姬宣德-基于DSP控制器的悬挂运动控制系统

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1、基于DSP控制器的悬挂运动控制系统姬宣德（洛阳理工学院自动化系河南洛阳471003）摘要：本文以DSP作为控制器、以步进电机为执行机构，实现了圆轨迹跟踪的运动控制。实验结果表明在可以容忍的误差范围内，实现了对圆轨迹曲线的跟踪，并分析了产生误差的原因。关键词：步进电机DSP点对点逼近中图分类号：TP183；TM342文献标识码：B0引言悬挂运动控制系统就是一个电机控制系统，控制物体在倾斜（仰角≤100度）的板上运动在—白色底板上，固定两滑轮，两个步进电机（固定在板上）通过穿过滑轮的吊绳控制—物体（滑块）在板上运动，运动

2、范围为80cm×100cm。物体（滑块）上固定有浅色画笔，以便运动时能在板上画出圆的运动轨迹。悬挂运动控制系统本质上是一个闭环控制的无位置传感器随动系统，必须实时计算在板上运动的物体（滑块）的当前位置（坐标），而位置计算模型算法比较复杂，因此需要运算速度快，处理能力强的控制器。TMS320LF2407ADSP控制器是一款16位的微处理器，作为电机控制专用芯片，运算速度快，25ns的单指令周期为实时控制系统提供了良好的硬件基础。基于C语言的软件编程为实现复杂的位置计算算法则提供了良好的软件基础。1系统工作原理及控制思想

3、1.1系统工作原理DSP控制器首先利用位置算法模型计算出物体（滑块）在坐标系下的当前位置，在与给定坐标进行比较，计算出在物体（滑块）在坐标系下的区间，然后把生成的控制信号经过I/O输出，由于TMS320LF2407ADSP控制器属于低功耗控制器，需要把3.3V的电平信号利用（SN74C04N）3.3/5.0V电压转换芯片转换成5.0V的电平信号，通过（ULN2803）功率驱动芯片驱动两个步进电机。这就是系统的工作原理。图1是悬挂运动控制系统的工作原理结构图。图1控制系统工作原理结构图1.2系统控制思想图2是系统的工作

4、原理示意图。本系统利用点对点逼近的方法来实现圆轨迹的跟踪，从图2可以看出，只要物体（滑块）位置没有到达给定点，物体（滑块）位置总是处在以给定点为坐标原点的坐标系下的某一个区间，利用区间判断公式判断出物体（滑块）位置在坐标系下的区间，就可以指令步进电机进行运动从而移动物体（滑块）。利如，如图2所示，如果物体（滑块）在坐标系的2区间，这时应该让步进电机1放线使拉长，这样，物体（滑块）在重力的作用下，以B点为圆心，以为半径，做圆弧运动。为了避免控制位置不准确，两个步进电机在同一时刻不同时运行。的计算：；的计算：这里，都是已

5、知量，而可以通过公式求出来。图2系统的工作原理示意图2硬件设计整个控制系统由DSP控制器、数码显示、键盘给定、SN74C04N（电压转换芯片）、ULN2803（功率驱动芯片）、步进电机组成。数码显示：用于显示物体（滑块）的当前位置；键盘：用于给定位置；SN74C04N：电压转换芯片，用于把DSP控制器输出的3.3v电压转换成5.0V电压；电压转换芯片的引脚为输入信号，为输出信号。与DSP芯片的输出引脚相连，分别与功率驱动芯片的1、2、3、4引脚相连作为输出信号。ULN2803：功率驱动芯片，用于放大DSP控制器输出信

6、号以驱动步进电机；功率驱动芯片是将输入5V电压转换为12V电压输出，以驱动步进电机动作。步进电机：作为执行机构，拖动物体（滑块）运动。图3控制系统硬件组成原理图3软件设计软件设计由主程序和中断服务程序组成。主程序完成系统初始化设置、输出显示、检测给定输入、等待中断；初始化流程设置通用定时器控制寄存器T1/2CON并启动定时器；中断服务子程序任务就是首先计算滑块在坐标系下的当前位置，接着利用区间判断公式判断出物体（滑块）位置在坐标系下的区间，然后根据所在区间来决定滑块怎样运动，之后，判断是否进入了一个控制周期，如果进入

7、，则需要根据区间在计算当前的，以被下一个周期使用，如果没有进入一个控制周期，直接返回。等待下一次中断。中断服务子程序流程图如图4所示。4实验结果分析及结论图5是利用此系统跟踪圆轨迹的结果实验图。从图中可以看出，在可以容忍的误差范围内，实现了对圆轨迹曲线的跟踪。存在误差的原因分析如下：1：物体（滑块）在下降过程中，受重力及棉线弹性的影响，使得实际下降长度大于理想计算长度；2：物体（滑块）在上升过程中，受重力及棉线弹性的影响，使得实际上升长度小于理想计算长度；3：步进电机在缠绕过程中，缠绕半径的大小会随放线的长度而改变；

8、4：由于本系统是一个闭环控制的无位置传感器随动系统，使得无法校正悬挂物体实际位置与理想位置之间的偏差。图4中断服务子程序流程图图5控制系统实验结果图参考文献：[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，2004；[2]韩安太.DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用.北京：清华大学出版社，2003；[3]刘和平.TMS320LF