精密運動控制器LM628的應用設計

引言
　　神經網絡技術是自動控制方法發展的重要方向之一，目前已廣泛地應用于過程控制、機器人控制、生產制造、模式識別等領域。由于神經網絡理論的計算量較大，對硬件的要求較高，神經網絡理論系統一般十分昂貴。近年來隨著集成電路飛速發展，基于神經網絡理論的控制系統可以用微處理器和專用的大規模集成電路來實現。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的專用精密運動控制器，具有16位的可編程數字PID調節器，可經增量碼盤反饋構成位置閉環，并能對位置誤差實行PID運算。利用LM628和微處理器可實現低成本、高精度神經元PID伺服系統。
　　LM628主要特點如下：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生器；在運動期間速度、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8bit并行I/O口與微處理器進行數據交換，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數字濾波器進行處理后形成控制信號，通過8bitDAC并行接口以數字化的形式輸出，然后就可以通過數模轉換器和功率放大電路驅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實現用戶的接口，如顯示、鍵盤等，并完成神經元的學習算法及在線調整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、加速度三個運動參數和數字濾波器的參數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，經數字PID運算后，由DAC端口以8bit方式輸出，經數模轉換器DAC0800轉換為模擬信號，再經LM12CL組成的放大電路輸出，用于驅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，保證了系統的動態特性良好。式(1)與神經元PID算法的表達形式一致，因此在LM628中實現了神經元的狀態量變換，狀態量加權求和的功能，也就是實現了神經元PID伺服系統。

結束語
　　本文設計的基于LM628神經元PID伺服系統具有性能穩定可靠，成本低廉等一系列優點。系統的動態性能好，啟動速度快，超調良好，具有較高的實用價值。