TMS320F28027與L298N的懸掛運動(dòng)控制系統設計

摘要：介紹了由TMS320F28027和L298N模塊以及編碼器組成的懸掛運動(dòng)控制系統。該系統通過(guò)控制2個(gè)步進(jìn)電機，控制軸上線(xiàn)的收放來(lái)達到使懸掛物在平面內任意運動(dòng)的效果，以實(shí)現畫(huà)圓或指定圖案和顯示當前坐標等功能。主要介紹了步進(jìn)電機的控制算法和利用TMS320F28027芯片實(shí)現位置閉環(huán)控制的方法。該系統具有高效、穩定、準確等優(yōu)點(diǎn)。

引言

隨著(zhù)TI公司32位DSP的普及，32位處理器已經(jīng)成為控制領(lǐng)域的主流產(chǎn)品，與傳統的微處理器相比速度更快、性能更強、資源豐富，更符合發(fā)展的腳步。TMS320F28027是一款32位的DSP，具有運算速度快、穩定性高的優(yōu)點(diǎn)。本文利用TMS320F28027控制兩個(gè)步進(jìn)電機，從而使物體在平面內運動(dòng)，實(shí)現物體在平面內可以任意地畫(huà)指定的曲線(xiàn)和圓等。圖1為懸掛系統的模型。

1 系統總體方案的設計

圖2為懸掛系統控制框圖，以TMS320F28027為控制芯片，利用L298N驅動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機。步進(jìn)電機采用42HS4813A4，其額定電流為1.3 A，步距角為1.8°，利用LCD-12864液晶顯示被控制物的實(shí)時(shí)坐標?？刂?個(gè)步進(jìn)電機正向、反向轉動(dòng)來(lái)達到物體在平面內任意運動(dòng)的效果。

2 硬件電路設計

2.1 L298N

L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅動(dòng)芯片。圖3為L(cháng)298N模塊的電路原理圖。該芯片的主要特點(diǎn)是：工作電壓高，其最高工作電壓可達46 V;輸出電流大，瞬間峰值電流可達3 A，持續工作電流為2 A;內含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅動(dòng)器。利用2個(gè)L298N來(lái)分別控制2個(gè)步進(jìn)電機，步進(jìn)電機的額定電流為1.3 A，同時(shí)通2相時(shí)，電流為2.6 A，L298N可以達到42HS4813A4步進(jìn)電機的電流要求。

2.2 絕對式編碼器

絕對式編碼器的精度必須要高于步進(jìn)電機的精度，所以這里采用的是10位絕對式編碼器。選用的型號是Minil024J，精度為10位，優(yōu)點(diǎn)在于采用無(wú)接觸霍爾檢測技術(shù)，傳感器運行不受灰塵或其他雜物影響，很好克服了基于光學(xué)檢測原理的缺點(diǎn)。

3 系統軟件設計

3.1 幾何關(guān)系1：從任意點(diǎn)移動(dòng)到任意點(diǎn)算法

坐標示意圖如圖4所示，有如下的邊長(cháng)和角度關(guān)系：

3.2 幾何關(guān)系2：當前位置坐標顯示算法

如圖5所示，存在以下的角度和邊長(cháng)關(guān)系：

控制代碼如下：

3.3 電機位置閉環(huán)控制方法

步進(jìn)電機閉環(huán)控制框圖如圖6所示，TMS320F28027分別用2個(gè)定時(shí)器來(lái)控制兩個(gè)電機，用絕對式編碼器對位置進(jìn)行監控，進(jìn)行失步補償，保證位置正確，并且可以使曲線(xiàn)圓滑。

步進(jìn)電機的型號為42HS4813A4，為了防止失步，步進(jìn)電機每步的最小間隔為4 ms，并且用軟件對步進(jìn)電機進(jìn)行了十六細分，即每步的間距為0.45°?？刂齐姍C部分的程序流程圖如圖7所示。

控制代碼如下：

newsf_motorl_SpeedAndSpace_access((int)flag_motorl_paces，flag_cputimer_1，2); //定時(shí)器1控制步進(jìn)電機1

newsf_motor2_SpeedAndSpace_acccss((int)flag_motor2 paces，flag_cputimer_2，2); //定時(shí)器2控制步進(jìn)電機2

3.4 畫(huà)圖算法

利用幾何關(guān)系任意點(diǎn)到任意點(diǎn)的算法，分別給處理器一連串的位置坐標，控制物體的運動(dòng)軌跡，如圖8所示。

相同間隔取N個(gè)點(diǎn)，分別輸入處理器，來(lái)控制物體的坐標。將取的點(diǎn)傳遞給TMS320F28027時(shí)，為了讓圓足夠的平滑，消去鋸齒狀，所以在圓上取了200個(gè)點(diǎn)?？刂拼a如下所示：

4 系統測試

系統完成后，進(jìn)行了兩項測試，分別是畫(huà)圓運動(dòng)和運動(dòng)到指定點(diǎn)。

其中畫(huà)圓運動(dòng)測試是在輸入圓心坐標以及半徑后，對實(shí)際畫(huà)出圓的直徑與理論直徑作了對比，并且記錄了畫(huà)圓的耗時(shí)。此測試中，圓心坐標為(40.0cm，40.0cm)，輸入的半徑值為30.0cm，測試結果如表1所列。

其中，運動(dòng)到指定點(diǎn)測試是以坐標原點(diǎn)為起始點(diǎn)，在輸入指定坐標之后，對原點(diǎn)到指定點(diǎn)距離的理論值和實(shí)際值作了對比，并且記錄了運動(dòng)完后回到原點(diǎn)的誤差距離，即是否能準確回到原點(diǎn)。在此測試中，運動(dòng)的原點(diǎn)坐標為(0cm，0cm)，目標坐標為(49.0 cm，50.0 cm)，即距離原點(diǎn)為70.0cm，實(shí)際測試時(shí)，運動(dòng)到(49.1 cm，49.2 cm)，即距離原點(diǎn)69.5 cm，測試結果如表2所列。

由測試結果可看出，該系統具有高效、穩定、準確的優(yōu)點(diǎn)，符合實(shí)驗預期。