本科組控制系統(tǒng)上海交通大學(xué)基于TMS320F2812DSP的方向盤電機(jī)控制系統(tǒng)

1、2011-2012 年德州儀器 (TI) C2000 及 MCU 創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽 【本科組 控制系統(tǒng)類】基于TMS320F2812DSP的方向盤電機(jī)控制系統(tǒng)陳思 徐夢(mèng)超 王盛陽上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院電氣工程系聯(lián)系方式：手機(jī)箱：chensi68作品視頻觀看地址為：2012年3月1日摘 要 基于TMS320F2812DSP的方向盤電機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)使用DSP控制電機(jī)以實(shí)現(xiàn)模擬方向盤的系統(tǒng)。本系統(tǒng)意在模擬開車時(shí)方向盤的運(yùn)行情況。主控芯片為TI公司C2000系列的TMS320F2812，使用普通直流電機(jī)配上光電編碼器，并使方向盤與之同軸。人為地旋轉(zhuǎn)方向盤，編碼器把信

2、號(hào)時(shí)時(shí)的反饋給2812自帶的正交解碼（QEP）模塊，經(jīng)處理后再通過控制PWM的占空比控制輸出電壓來實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的改變，從而使用戶體驗(yàn)開車時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的感覺。關(guān)鍵詞： TMS320F2812，直流電機(jī)，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，方向盤，QEP模塊，PWMAbstract:The motor-controlled steering wheel system based on TMS320F2812DSP is a system using Digital Signal Processor to control the motor in order to achieve the simulation

3、of a steering wheel system. Master chip is TIs C2000 series on TMS320F2812, using ordinary DC motor coupled with incremental rotary encoder and steering wheel with coaxial. When artificially rotating the steering wheel, the encoder sends signal from time to time back to the 2812 which comes with the

4、 QEP module, and then by controlling the PWM duty cycle modulate the output voltage in order to achieve changes in the motor speed and torque, allowing users to experience the feel of rotating the steering wheel.Key words TMS320F2812, DC motor, Incremental rotary encoder, steering wheel ,QEP module,

5、 Pulse Width Modulation目錄1 引言- 1 -2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和分析- 1 -2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)- 1 -2.1 理論分析- 1 -3系統(tǒng)各模塊介紹- 2 -3.1 控制器選擇與簡(jiǎn)介- 2 -3.2 電機(jī)的選擇及參數(shù)- 2 -3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的選擇與介紹- 3 -3.4 角度檢測(cè)模塊旋轉(zhuǎn)及光電編碼器介紹- 3 -3.5 方向盤參數(shù)- 3 -3.6 顯示模塊選擇- 3 -3.7 電源模塊- 4 -3.8 系統(tǒng)總體框圖- 4 -4硬件電路設(shè)計(jì)- 5 -4.1 主控制電路- 5 -4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路- 5 -4.3 角度檢測(cè)模塊- 5 -4.4 顯示電路- 6 -5軟件設(shè)

6、計(jì)- 6 -5.1程序功能描述與設(shè)計(jì)思路- 6 -5.2 軟件主體部分流程圖- 8 -附錄1：- 9 -附錄2：- 10 -附錄3：參考文獻(xiàn)- 11 - 12 -1 引言根據(jù)TI官網(wǎng)上關(guān)于此次比賽的競(jìng)賽內(nèi)容，我們組經(jīng)過討論，考慮到TI公司DSPC2000系列在控制電機(jī)方面的優(yōu)勢(shì),以及我們對(duì)賽車游戲的喜愛，萌生出設(shè)計(jì)制作一個(gè)模擬方向盤的想法，遂而選擇了控制系統(tǒng)類的題目。2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和分析2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)模擬了方向盤在人為轉(zhuǎn)動(dòng)過程中力矩等因素的變化。當(dāng)操作人員不旋轉(zhuǎn)方向盤時(shí)，方向盤應(yīng)保持靜止。旋轉(zhuǎn)方向盤時(shí)（假設(shè)順時(shí)針），操作人員應(yīng)該感受到方向盤上存在一個(gè)力矩使方向盤意欲朝反方向回轉(zhuǎn)（即

7、逆時(shí)針），隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大，此回轉(zhuǎn)力矩也應(yīng)該逐漸增大，即操作人員感受到旋轉(zhuǎn)方向盤越來越困難。此時(shí)，若操作人員停止旋轉(zhuǎn)，方向盤上的回轉(zhuǎn)力矩應(yīng)保持不變；若松開方向盤，方向盤應(yīng)該迅速回轉(zhuǎn)至初始位置后停下。實(shí)際情況中，駕駛員往往先往一邊旋轉(zhuǎn)方向盤后迅速往另一邊回方向盤，那么回轉(zhuǎn)力矩則應(yīng)該先增大后減小再反向增大。根據(jù)上述實(shí)際情形，此系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如下：直流電機(jī)與光電編碼器通過聯(lián)軸器精密相連，方向盤固定在聯(lián)軸器上，聯(lián)軸器軸心通過盤中心，使得直流電機(jī)，編碼器，方向盤共軸。初始狀態(tài)，不給電機(jī)供電，電機(jī)不轉(zhuǎn)，且有一定的初始阻力。當(dāng)方向盤被操作人員旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后，編碼器把信號(hào)反饋給2812，通過處理檢測(cè)出當(dāng)前編碼

