精密運動控制器LM628的應用設計

引言

神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)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(lǐng)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 

引腳號	引腳名稱	功能
1	Index(IN)	積分增量編碼器標準脈沖輸入選擇端，如該引腳不用必須保持為高
2	A	編碼器信號輸入
3	B	編碼器信號輸入
4～11	D7～D0	用于與微處理器接口的雙向數(shù)據(jù)總線.
12	CS	片選端，低有效
13	RD	讀許，低有效
14	GND	電源地
15	WR	寫許，低有效
16	PS	端口選擇，低為命令狀態(tài)，高為數(shù)據(jù)狀態(tài)
17	HI	中斷輸出
18～25	DAC7～DAC0	輸出端口
26	CLK	系統(tǒng)時鐘
27	RST	復位端，低有效
28	VDD	電源

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 

命令	類型	說明	對應的16進制數(shù)	數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)
RESET	初始化	復位LM628	00	0
PORT8	初始化	選擇8bit輸出	05	0
DFH	初始化	定義原始位置	02	0
SIP	中斷	設定標志位置	03	0
LPEI	中斷	錯誤時中斷	1B	2
LPES	中斷	錯誤時停止	1A	2
SBPA	中斷	設置絕對斷電	20	4
SBPA	中斷	設置相對斷電	21	4
MSKI	中斷	屏蔽中斷	1C	2
RSTI	中斷	復位中斷	1D	2
LFIL	濾波器	裝載軌跡線	1F	2～10
UDF	濾波器	更新濾波器	04	0
LTRJ	軌跡	裝載軌跡線	1F	2～14
STT	軌跡	開始運動	01	0
RDSTAT	報告	讀狀態(tài)字節(jié)	無	1
RDSIGS	報告	讀信號寄存器	0C	2
RDIP	報告	讀標志位置	09	4
RDDP	報告	讀期望位置	08	4
RDRP	報告	讀實時位置	0A	4
RDDV	報告	讀期望速度	07	4
RDRV	報告	讀實時速度	0B	2
RDSUM	報告	讀積分和	0D	2

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(guān)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(quán)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。

參考文獻
1. LM628 Data Sheet，1995
2. 陳粵初等，單片機應用系統(tǒng)設計與實踐，北京航空航天大學出版社，1992
3. 王修才、劉祖望，單片機接口技術(shù)，復旦大學出版社，1995