精密運動控制器LM628的應用設計(圖)

引言
　　神經(jīng)網(wǎng)絡技術是自動控制方法發(fā)展的重要方向之一，目前已廣泛地應用于過程控制、機器人控制、生產(chǎn)制造、模式識別等領域。由于神經(jīng)網(wǎng)絡理論的計算量較大，對硬件的要求較高，神經(jīng)網(wǎng)絡理論系統(tǒng)一般十分昂貴。近年來隨著集成電路飛速發(fā)展，基于神經(jīng)網(wǎng)絡理論的控制系統(tǒng)可以用微處理器和專用的大規(guī)模集成電路來實現(xiàn)。這樣就大大降低了系統(tǒng)的成本。大規(guī)模集成芯片lm628是美國國家半導體公司生產(chǎn)的專用精密運動控制器，具有16位的可編程數(shù)字pid調(diào)節(jié)器，可經(jīng)增量碼盤反饋構(gòu)成位置閉環(huán)，并能對位置誤差實行pid運算。利用lm628和微處理器可實現(xiàn)低成本、高精度神經(jīng)元pid伺服系統(tǒng)。
　　lm628主要特點如下：32bit位置、速度、加速度寄存器；16bit的可編程數(shù)字化pid調(diào)節(jié)器；可編程微分采樣周期；8bit或12bit dac輸出；8bit pwm輸出；內(nèi)部梯形速度特性產(chǎn)生器；在運動期間速度、目標位置和濾波器參數(shù)可以改變；具有位置和速度兩種操作模式；實時可編程的中斷；8bit異步并行接口；用于積分增量編碼器標準脈沖輸入接口。
表1 lm628引腳說明

內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作機理
　　lm628為28腳雙列直插封裝形式，引腳功能如表1所示，圖1所示為其內(nèi)部功能框圖。
　　lm628通過8bit并行i/o口與微處理器進行數(shù)據(jù)交換，微處理器可以以命令的形式對lm628的梯形速度特性和pid數(shù)字濾波器進行參數(shù)設定。用于檢測電機旋轉(zhuǎn)位置的增量編碼器的輸出信號通過編碼器輸入接口送入lm628，在lm628中與設定的位置信號相減，形成位置誤差信號，該信號送入pid數(shù)字濾波器進行處理后形成控制信號，通過8bitdac并行接口以數(shù)字化的形式輸出，然后就可以通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器和功率放大電路驅(qū)動伺服電機完成精密的運動。
　　微處理器通過命令的方式對lm628進行控制和參數(shù)設定和讀取，在這些命令中，一般可分為兩大類，一類只有命令代碼，而另一類在命令代碼后還要加上相應的數(shù)據(jù)代碼（例如：設定的參數(shù)值）。lm628的命令集如表2所示。
　　lm628主要參數(shù)為：最高工作電壓7v；最大功耗為605mw；工作溫度范圍是-40℃～+85℃；電源電壓為：4.5～5.5v；存儲溫度范圍為-60℃～+150℃。
表2 lm628命令集

lm628在神經(jīng)元pid伺服系統(tǒng)中的應用
　　以89c52單片機為核心的伺服系統(tǒng)如圖2所示，在該系統(tǒng)中89c52實現(xiàn)用戶的接口，如顯示、鍵盤等，并完成神經(jīng)元的學習算法及在線調(diào)整lm628的參數(shù)。lm628作為伺服控制調(diào)節(jié)器，接收89c52單片機傳送的控制指令及位置、速度、加速度三個運動參數(shù)和數(shù)字濾波器的參數(shù)kp，ki，kd，n(微分采樣周期)，同時lm628對碼盤輸出的信號進行處理，獲得位置信號，經(jīng)數(shù)字pid運算后，由dac端口以8bit方式輸出，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器dac0800轉(zhuǎn)換為模擬信號，再經(jīng)lm12cl組成的放大電路輸出，用于驅(qū)動電動機完成精密的運動。lm628的輸出與誤差的關系式如下式所示。
　　　　　
　　上式中，u(n)為第n個采樣周期的控制輸出；e(n)為第n個采樣周期的位置誤差；n為正常采樣周期；n為微分采樣周期；kp為比例增益；ki為積分比例增益；kd為微分比例增益。
　　比例增益kp提供了一個與位置誤差成正比的輸出，積分比例增益ki提供了隨時間增長的輸出，因此保證了靜態(tài)位置誤差為0。微分比例增益kd提供了與位置變化率成正比的輸出，起到了超前控制的作用，減小了系統(tǒng)的超調(diào)，保證了系統(tǒng)的動態(tài)特性良好。式(1)與神經(jīng)元pid算法的表達形式一致，因此在lm628中實現(xiàn)了神經(jīng)元的狀態(tài)量變換，狀態(tài)量加權求和的功能，也就是實現(xiàn)了神經(jīng)元pid伺服系統(tǒng)。

結(jié)束語
　　本文設計的基于lm628神經(jīng)元pid伺服系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定可靠，成本低廉等一系列優(yōu)點。系統(tǒng)的動態(tài)性能好，啟動速度快，超調(diào)良好，具有較高的實用價值。