,o3)??{mmdx = o1;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?mmCmdx =((o2)>CVmax)?CVmax:o2;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?mmSx =o3; mmcx = 1;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }
/*--------------------------------------------------------??功能：x方向運(yùn)動(dòng)開始? ?? ?? ???調(diào)用之前要確認(rèn)目標(biāo)Sendx、速度Vobj、運(yùn)行方向mmd--------------------------------------------------------*/void xRun(void){? ?? ?if(TR0) return;? ?? ?TL0? ? = CT2Vooo; // 進(jìn)入運(yùn)行的時(shí)間? ?? ?NdCtrlx = 0;? ?? ?TR0? ? = 1;}
/*--------------------------------------------------------??功能：x方向運(yùn)動(dòng)停止--------------------------------------------------------*/#define?xStop(){mmCmdx?=?0x40;mmcx?=?1;}

很顯然，通過控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、步進(jìn)電機(jī)的起與停，符合我們的日常控制習(xí)慣，這就是工程學(xué)與實(shí)際應(yīng)用完美統(tǒng)一的境界。

04步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制策略

控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)有兩種方式：一種是速度控制方式，另一種是終點(diǎn)控制方式。

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速度控制方式是指在實(shí)時(shí)控制時(shí)，只有目標(biāo)速度，沒有目標(biāo)位置的控制方式。這種控制具有隨意性，它可能是從一個(gè)速度到另一個(gè)速度的變化，也可能是保持某個(gè)速度的運(yùn)動(dòng)；而速度的變化可以是增速，也可以是減速；一個(gè)速度與另一個(gè)速度可以是0，也可以不是0（如圖4所示）。

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05代 碼

我知道很多小伙伴不喜歡啰嗦、只喜歡代碼，所以這里就不多說了，大家直接復(fù)制代碼就行了。

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定時(shí)器0（x電機(jī)）的ISR如下：

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voidTimer0(void) interrupt 1 using 1{? ?? ?static UINT??data Dis=0;? ?? ?? ?? ???//剩余行程? ?? ?static bit? ?? ???D=0;? ?? ?? ?? ?? ?? ?//運(yùn)動(dòng)方向? ?? ?static UCH? ?data Vend=0;? ?? ?? ???//目標(biāo)速度? ?? ?static UCH? ?data V=0;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? //當(dāng)前速度? ?? ?static UCH? ?data lps=0;? ?? ?? ?? ???//定時(shí)器延時(shí)倍率計(jì)數(shù)器? ?? ?static bit? ?? ???Wavoid=0;? ?? ?//--------------------------------------------------------------------------------? ?? ?if(_testbit_(mmcx))? ?? ?? ?? ?// 存在立即執(zhí)行命令? ?? ?{? ?? ?? ???switch(mmCmdx)? ?? ?? ???{? ?? ?? ?? ?? ???case 0x40:??// 停止? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? if(Dis>V)Dis = V;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?Vend= 0;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? mmCmdx = 0x00;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? break;? ?? ?? ?? ?? ???default??:? ?// 開始命令解釋: mmcx = 0 表示速度變化，其他命令必須mmcx = 1? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? if(V&&(D!=mmdx)) // 如果速度大于0反向則執(zhí)行減速到自動(dòng)停止? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?if(Vend){Dis= V; Vend = 0;}? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? else? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?D = mmdx;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?Vend = mmCmdx;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?Sendx =mmSx;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?if(Sendx<(CSmaxx1))? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?Dis= (fx)?(Sendx -Sx):((D)?((Sendx>=Sx)?(Sendx-Sx)((Sendx<=Sx)?(Sx-Sendx):(CSmaxx1-Sendx+Sx)));? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?else? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?Dis= 0xFFFF;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? if(!Dis)StopRunx();? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?if(!lps) lps = CT2Vooo; //以最快速度進(jìn)入第一步? ?? ?? ???}? ?? ?}? ?? ?// 運(yùn)行處理? ?? ?if(++lps) return;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?// 延長定時(shí)器定時(shí)時(shí)間，lps自增到溢出(==0)才進(jìn)行一次運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)處理? ?? ?SendMx();? ?? ?? ?? ?? ?? ? //根據(jù)當(dāng)前方向運(yùn)動(dòng)一步? ?? ?NextPx();? ?? ?? ?? ?? ?? ???//求下一個(gè)圓周坐標(biāo)Sx，以及剩余行程Dis(行程不能大于等于最大圓周坐標(biāo)，自動(dòng)計(jì)算近距離及方向到達(dá)目標(biāo))? ?? ?WidAvd();? ?? ?? ?? ?? ?? ? //光電管處同步處理(自檢正方向從未遮擋到遮擋處為0，從遮擋到未遮擋處為光電管寬度，反方向倒著處理)? ?? ?NxtxAn();? ?? ?? ?? ?? ?? ???//求下一個(gè)速度參數(shù)}

