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，介紹了主要的系統組成。本系統采用模塊化設計，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行機構，對系統平穩運行起著重要作用。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，協調各驅動輪，并對系統狀態進行監控。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，容易實現復雜算法，為運動控制器的開發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動機構，DSP從上位機接收指令，控制步進電機實現要求的動作。系統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，兩側的前輪和中輪采用搖臂式結構，前輪與中輪間距小于車體寬度，易于轉向。機器人主控計算機是一臺PC機，作用融合各種信息，發出控制指令，進行遠程監控；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，同時把各種檢測信息反饋到PC機，兩者通過無線網橋進行通信。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送至下位機。六個車輪均為驅動輪，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，基本結構如圖1所示。
控制脈沖輸出
本系統步進電機為兩相混合式，步進角為1.8涮濁魑猄H-2H057M。驅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。驅動器撥位開關的前3位用于設定細分數。
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到各電機驅動器。控制時，LF2407根據上位機指令計算各驅動電機轉速和方向，選擇回路內部分頻值，確定對應定時器的周期寄存器初值，然后計數器循環計數。當計數器的值與周期寄存器匹配時，即發生定時中斷，向對應I/O口輸出控制信號。如：車輪直徑為30cm，減速箱減速比為1:15，如設定電機驅動器細分數為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為15