精密運動控制器LM628的應用設計

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調節(jié)器，可經(jīng)增量碼盤反饋構成位置閉環(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調節(jié)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(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(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整LM628的參數(shù)。LM628作為伺服控制調節(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，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，超調良好，具有較高的實用價值。