TMS320F28027與L298N的懸掛運動控制系統(tǒng)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控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過控制2個步進電機，控制軸上線的收放來達到使懸掛物在平面內任意運動的效果，以實現(xiàn)畫圓或指定圖案和顯示當前坐標等功能。主要介紹了步進電機的控制算法和利用TMS320F28027芯片實現(xiàn)位置閉環(huán)控制的方法。該系統(tǒng)具有高效、穩(wěn)定、準確等優(yōu)點。

引言

隨著TI公司32位DSP的普及，32位處理器已經成為控制領域的主流產品，與傳統(tǒng)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(wěn)定性高的優(yōu)點。本文利用TMS320F28027控制兩個步進電機，從而使物體在平面內運動，實現(xiàn)物體在平面內可以任意地畫指定的曲線和圓等。圖1為懸掛系統(tǒng)的模型。

1 系統(tǒng)總體方案的設計

圖2為懸掛系統(tǒng)控制框圖，以TMS320F28027為控制芯片，利用L298N驅動兩個步進電機。步進電機采用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時坐標。控制2個步進電機正向、反向轉動來達到物體在平面內任意運動的效果。

2 硬件電路設計

2.1 L298N

L298N是ST公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。圖3為L298N模塊的電路原理圖。該芯片的主要特點是：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(xù)工作電流為2 A;內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器。利用2個L298N來分別控制2個步進電機，步進電機的額定電流為1.3 A，同時通2相時，電流為2.6 A，L298N可以達到42HS4813A4步進電機的電流要求。

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)點在于采用無接觸霍爾檢測技術，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檢測原理的缺點。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 幾何關系1：從任意點移動到任意點算法

坐標示意圖如圖4所示，有如下的邊長和角度關系：

3.2 幾何關系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關系：

控制代碼如下：

3.3 電機位置閉環(huán)控制方法

步進電機閉環(huán)控制框圖如圖6所示，TMS320F28027分別用2個定時器來控制兩個電機，用絕對式編碼器對位置進行監(jiān)控，進行失步補償，保證位置正確，并且可以使曲線圓滑。

步進電機的型號為42HS4813A4，為了防止失步，步進電機每步的最小間隔為4 ms，并且用軟件對步進電機進行了十六細分，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); //定時器1控制步進電機1

newsf_motor2_SpeedAndSpace_acccss((int)flag_motor2 paces，flag_cputimer_2，2); //定時器2控制步進電機2

3.4 畫圖算法

利用幾何關系任意點到任意點的算法，分別給處理器一連串的位置坐標，控制物體的運動軌跡，如圖8所示。

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

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)完成后，進行了兩項測試，分別是畫圓運動和運動到指定點。

其中畫圓運動測試是在輸入圓心坐標以及半徑后，對實際畫出圓的直徑與理論直徑作了對比，并且記錄了畫圓的耗時。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，運動到指定點測試是以坐標原點為起始點，在輸入指定坐標之后，對原點到指定點距離的理論值和實際值作了對比，并且記錄了運動完后回到原點的誤差距離，即是否能準確回到原點。在此測試中，運動的原點坐標為(0cm，0cm)，目標坐標為(49.0 cm，50.0 cm)，即距離原點為70.0cm，實際測試時，運動到(49.1 cm，49.2 cm)，即距離原點69.5 cm，測試結果如表2所列。

由測試結果可看出，該系統(tǒng)具有高效、穩(wěn)定、準確的優(yōu)點，符合實驗預期。