移動機(jī)器人運(yùn)動控制器的設(shè)計(jì)

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

引言
運(yùn)動控制器是移動機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行起著重要作用。在機(jī)器人運(yùn)動控制器中，處理器件接受高層控制級的指令，計(jì)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(jìn)行監(jiān)控。因此要求處理器要有高速的運(yùn)算能力和高度的可靠性。DSP芯片集實(shí)時(shí)處理和控制器外設(shè)于一身，精度高、體積小、運(yùn)算速度快，同時(shí)具有多級流水線操作，容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法，為運(yùn)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(jī)器人運(yùn)動控制器的實(shí)現(xiàn)方案，以TI公司的定點(diǎn)DSP芯片TMS320LF2407為核心。利用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動機(jī)構(gòu)，DSP從上位機(jī)接收指令，控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)要求的動作。系統(tǒng)以較低的成本滿足了控制要求。

運(yùn)動控制器的設(shè)計(jì)
機(jī)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(jī)器人主控計(jì)算機(jī)是一臺PC機(jī)，作用融合各種信息，發(fā)出控制指令，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控；下位機(jī)是一臺工控機(jī)，固定在移動車體上，負(fù)責(zé)接收主控計(jì)算機(jī)指令并分配給各子系統(tǒng)，同時(shí)把各種檢測信息反饋到PC機(jī)，兩者通過無線網(wǎng)橋進(jìn)行通信。運(yùn)動控制器接收下位機(jī)傳送的指令，計(jì)算各個電機(jī)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(jī)。六個車輪均為驅(qū)動輪，控制時(shí)可簡化為二輪情形。運(yùn)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(fù)位電路、I/O擴(kuò)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(jìn)電機(jī)為兩相混合式，步進(jìn)角為1.8?，配虧猃动器为SH-2H057M。驅(qū)動器輸入信號有步進(jìn)脈沖信號CP、方向電平信號DIR、以及脫機(jī)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(shè)定細(xì)分?jǐn)?shù)。
LF2407利用事件管理器(EVA、EVB)中的定時(shí)器中斷形成步進(jìn)脈沖。EVA通過定時(shí)器1，EVB通過定時(shí)器3分別輸出兩路步進(jìn)脈沖信號CP和方向信號DIR到各電機(jī)驅(qū)動器?？刂茣r(shí)，LF2407根據(jù)上位機(jī)指令計(jì)算各驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向，選擇回路內(nèi)部分頻值，確定對應(yīng)定時(shí)器的周期寄存器初值，然后計(jì)數(shù)器循環(huán)計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器的值與周期寄存器匹配時(shí)，即發(fā)生定時(shí)中斷，向?qū)?yīng)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(shè)定電機(jī)驅(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)為5，即步進(jìn)角為0.36?，染J笮〕抵畢咴碩俁任?5cm/s，則每秒鐘各電機(jī)所需的步進(jìn)脈沖數(shù)為15