8、器的軸所轉(zhuǎn)過的角度及方向，通過產(chǎn)生PWM波控制直流電機(jī)朝相反方向旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩的效果。同時(shí)，隨著角度的增大，加大PWM波的占空比，供給直流電機(jī)的電壓增大，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩因此增大。當(dāng)方向盤被釋放后，編碼器檢測(cè)到角度逐漸減小，因而PWM波的占空比逐漸減小，電機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸減小，當(dāng)編碼器檢測(cè)到角度小于某個(gè)角度（如10）時(shí)，軟件靜止PWM波輸出，電機(jī)依靠慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度后停下。若操作員旋轉(zhuǎn)方向盤到一定角度后迅速朝相反方向旋轉(zhuǎn)，2812能通過檢測(cè)編碼器反饋的信號(hào)判定旋轉(zhuǎn)的方向，以此改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)矩。2.1 理論分析系統(tǒng)通過兩路TTL格式的PWM信號(hào)，與驅(qū)動(dòng)器直接相連。兩者共地。兩路PWM信號(hào)

9、分別命名為PWMA，PWMB。兩者頻率相同。1. PWMA通過調(diào)整占空比的形式來提供彈性系數(shù)K的值大小。有效范圍5-95%。描述如下：F （Fs + K * ）當(dāng) 0 F （Fs K * ）當(dāng) 90度時(shí)， 90當(dāng) 90度時(shí)， 90設(shè)順時(shí)針為正。F順時(shí)針為正。其中F為電機(jī)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力。Fs為在方向盤中點(diǎn)時(shí)，電機(jī)施加給方向盤的初始阻力。通過公式可見，F(xiàn)的大小隨著偏轉(zhuǎn)角度的變化而變化。當(dāng)偏角度超出正負(fù)90度時(shí)，力不再變化。2. PWMB通過調(diào)整占空比的形式來分別實(shí)現(xiàn)方向盤左右扭轉(zhuǎn)力矩的設(shè)定。設(shè)占空比為%。當(dāng)小于5%時(shí)，定為5%，當(dāng)大于95%時(shí)，定為95%。當(dāng)處于5095%時(shí)，此時(shí)為方向盤左右轉(zhuǎn)力給定

10、功能。以一個(gè)和角度成比例的力將方向盤向左或向右轉(zhuǎn)。當(dāng)處于72.5% 77.5%間，方向盤不動(dòng)，僅給方向盤施加回中力當(dāng)處于55% 72.5%間，方向盤向左轉(zhuǎn)，力與成比例。當(dāng)處于77.5% 95%間，方向盤向右轉(zhuǎn)，力與成比例。小于50%部分預(yù)留，以后可以考慮增添方向盤原點(diǎn)變更等功能。3系統(tǒng)各模塊介紹3.1 控制器選擇與簡(jiǎn)介TMS320F2812 是美國(guó)TI 公司推出的C2000 平臺(tái)上的定點(diǎn)32 位DSP 芯片，主頻150MHZ、處理性能可達(dá)150MIPS，每條指令周期6.67ns。TMS320F2812 采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有統(tǒng)一的存儲(chǔ)模式，包括4M 可尋址程序空間和4M 可尋址數(shù)據(jù)空間。同時(shí)片

11、內(nèi)具有128 16 位的FLASH 存儲(chǔ)器和18K 16 位的SRAM，以及4K16 位的引導(dǎo)ROM。最大支持外擴(kuò)512K16 位的SRAM 和512K16 位的FLASH。具有兩個(gè)事件管理器（EVA、EVB）來管理定時(shí)器和PWM及電機(jī)光電編碼器的接口以及外設(shè)中斷模塊（PIE），最大支持96 個(gè)外部中斷。16通道-12位高性能的A/D來接受傳感器的信號(hào)，通訊接口CAN，SPI和SCI 保證了方便的通訊。2407和2812是DSPC2000系列性能最讓人關(guān)注的兩款芯片，且都是對(duì)于電機(jī)控制開發(fā)使用。我們通過比較兩款芯片的不同： 2812為32位處理器，而2047只有16位；2812具有32位定期器

