精密運動(dòng)控制器LM628的應用設計

引言
　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)是自動(dòng)控制方法發(fā)展的重要方向之一，目前已廣泛地應用于過(guò)程控制、機器人控制、生產(chǎn)制造、模式識別等領(lǐng)域。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )理論的計算量較大，對硬件的要求較高，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )理論系統一般十分昂貴。近年來(lái)隨著(zhù)集成電路飛速發(fā)展，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )理論的控制系統可以用微處理器和專(zhuān)用的大規模集成電路來(lái)實(shí)現。這樣就大大降低了系統的成本。大規模集成芯片LM628是美國國家半導體公司生產(chǎn)的專(zhuān)用精密運動(dòng)控制器，具有16位的可編程數字PID調節器，可經(jīng)增量碼盤(pán)反饋構成位置閉環(huán)，并能對位置誤差實(shí)行PID運算。利用LM628和微處理器可實(shí)現低成本、高精度神經(jīng)元PID伺服系統。
　　LM628主要特點(diǎn)如下：32bit位置、速度、加速度寄存器；16bit的可編程數字化PID調節器；可編程微分采樣周期；8bit或12bit DAC輸出；8bit PWM輸出；內部梯形速度特性產(chǎn)生器；在運動(dòng)期間速度、目標位置和濾波器參數可以改變；具有位置和速度兩種操作模式；實(shí)時(shí)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(shuō)明

內部結構及工作機理
　　LM628為28腳雙列直插封裝形式，引腳功能如表1所示，圖1所示為其內部功能框圖。
　　LM628通過(guò)8bit并行I/O口與微處理器進(jìn)行數據交換，微處理器可以以命令的形式對LM628的梯形速度特性和PID數字濾波器進(jìn)行參數設定。用于檢測電機旋轉位置的增量編碼器的輸出信號通過(guò)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數字濾波器進(jìn)行處理后形成控制信號，通過(guò)8bitDAC并行接口以數字化的形式輸出，然后就可以通過(guò)數模轉換器和功率放大電路驅動(dòng)伺服電機完成精密的運動(dòng)。
　　微處理器通過(guò)命令的方式對LM628進(jìn)行控制和參數設定和讀取，在這些命令中，一般可分為兩大類(lèi)，一類(lèi)只有命令代碼，而另一類(lèi)在命令代碼后還要加上相應的數據代碼（例如：設定的參數值）。LM628的命令集如表2所示。
　　LM628主要參數為：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伺服系統中的應用
　　以89C52單片機為核心的伺服系統如圖2所示，在該系統中89C52實(shí)現用戶(hù)的接口，如顯示、鍵盤(pán)等，并完成神經(jīng)元的學(xué)習算法及在線(xiàn)調整LM628的參數。LM628作為伺服控制調節器，接收89C52單片機傳送的控制指令及位置、速度、加速度三個(gè)運動(dòng)參數和數字濾波器的參數kp，ki，kd，n'(微分采樣周期)，同時(shí)LM628對碼盤(pán)輸出的信號進(jìn)行處理，獲得位置信號，經(jīng)數字PID運算后，由DAC端口以8bit方式輸出，經(jīng)數模轉換器DAC0800轉換為模擬信號，再經(jīng)LM12CL組成的放大電路輸出，用于驅動(dòng)電動(dòng)機完成精密的運動(dòng)。LM628的輸出與誤差的關(guān)系式如下式所示。
　　　　　
　　上式中，U(n)為第n個(gè)采樣周期的控制輸出；e(n)為第n個(gè)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(gè)與位置誤差成正比的輸出，積分比例增益ki提供了隨時(shí)間增長(cháng)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，減小了系統的超調，保證了系統的動(dòng)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(shí)現了神經(jīng)元的狀態(tài)量變換，狀態(tài)量加權求和的功能，也就是實(shí)現了神經(jīng)元PID伺服系統。

結束語(yǔ)
　　本文設計的基于LM628神經(jīng)元PID伺服系統具有性能穩定可靠，成本低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)。系統的動(dòng)態(tài)性能好，啟動(dòng)速度快，超調良好，具有較高的實(shí)用價(jià)值。