基于32位DSP及电机驱动芯片的悬挂运动控制设计 步进电机

520503

随着32位DSP的普及，32位处理器已经成为控制领域的主流产品，与传统的微处理器相比速度更快、性能更强、资源丰富，更符合发展的脚步。TMS320F28027是一款32位的DSP，具有运算速度快、稳定性高的优点。本文利用TMS320F28027控制两个步进电机，从而使物体在平面内运动，实现物体在平面内可以任意地画指定的曲线和圆等。
　　1 系统总体方案的设计
　　图2为悬挂系统控制框图，以TMS320F28027为控制芯片，利用L298N 驱动两个步进电机。步进电机采用42HS4813A4，其额定电流为1.3A，步距角为1.8°，利用LCD-12864液晶显示被控制物的实时坐标。控制2个步进电机正向、反向转动来达到物体在平面内任意运动的效果。

　　

　　图1 悬挂系统的模型

　　

　　图2 悬挂系统控制框图

　　2 硬件电路设计
　　2.1 L298N
　　L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。图3为L298N模块的电路原理图。该芯片的主要特点是：工作电压高，其最高工作电压可达46V;输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A;内含两个H 桥的高电压大电流全桥式驱动器。利用2个L298N来分别控制2个步进电机，步进电机的额定电流为1.3A，同时通2相时，电流为2.6A，L298N 可以达到42HS4813A4步进电机的电流要求。

　　

　　图3 L298N模块电路原理图

　　2.2 绝对式编码器
　　绝对式编码器的精度必须要高于步进电机的精度，所以这里采用的是10位绝对式编码器。选用的型号是Mini1024J，精度为10位，优点在于采用无接触霍尔检测技术，传感器运行不受灰尘或其他杂物影响，很好克服了基于光学检测原理的缺点。
　　3 系统软件设计
　　3.1 几何关系1：从任意点移动到任意点算法
　　坐标示意图如图4所示，有如下的边长和角度关系：

　　

　　

　　图4 坐标示意图

　　

　　3.2 几何关系2：当前位置坐标显示算法

　　如图5所示，存在以下的角度和边长关系：

　　

　　控制代码如下：

　　

　　

　　图5 坐标示意图

　　3.3 电机位置闭环控制方法
　　步进电机闭环控制框图如图6所示，TMS320F28027分别用2个定时器来控制两个电机，用绝对式编码器对位置进行监控，进行失步补偿，保证位置正确，并且可以使曲线圆滑。

　　图6 步进电机闭环控制框图

　　步进电机的型号为42HS4813A4，为了防止失步，步进电机每步的最小间隔为4ms，并且用软件对步进电机进行了十六细分，即每步的间距为0.45°。控制电机部分的程序流程图如图7所示。

　　

　　图7 控制电机部分的程序流程图

　　控制代码如下：

　　

　　3.4 画图算法
　　利用几何关系任意点到任意点的算法，分别给处理器一连串的位置坐标，控制物体的运动轨迹，如图8所示。

　　

　　图8 画圆取点示意图

　　相同间隔取N个点，分别输入处理器，来控制物体的坐标。将取的点传递给TMS320F28027时，为了让圆足够的平滑，消去锯齿状，所以在圆上取了200个点。控制代码如下所示：

　　

　　4 系统测试
　　系统完成后，进行了两项测试，分别是画圆运动和运动到指定点。
　　其中画圆运动测试是在输入圆心坐标以及半径后，对实际画出圆的直径与理论直径作了对比，并且记录了画圆的耗时。此测试中，圆心坐标为（40.0cm，40.0cm），输入的半径值为30.0cm，测试结果如表1所列。

　　表1 画图运动测试结果

　　

　　其中，运动到指定点测试是以坐标原点为起始点，在输入指定坐标之后，对原点到指定点距离的理论值和实际值作了对比，并且记录了运动完后回到原点的误差距离，即是否能准确回到原点。在此测试中，运动的原点坐标为（0cm，0cm），目标坐标为（49.0cm，50.0cm），即距离原点为70.0cm，实际测试时，运动到（49.1cm，49.2cm），即距离原点69.5cm，测试结果如表2所列。

　　表2 运动到指定点测试

　　

　　由测试结果可看出，该系统具有高效、稳定、准确的优点，符合实验预期。