12、，有兩個(gè)光電編碼器接口，而2047只有16位和一個(gè)，加之TI公司對(duì)2407沒有提供較多的例程支持，而2812 提供完整的模塊例程支持，易于上手。所有我們選擇2812作為我們的主控芯片。3.2 電機(jī)的選擇及參數(shù)方案一：采用直流電機(jī)。直流電機(jī)具有最優(yōu)越的調(diào)速性能，主要表現(xiàn)在調(diào)速方便（可無級(jí)調(diào)速）、調(diào)速范圍寬、低速性能好（起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、起動(dòng)電流?。?、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低、效率高等方面，同時(shí)操作與接線都很簡(jiǎn)單。但運(yùn)行精度較差，開環(huán)定位不準(zhǔn)，且不具備自鎖能力，可能會(huì)導(dǎo)致回轉(zhuǎn)。方案二：采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)具有控制簡(jiǎn)單、定位精確、無積累誤差等優(yōu)點(diǎn)，但在運(yùn)行時(shí)噪音較大、震動(dòng)較強(qiáng)、高速扭矩小、價(jià)格較高，同時(shí)操作、接

13、線及驅(qū)動(dòng)相比直流電機(jī)也較為復(fù)雜。方案三：采用伺服電機(jī)。伺服電機(jī)可使控制速度、位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。同時(shí)自帶編碼器，省卻了外帶編碼器的安裝等問題。但相比前兩者價(jià)格昂貴?；谏鲜霰容^，根據(jù)我們?cè)O(shè)想的方案，并不需要電機(jī)高精度的定位，但卻要求調(diào)速、調(diào)轉(zhuǎn)矩方便易行，靈活可靠。而且在運(yùn)行過程中電機(jī)越穩(wěn)越好，理論上來講伺服電機(jī)最為符合，但價(jià)格太為昂貴。綜合考慮后，我們選擇方案一，并自配編碼器，也可使此裝置的運(yùn)用更為靈活。本方案采用安川電機(jī)公司生產(chǎn)的直流電機(jī)，額定電壓24V，額定電流3A，額定轉(zhuǎn)速2500rpm，額定轉(zhuǎn)矩4Nm，配合變比為12.5的減速器，軸直徑10m

14、m。3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的選擇與介紹方案一：使用分立元件自行制作驅(qū)動(dòng)電路?？梢杂脠?chǎng)效應(yīng)管搭建H橋驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但若相關(guān)器件選擇不當(dāng)，可能會(huì)增大附加功耗，致使電路發(fā)熱，容易發(fā)生故障。方案三：使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊YYE_L298N。此驅(qū)動(dòng)模塊采用L298N作為主要驅(qū)動(dòng)芯片，并由TLP521-4組成光電隔離，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，安全穩(wěn)定，模塊完整易用，且價(jià)格適中。綜合考慮，為了驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定牢靠，采用方案二。3.4 角度檢測(cè)模塊旋轉(zhuǎn)及光電編碼器介紹角度檢測(cè)模塊就是把角度信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。方案一 利用精密電位器來檢測(cè)角度。通過A/D轉(zhuǎn)化電路，就可以檢測(cè)出角度。這樣的電路原理簡(jiǎn)單，容易理解，但硬件電路復(fù)雜。方

15、案二 光電編碼器作為角度測(cè)量裝置，該裝置體積小精度高，工作可靠，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖個(gè)數(shù)的測(cè)量角度傳感器。它是由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成，當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光柵盤與電機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，光電檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，計(jì)算光電編碼器輸出脈沖的增減個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。光電編碼器提供相位差90的兩路脈沖（A,B）信號(hào)，從而可以方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向。故我們選擇此方案。其時(shí)序圖如圖1所示：圖1增量式旋轉(zhuǎn)編碼器時(shí)序圖本方案采用瑞普公司ZSP3806系列編碼器，體積小，重量輕，安裝方便。主軸直徑6mm。供電電壓DC 5-12V，輸出電壓高電平85%Vcc，

16、低電平0.3V，每秒輸出脈沖數(shù)1000。最大轉(zhuǎn)速6000rpm，集電極開路輸出。3.5 方向盤參數(shù)本方案采用PU發(fā)泡方向盤，聚氨酯材料，易于加工，外包紅色、黑色皮革，手感良好。盤直徑320mm，用三個(gè)螺釘固定在聯(lián)軸器一段，盤中心打孔，孔直徑與編碼器一致為6mm。3.6 顯示模塊選擇顯示模塊用于顯示當(dāng)前測(cè)量的角度以及設(shè)定角度等。我們考慮以下兩種方案：方案一 使用液晶顯示。液晶顯示具有超薄輕巧，顯示直觀豐富等優(yōu)勢(shì)。但是其編程工作量加大，控制器的資源占用較多。在此設(shè)計(jì)中使用液晶顯示有些大材小用。方案二 使用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管顯示具有功耗低、電壓低、對(duì)外界環(huán)境要求低、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它是采用二進(jìn)制編