步進(jìn)電機(jī)走一步代碼如下（此處代碼根據(jù)硬件確定，以下僅供參考）：

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#define SendMx(){? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? Cctrl = 1; Cdata =0; Cctrl = 0; ? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? Cctrl = 1; Cdata =!D; Cctrl = 0; ???????????????????????}

步進(jìn)電機(jī)走一步后坐標(biāo)與行程處理的代碼如下：

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#define NextPx(){? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? if(fx)? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? Sx++;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? else? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? if(D)? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?Sx++;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?if(Sx>=CSmaxx1)Sx = 0;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? else? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?if(Sx)Sx--; else Sx = CSmaxx1 - 1;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? if(Dis &&(Dis<(CSmaxx1))) Dis--;????????????????????????}

每次檢測到光電管后同步處理的代碼如下：

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#define WidAvd(){? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? if(Wavoid)? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? if(Pos0x)? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?Wavoid =0;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?if(fx)if(Pscx==5) NdCtrlx = 1;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? else? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? if(!Pos0x)? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?Wavoid =1;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?if(fx)? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?{? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?if((Pscx==3)||(Pscx==4))NdCtrlx = 1;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?}? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?else? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?{? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?Sx= (D)?0:CSdelta;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?}? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }???????????????????????}

步進(jìn)電機(jī)走一步后速度處理的代碼如下：

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#define NxtxAn(){? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? if(Dis)? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? if(Dis>V)? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?if(V? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?{? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?V++;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?}? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?else? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?{? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?if(V>Vend)V--;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?}? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? else? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?V--;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? lps = CxT2Vmin+ V;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? else? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? {? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? StopRunx();? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }???????????????????????}

06相關(guān)問題與處理方法

1、由于步進(jìn)電機(jī)是一種電轉(zhuǎn)換率很低的設(shè)備，因此，當(dāng)負(fù)載與輸出功率出現(xiàn)矛盾時(shí)，一定要保證設(shè)備不能出現(xiàn)失步，盡可能降低負(fù)載影響是重中之重。例如，減輕負(fù)載質(zhì)量、降低負(fù)載運(yùn)動(dòng)阻力等，都是很重要的工作。

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2、選擇銅耗鐵耗低的步進(jìn)電機(jī)，是在體積一定的情況下提高步進(jìn)電機(jī)帶載能力的優(yōu)選方案，如果你能接受這樣做帶來的成本增加的話。

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3、速度突變?nèi)菀讓?dǎo)致步進(jìn)電機(jī)失步，這主要是“既想步進(jìn)電機(jī)小，又想步進(jìn)電機(jī)快”導(dǎo)致的步進(jìn)電機(jī)功率跟不上速度變化。在不提高步進(jìn)電機(jī)功率的前提下，利用合適的加速曲線能一定程度上抑制失步。

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4、光電管位置同步，是避免步進(jìn)電機(jī)控制時(shí)，因機(jī)械誤差導(dǎo)致數(shù)位累積誤差的有效辦法。由于這種誤差通常只會(huì)在整周轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生累積，因此只要在每次經(jīng)過零位光電管時(shí)進(jìn)行一次同步即可消除。

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5、對于計(jì)算時(shí)出現(xiàn)位置速度偏差的處理方法是，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定目標(biāo)前速度按加減速曲線應(yīng)該變?yōu)?時(shí)，保持速度1不變，直到到達(dá)終點(diǎn)。當(dāng)?shù)竭_(dá)指定目標(biāo)時(shí)速度按加減速曲線計(jì)算無法到達(dá)0時(shí)，到達(dá)終點(diǎn)時(shí)速度直接降為0。

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盡管這種處理看起來不太合理，但這種偏差在運(yùn)算出現(xiàn)±1誤差時(shí)進(jìn)行強(qiáng)制修正，實(shí)際造成的影響可以忽略不計(jì)。

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