AccelStepper изнутри: счётчик n и торможение по остатку

Разгон из прошлого урока я тащил через три проекта, а на четвёртом он сломался — не по-настоящему, а морально. Заслонке вентиляции добавили вторую команду: закрываться не до конца, а до половины, по показаниям датчика. В самодельной трапеции это означало пересчитать тормозной остаток на лету, не перепутать, какая половина профиля уже прожита, и не потерять счётчик разгона при развороте. Вечер возни с тремя переменными состояния — и осознание, что я пишу библиотеку. Плохую.

Библиотека AccelStepper уже была установлена и обкатана: HALF4WIRE для нашей связки с ULN2003, 4096 позиций на оборот против 2048 полных шагов из урока про передаточное число. Внешний слой мы разобрали в уроке про maxSpeed и acceleration: единицы — шаги в секунду, время и путь разгона считаются на бумажке, стартовая пара для 28BYJ-48 — 500 и 1000. Здесь спускаемся этажом ниже: что происходит внутри run() на каждом шаге, откуда берётся первый интервал и как библиотека узнаёт, что пора тормозить.

Заодно ответим на вопрос, который я задавал себе весь тот вечер: чем библиотечный разгон лучше моих сорока строк? Ответ не в цифрах скорости — он в том, кто хранит состояние движения. В самоделке это ваши переменные и ваша дисциплина, в библиотеке — автомат, которому достаточно цели. Проверим скетчем со сменой цели в полёте, таблицей честных сравнений и моделью автомата в симуляторе.

Главное слово библиотеки — run(): каждый вызов делает максимум один шаг и сразу возвращается, мы раскладывали это в уроке про неблокирующее движение. Но перед шагом run() пересчитывает интервал, и вот тут начинается интересное. В библиотеке живёт счётчик n — сколько шагов мотор уже сделал в текущем разгоне. Каждый шаг разгона этот счётчик растёт, а интервал, по которому живёт мотор, подрезается: скорость нарастает гладко, без ступеней самодельной дельты, потому что пересчёт идёт на каждом шаге, а не партиями по полсотни.

Первый шаг библиотека делает по интервалу, который выводится из ускорения. В исходнике формула выглядит как константа 0,676, умноженная на корень из двух, делённого на ускорение; при acceleration 1000 шаг/с² это около 30 миллисекунд на первый шаг — старт с тихой скорости порядка 33 шагов в секунду. Число 0,676 — эмпирическая поправка: авторы подобрали её, чтобы реальный путь разгона сходился с расчётным. Трогаться с тридцати шагов в секунду, а не с нуля и не с потолка — ровно то, что нужно пластиковому редуктору.

Торможение — самая красивая часть автомата. Библиотека в каждый момент знает остаток пути: distanceToGo() отдаёт его одной строкой. Как только остаток становится меньше разгонного счётчика n, счётчик начинает сдавать назад — интервал растёт шаг за шагом, и к цели мотор приезжает почти на нуле. Сообщать тормозной остаток руками не нужно: он вычисляется сам, и именно поэтому смена цели в полёте, которая сломала мне вечер, здесь стоит одну строку moveTo.

Теперь честное сравнение с самоделкой. Плавность: библиотека пересчитывает интервал на каждом шаге в дробной арифметике, мои ступени по пятьдесят шагов — компромисс ради читаемого кода. Торможение: у библиотеки автоматическое, у самоделки — константа nRamp, которую надо править при каждом изменении маршрута. Смена цели: moveTo перезаписывает её, и профиль пересобирается сам — обе половины, без вашей помощи.

Есть и то, чего у самоделки нет в принципе. Несколько моторов в одном скетче: второй объект AccelStepper живёт своими n и интервалом параллельно, в своём темпе. И режимы для драйверов: два пина STEP и DIR для A4988 и родни, где Stepper.h бессилен. Для станка или плоттера это не бонус, а входной билет.

И граница применимости, без которой я бы не поверил сам себе. Один мотор, маршрут фиксированный, ход занимает секунды — сорок строк самоделки из прошлого урока проживут в прошивке годами, и я их не переписываю. Библиотека берёт своё там, где движение становится живым: цели меняются на лету, моторов больше одного, профиль крутится параметрами. Цена — пара килобайт флеша и чужой словарь единиц: шаги в секунду, а не обороты в минуту.

Скетч начинается привычно: HALF4WIRE, потолок 500, наклон 1000 — стартовая пара, проверенная на шторке и столике. Кнопка D2 не запускает ход, а отодвигает цель: moveTo(currentPosition() + 1024) — четверть оборота в полушагах от того места, где вал сейчас. Нажали до старта — поедет сразу; нажали в пути — цель отодвинется, и автомат сам решит, продолжать разгон или уже тормозить по-новой.

Печать пар spd= и dst= раз в 250 миллисекунд я держу ради графика Serial Plotter: скорость рисует трапецию, остаток — лестницу вниз. Между печатями run() вызывается в каждом проходе — помните правило из неблокирующего урока: пропустили вызовы, для библиотеки остановилось время. Задержка печати на 9600 бод съедает двадцать миллисекунд, при 500 шагах в секунду это десятая часть плато — терпимо.

distanceToGo() в этой связке — счётчик остатка, на нём держится и диагностика, и условия остановки. Если spd= замерла на одном значении, а dst= не тает — значит, run() перестал вызываться, и искать надо delay или длинный if в loop(). Две величины из двух строк кода заменяют половину отладочных свистков.

Отладка профиля сводится к двум величинам из скетча. spd= должна расти от тридцати-сорока шагов в секунду к потолку и держаться на нём; dst= в середине пути тает почти линейно, а на краях — медленно. Если spd= стоит на одном значении с самого старта, профиль не живёт: ищите delay или длинный if, душащий run(). Если мотор трогается щелчком, как в прошлом уроке, — наклон великоват: режьте acceleration вдвое, с 1000 до 500, и путь разгона удвоится со 125 до 250 шагов.

Смена цели на лету меняет картину ожидаемым образом: если нажать кнопку на плато, spd= упадёт не с потолка, а с той скорости, где вал застал кнопку, — торможение началось раньше и с меньшей высоты. Это не странность, а честность автомата: он тормозит из текущего состояния, а не из идеального.

Отдельная осторожность — setCurrentPosition(0). На стоячем моторе это способ выставить ноль без концевика, и я пользуюсь им на каждой сборке. На ходу же вызов сбрасывает профиль на полпути: позиция прыгает, distanceToGo пересчитывается от новой точки, и мотор дёргается. Правило простое: сначала дождитесь dst= нуля, потом обнуляйтесь.

AccelStepper в симуляторе не эмулируется — эта оговорка стоит ещё в уроке про установку, и здесь она всё так же честная. Зато автомат из этого урока собирается на симуляторном Stepper.h руками: тот же счётчик n, та же подрезка интервала, то же торможение по остатку — только каждый шаг этой машины напечатан в Serial, а не спрятан внутри run().

Кнопка D2 запускает ход на 512 шагов: n растёт до шестидесяти четырёх, iv= сползает с 40 мс к 8, затем остаток ost= догоняет n — и счётчик сдаёт назад, тормоз включился сам. Обратите внимание на симметрию: сколько шагов разгонялись, столько и тормозим — та же арифметика, что в прошлом уроке, только без ручного учёта.

Хвост перед целью едет медленно и может показаться заеданием — это не оно: при коротком остатке профиль честно складывается в треугольник, и последние шаги проходят на стартовом интервале. На плате то же самое покажет spd=, падающая к нулю у цели.