17、碼顯示數(shù)字，程序編譯容易，占用資源少，操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。目前本方案中我們只需要顯示一些簡(jiǎn)單的角度和設(shè)定值，因此采用方案二。考慮到方案的拓展和完善，為了體現(xiàn)方向盤控制的效果，我們擬使用液晶屏來顯示一個(gè)小車，前行過程中跟隨方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)而移動(dòng)，同時(shí)能夠觀察出碰撞的情況，并反饋一個(gè)信號(hào)給控制器，產(chǎn)生方向盤劇烈抖動(dòng)等效果。因時(shí)間有限暫未實(shí)現(xiàn)。3.7 電源模塊2812開發(fā)板采用220V經(jīng)配套的交直流變換器直接給芯片和板上外設(shè)供電。編碼器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊風(fēng)別由5V和3.3V直流電源供電，驅(qū)動(dòng)模塊輸出端驅(qū)動(dòng)電機(jī)Vin處由20V直流電源供電。3.8 系統(tǒng)總體框圖經(jīng)過上述模塊選擇和系統(tǒng)理論分析，系統(tǒng)總體框圖如圖2所示

18、?？刂破鱐MS320F2812直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直流電機(jī)光電編碼器方向盤PWMQEP模塊數(shù)碼管顯示圖2 系統(tǒng)總體框圖4硬件電路設(shè)計(jì)4.1 主控制電路主控制電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器反饋回的信號(hào)采集處理，PWM脈沖信號(hào)的產(chǎn)生，以及信號(hào)的轉(zhuǎn)換顯示等功能。電路原理圖見附錄1。4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)模塊系統(tǒng)原理圖如下：圖3 L298N模塊原理圖L298N：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。15 腳Multiwatt 封裝。JP1：邏輯輸入端，為IN1IN2IN3IN4，其中IN1、IN2 控制電機(jī)M1；IN3、IN4控制電機(jī)M2。U1A-U1D：為TLP521-4 光隔，作用是光電隔離，保護(hù)因電機(jī)啟動(dòng)停止瞬間產(chǎn)生的尖峰脈沖

19、對(duì)主控制器的影響。PWMA、PWMB：L298N 使能端，可通過這兩個(gè)端口實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速。D1-D8：續(xù)流二極管。M1、M2：電機(jī)1、2接口，如果發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)向不對(duì)將電機(jī)兩線調(diào)換即可。4.3 角度檢測(cè)模塊此方案中采用的ZSP3806光電式增編碼器為集電極開路輸出模式，所以在A、B相的輸出端需連接上拉電阻。電路原理圖如圖4所示： 圖4 角度檢測(cè)電路4.4 顯示電路本電路采用八位LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示，用BC7281B芯片驅(qū)動(dòng)，電路原理圖見附錄2。5軟件設(shè)計(jì)5.1程序功能描述與設(shè)計(jì)思路（1）使用PWM波控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供給電機(jī)的電壓，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。PWM波形產(chǎn)生流程：1）：將I/O口設(shè)置

20、為PWM引腳模式2）：設(shè)置裝載TxCON，決定計(jì)數(shù)方式，啟動(dòng)比較操作3）：設(shè)置裝載TxPR，決定PWM波形周期4）： 初始化EvaRegs.CMPR1-3的值,每個(gè)比較單元控制2路互補(bǔ)的PWM輸出，控制PWM占空比5）：EvaRegs.ACTRA比較方式控制寄存器，控制PWM引腳的 高/低 有效6）：EvaRegs.DBTCONA死區(qū)時(shí)間的設(shè)置7）：EvaRegs.COMCONA設(shè)置比較控制寄存器（2）使用光電編碼器測(cè)量角度。解碼電路程序編寫流程：1） 定義有關(guān)QEP的結(jié)構(gòu)體，存放角度、位置、方向等值。typedef struct volatile unsigned int theta_mech;/ 當(dāng)前角度 volatile unsigned int dir_QEP; /電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向 volatile unsigned int location_dir;/方向盤此時(shí)的位置 EVA_QEP;2） 編寫QEP初始化和角度方向計(jì)算函數(shù)。3） 將I/O口設(shè)置為QEP輸入模式。4） 配置EVA、EVB模塊中的內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器資源和相關(guān)寄存器。EvaRegs.T2PR = 0xFFFF; /定時(shí)器2周期寄存器置初值EvaRegs.T2CNT = 0x0000; /定時(shí)器2技術(shù)寄存器置初值EvaRegs.T2CON.all = 0x1870; /計(jì)數(shù)器2定向增減計(jì)數(shù)，QE