移動機器人運動控制器的設計

摘    要：本文研究了以TMS320LF2407 DSP為核心的移動機器人運動控制器的設計方案，介紹了主要的系統(tǒng)組成。本系統(tǒng)采用模塊化設計，硬件電路簡潔，控制可靠。通過步進電機的細分控制，改善了低速性能，以較低的成本滿足了移動機器人運動控制的性能要求。
關(guān)鍵詞：移動機器人；TMS320LF2407；運動控制；模塊設計

引言
運動控制器是移動機器人的執(zhí)行機構(gòu)，對系統(tǒng)平穩(wěn)運行起著重要作用。在機器人運動控制器中，處理器件接受高層控制級的指令，計算和輸出多路控制信號，協(xié)調(diào)各驅(qū)動輪，并對系統(tǒng)狀態(tài)進行監(jiān)控。因此要求處理器要有高速的運算能力和高度的可靠性。DSP芯片集實時處理和控制器外設于一身，精度高、體積小、運算速度快，同時具有多級流水線操作，容易實現(xiàn)復雜算法，為運動控制器的開發(fā)提供了理想的解決方案。
本文提出的移動機器人運動控制器的實現(xiàn)方案，以TI公司的定點DSP芯片TMS320LF2407為核心。利用步進電機作為驅(qū)動機構(gòu)，DSP從上位機接收指令，控制步進電機實現(xiàn)要求的動作。系統(tǒng)以較低的成本滿足了控制要求。

運動控制器的設計
機器人移動平臺是一個六輪小車，兩側(cè)的前輪和中輪采用搖臂式結(jié)構(gòu)，前輪與中輪間距小于車體寬度，易于轉(zhuǎn)向。機器人主控計算機是一臺PC機，作用融合各種信息，發(fā)出控制指令，進行遠程監(jiān)控；下位機是一臺工控機，固定在移動車體上，負責接收主控計算機指令并分配給各子系統(tǒng)，同時把各種檢測信息反饋到PC機，兩者通過無線網(wǎng)橋進行通信。運動控制器接收下位機傳送的指令，計算各個電機的控制量、輸出控制脈沖、檢測各反饋信號并發(fā)送至下位機。六個車輪均為驅(qū)動輪，控制時可簡化為二輪情形。運動控制器以LF2407為核心，主要模塊包括：控制脈沖輸出、檢測處理、通信接口、復位電路、I/O擴展和必要的外圍電路，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
控制脈沖輸出
本系統(tǒng)步進電機為兩相混合式，步進角為1.8?，配虧猃动器为SH-2H057M。驅(qū)動器輸入信號有步進脈沖信號CP、方向電平信號DIR、以及脫機信號FREE。OPTO是三路信號的公共陽極。驅(qū)動器撥位開關(guān)的前3位用于設定細分數(shù)。
LF2407利用事件管理器(EVA、EVB)中的定時器中斷形成步進脈沖。EVA通過定時器1，EVB通過定時器3分別輸出兩路步進脈沖信號CP和方向信號DIR到各電機驅(qū)動器。控制時，LF2407根據(jù)上位機指令計算各驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速和方向，選擇回路內(nèi)部分頻值，確定對應定時器的周期寄存器初值，然后計數(shù)器循環(huán)計數(shù)。當計數(shù)器的值與周期寄存器匹配時，即發(fā)生定時中斷，向?qū)狪/O口輸出控制信號。如：車輪直徑為30cm，減速箱減速比為1:15，如設定電機驅(qū)動器細分數(shù)為5，即步進角為0.36綣笮〕抵畢咴碩俁任?5cm/s，則每秒鐘各電機所需的步進脈沖數(shù)為15