Неравномерное ускорение шагового двигателя/выполнение кода

Я создал библиотеку для управления шаговым двигателем. У меня есть контроллер, который принимает сигнал натяжения, а затем выполняет шаг, поэтому мой код должен генерировать изменение состояния, чтобы контроллер выполнил один шаг.

У меня есть часть кода, отвечающая за ускорение. Она запускается в основном цикле так часто, как это возможно. Ускорение задается в шагах/с/с, а скорость в шагах/с. Вот метод, о котором идет речь:

void StepperMotor::accelerate() {
  speed = start_accelerating_speed + (micros() - startAccelTime) / 1000000.0 * acceleration;
  step_time = 1000000 / speed;
}

start_accelerating_speed устанавливается в micros() при запуске двигателя. Допустим, acceleration = 200.

step_time используется кодом в основном цикле для проверки того, пришло ли время сделать шаг.

Код, кажется, работает нормально, однако, при выполнении, двигатель начинает ускоряться, как и ожидалось, затем быстро увеличивает скорость, скажем, на 10% от целевой скорости и продолжает плавно ускоряться в течение некоторого времени. Эта модель повторяется. Скачки можно услышать только при изменении скорости двигателя или звуке зуммера (я использую зуммер вместо двигателя для простоты отладки). Скорость печати на последовательном порту полностью убивает производительность, заставляя код ждать последовательного порта.

Я использовал этот код для измерения времени цикла без добавления значительных накладных расходов Serial.println().

// Выполняется в основном цикле, циклы и step_time определены ранее.
loops++;
if (loops >= 10000) {
  Serial.println(micros()-loop_time);
  loop_time = micros();
  loops = 0;
}

Вывод: цикл выполняется примерно за 56 микросекунд, менее 70, когда двигатель работает и ускоряется. Запуск шагового двигателя в этой настройке со скоростью 1000 шагов в секунду требует мин. времени цикла 1000 микросекунд (или 1 миллисекунду). Код должен работать гладко.

Я запустил код на чистом C++ и построил графики результатов в Matlab. Результат — линейное ускорение.

Я попробовал замедлить основной цикл до 50 мс на цикл и соответственно замедлить двигатель и ускорение, чтобы также вывести скорости на последовательный порт; тогда все работает нормально.

Ни одна форма delay() никогда не используется в коде.

Протестировано с ATmega 328 и ATmega 2560 с одинаковыми результатами.

Прошел уже месяц, и я не могу найти в интернете похожей проблемы.

Кто-нибудь знает, что здесь происходит?

P.S. Я знаю, что линейное ускорение не является оптимальным, но сначала я хотел бы решить текущую проблему.

Я включаю полный исходный код для этого класса. Я сократил код до минимума. Проблема все еще сохраняется. На тон зуммера, похоже, влияет включение второго двигателя, печать на последовательном порту и т. д., несмотря на то, что выполнение цикла никогда не превышает 1 мс.

main.cpp

#include <Arduino.h>
#include <StepperMotor.h>

StepperMotor motor_1(3, 2, 4);

void setup(void) {
  Serial.begin(115200);
  motor_1.start();
}

void loop(void) {   
  motor_1.update();
}

ШаговыйДвигатель.cpp

// Constructor
StepperMotor::StepperMotor(uint8_t step_pin_, uint8_t enable_pin_, uint8_t direction_pin_):
step_pin(step_pin_), enable_pin(enable_pin_), direction_pin(direction_pin_) {
  // Initiating pinouts
  pinMode(step_pin, OUTPUT);
  pinMode(enable_pin, OUTPUT);
  pinMode(direction_pin, OUTPUT);

  // Setting pin states
  digitalWrite(step_pin, LOW);
  digitalWrite(enable_pin, HIGH);
  digitalWrite(direction_pin, LOW);
}

// Called while accelerating. Recalculate speed and check if target speed has been reached.
void StepperMotor::accelerate() {
  // Using start time - calculate current speed and step time.
  speed = start_accelerating_speed + (micros() - startAccelTime) / 1000000.0 * acceleration;
  step_time = 1000000 / speed;

  // Stop accelerating if target speed is reached
  if (speed >= target_speed) {
    accelerating = false;
  }
  // Serial.println(speed);
}

// Realising basic steps needed to start motor and prepare variables.
void StepperMotor::startMotion() {
  Serial.println("Start"); // Debug

  // Prepare variables for step control
  prev_step_time = time;
  speed = 0;
  step_time = 0;

  // Prepare acceleration
  startAccelTime = time;
  start_accelerating_speed = 0;
  accelerating = true; // Enable acceleration
}

// Overloaded methods for starting a motor.
// Start in the same direstion and speed as before.
void StepperMotor::start() {
  startMotion();
}

void StepperMotor::update() { // Main control method. Executed in loop by Stepper.cpp
  time = micros();

  if (time-prev_step_time >= step_time) { // Is it time to step?
    step_pin_state = !step_pin_state;    // Alter pin variable
    digitalWrite(step_pin, step_pin_state);    // Write pin state to pinout

    prev_step_time = time;
  }

  if (accelerating) { // If target speed not reached: accelerate
    accelerate();
  }
}

Шаговый двигатель.h

// StepperMotor.h

#ifndef STEPPERMOTOR_H
#define STEPPERMOTOR_H

#include <Arduino.h>

class StepperMotor {
public:
  // Constructor
  StepperMotor(uint8_t step_pin_, uint8_t enable_pin_, uint8_t direction_pin_);

  // Methods
  void start();

  // Main loop method called by StepperController
  void update();

private:
  // Pins
  uint8_t step_pin;      // Change of state = 1 step.
  uint8_t enable_pin;    // 0 = Disabled  1 = Enabled
  uint8_t direction_pin; // 0 = CW        1 = CCW
    
  double target_speed = 1000; // In steps per second

  // Timers
  unsigned long time;
  unsigned long startAccelTime;
  unsigned long startAccelTimeMillis;
  unsigned long step_time; // Indicates time between steps in microseconds
  unsigned long prev_step_time;
  unsigned long prev_accel_time;       // Usually the same as prev_stepTime //change comment

  double speed;        // Indicates the motor's speed in steps per second
  bool step_pin_state; // Indicates current state of step pin. FALSE = LOW; TRUE = HIGH

  bool direction;      // Indicates the motor's rotation direction
  bool moving;         // Indicates if stepper is moving or not. Do not confuse with enable - enable can be used to hold motor in place.

  void startMotion();
  void accelerate();

  bool accelerating = false;
  double acceleration = 200; // In steps per second^2
  double start_accelerating_speed;
};

#endif // STEPPERMOTOR_H