移动机器人运动控制器的设计

摘    要：本文研究了以TMS320LF2407 DSP为核心的移动机器人运动控制器的设计方案，介绍了主要的系统组成。本系统采用模块化设计，硬件电路简洁，控制可靠。通过步进电机的细分控制，改善了低速性能，以较低的成本满足了移动机器人运动控制的性能要求。
关键词：移动机器人；TMS320LF2407；运动控制；模块设计

引言
运动控制器是移动机器人的执行机构，对系统平稳运行起着重要作用。在机器人运动控制器中，处理器件接受高层控制级的指令，计算和输出多路控制信号，协调各驱动轮，并对系统状态进行监控。因此要求处理器要有高速的运算能力和高度的可靠性。DSP芯片集实时处理和控制器外设于一身，精度高、体积小、运算速度快，同时具有多级流水线操作，容易实现复杂算法，为运动控制器的开发提供了理想的解决方案。
本文提出的移动机器人运动控制器的实现方案，以TI公司的定点DSP芯片TMS320LF2407为核心。利用步进电机作为驱动机构，DSP从上位机接收指令，控制步进电机实现要求的动作。系统以较低的成本满足了控制要求。

运动控制器的设计
机器人移动平台是一个六轮小车，两侧的前轮和中轮采用摇臂式结构，前轮与中轮间距小于车体宽度，易于转向。机器人主控计算机是一台PC机，作用融合各种信息，发出控制指令，进行远程监控；下位机是一台工控机，固定在移动车体上，负责接收主控计算机指令并分配给各子系统，同时把各种检测信息反馈到PC机，两者通过无线网桥进行通信。运动控制器接收下位机传送的指令，计算各个电机的控制量、输出控制脉冲、检测各反馈信号并发送至下位机。六个车轮均为驱动轮，控制时可简化为二轮情形。运动控制器以LF2407为核心，主要模块包括：控制脉冲输出、检测处理、通信接口、复位电路、I/O扩展和必要的外围电路，基本结构如图1所示。
控制脉冲输出
本系统步进电机为两相混合式，步进角为1.8涮浊魑猄H-2H057M。驱动器输入信号有步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、以及脱机信号FREE。OPTO是三路信号的公共阳极。驱动器拨位开关的前3位用于设定细分数。
LF2407利用事件管理器(EVA、EVB)中的定时器中断形成步进脉冲。EVA通过定时器1，EVB通过定时器3分别输出两路步进脉冲信号CP和方向信号DIR到各电机驱动器。控制时，LF2407根据上位机指令计算各驱动电机转速和方向，选择回路内部分频值，确定对应定时器的周期寄存器初值，然后计数器循环计数。当计数器的值与周期寄存器匹配时，即发生定时中断，向对应I/O口输出控制信号。如：车轮直径为30cm，减速箱减速比为1:15，如设定电机驱动器细分数为5，即步进角为0.36绻笮〕抵毕咴硕俣任?5cm/s，则每秒钟各电机所需的步进脉冲数为15