精密運(yùn)動(dòng)控制器LM628的應(yīng)用設(shè)計(jì)

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(yīng)用于過程控制、機(jī)器人控制、生產(chǎn)制造、模式識(shí)別等領(lǐng)域。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的計(jì)算量較大，對(duì)硬件的要求較高，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(shí)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(dǎo)體公司生產(chǎn)的專用精密運(yùn)動(dòng)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(duì)位置誤差實(shí)行PID運(yùn)算。利用LM628和微處理器可實(shí)現(xiàn)低成本、高精度神經(jīng)元PID伺服系統(tǒng)。
　　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(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(yùn)動(dòng)期間速度、目標(biāo)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(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(biāo)準(zhǔn)脈沖輸入接口。
表1 LM628引腳說明

內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換，微處理器可以以命令的形式對(duì)LM628的梯形速度特性和PID數(shù)字濾波器進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。用于檢測(cè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)位置的增量編碼器的輸出信號(hào)通過編碼器輸入接口送入LM628，在LM628中與設(shè)定的位置信號(hào)相減，形成位置誤差信號(hào)，該信號(hào)送入PID數(shù)字濾波器進(jìn)行處理后形成控制信號(hào)，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(dòng)伺服電機(jī)完成精密的運(yùn)動(dòng)。
　　微處理器通過命令的方式對(duì)LM628進(jìn)行控制和參數(shù)設(shè)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(yīng)的數(shù)據(jù)代碼（例如：設(shè)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(chǔ)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(yīng)用
　　以89C52單片機(jī)為核心的伺服系統(tǒng)如圖2所示，在該系統(tǒng)中89C52實(shí)現(xiàn)用戶的接口，如顯示、鍵盤等，并完成神經(jīng)元的學(xué)習(xí)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(jī)傳送的控制指令及位置、速度、加速度三個(gè)運(yùn)動(dòng)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(shí)LM628對(duì)碼盤輸出的信號(hào)進(jìn)行處理，獲得位置信號(hào)，經(jīng)數(shù)字PID運(yùn)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(hào)，再經(jīng)LM12CL組成的放大電路輸出，用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)完成精密的運(yùn)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(zhǎng)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(dòng)態(tài)特性良好。式(1)與神經(jīng)元PID算法的表達(dá)形式一致，因此在LM628中實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)元的狀態(tài)量變換，狀態(tài)量加權(quán)求和的功能，也就是實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)元PID伺服系統(tǒng)。

結(jié)束語
　　本文設(shè)計(jì)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(diǎn)。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能好，啟動(dòng)速度快，超調(diào)良好，具有較高的實(shí)用價(jià)值。