傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)都存在比較大的速度及位置誤差。在本文中，我們使用LM629及LMD18200為核心器件搭建了一套單軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。結(jié)果表明，該套系統(tǒng)在減小速度及位置誤差上效果顯著，并且算法簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)。 1 引言 所謂運(yùn)動(dòng)控制就是將計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)定方案及復(fù)雜環(huán)境條件下所做出的決策命令轉(zhuǎn)變?yōu)槟撤N期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制主要包括以電機(jī)作為動(dòng)力源的電氣運(yùn)動(dòng)控制;以氣體和流體作為動(dòng)力源的氣液控制;和以燃料（煤,汽油等）作為動(dòng)力源的熱機(jī)運(yùn)動(dòng)控制等等。今天,隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)以及微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,電氣運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)顯示出無可比擬的優(yōu)越性。從而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)控制的主流是電氣運(yùn)動(dòng)控制,出現(xiàn)了電液、電氣、電熱和機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。所以就運(yùn)動(dòng)控制而言，當(dāng)今的時(shí)代是工廠，家庭，辦公室的電氣運(yùn)動(dòng)控制時(shí)代。 運(yùn)動(dòng)控制是隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展而形成的一門技術(shù)，可以說是由伺服控制技術(shù)發(fā)展而來，而伺服控制技術(shù)是自動(dòng)化學(xué)科中與產(chǎn)業(yè)部門聯(lián)系最緊密,服務(wù)最廣泛的一個(gè)分支。伺服系統(tǒng)則是數(shù)控設(shè)備、機(jī)器人和雷達(dá)跟蹤等一切需要精確控制速度和定位的自動(dòng)化控制機(jī)械的關(guān)鍵執(zhí)行部件。 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制原理 運(yùn)動(dòng)控制處理機(jī)械系統(tǒng)一個(gè)或多個(gè)控制軸的運(yùn)動(dòng)及其這些運(yùn)動(dòng)之間的協(xié)調(diào)，涉及各軸上運(yùn)動(dòng)速度的調(diào)節(jié)，以一定的加減速曲線模式來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，以及形成準(zhǔn)確的定位或跟蹤特定的軌跡問題，這些精確的位置、速度、力和力矩的控制主要通過電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、反饋裝置、運(yùn)動(dòng)控制器、主控制器來實(shí)現(xiàn)，一個(gè)機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成如圖1-1。 3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 3.1 硬件實(shí)現(xiàn) 本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖2-1所示 （1）主機(jī)選一臺(tái)具有ISA擴(kuò)展槽的PC機(jī) （2）以LM629為核心控制器結(jié)構(gòu) （3）以LM18200為驅(qū)動(dòng)器核心 （4）通過500線的光電編碼器實(shí)現(xiàn)位置及速度閉環(huán) （5）執(zhí)行選用SAWAMURA KOGYO公司的MM40A8行電機(jī) 在實(shí)驗(yàn)中，選擇的是一臺(tái)具有ISA擴(kuò)展槽的PC機(jī)作為單軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部分，控制程序以及各種控制算法都是通過軟件在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用AL-01-512型光電編碼器作為位置檢測(cè)器件，它直接輸出二進(jìn)制位置編碼。光電編碼器是系統(tǒng)中的第二個(gè)傳感器元件，通過減速比為4:1的齒輪組和直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸連接，光電編碼器軸上裝有一個(gè)刻度盤，可以粗略顯示光電編碼器的角度。AL-01-512是一個(gè)9位絕對(duì)光電編碼器，輸出二進(jìn)制位置編碼范圍0x000-Oxlf，分別對(duì)應(yīng)輸出角度。0°～360°，分辨率1LSB為3600/512≈0.70310e。動(dòng)控制系統(tǒng)中一般使用光電編碼器作為電機(jī)軸位置 加速度控制模式選擇及加速度載入流程圖 檢測(cè)部件構(gòu)成位置閉環(huán)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的被控對(duì)象是SAWAMURA DENKI KOGYO CO.公司的MM40A8-型電機(jī)。其特點(diǎn)是能經(jīng)常工作在堵轉(zhuǎn)和低速狀態(tài)，故適用于在位置或低速運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。它的空載轉(zhuǎn)速約為1000r/min。電機(jī)的輸入為經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路放大后的電壓信號(hào)，而電機(jī)的位置、速度、加速度、轉(zhuǎn)矩等都可以作為被控量來研究。 3.2 核心器件介紹 LM629是一款專用運(yùn)動(dòng)控制器，在一片芯片內(nèi)集成了數(shù)字式運(yùn)動(dòng)控制器的全部功能，使得設(shè)計(jì)一個(gè)快速、準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)變得輕松、容易。它適用于多種直流電機(jī)、無刷直流伺服電機(jī)以及其他可提供增量式位置反饋信號(hào)的伺服機(jī)構(gòu)，可完成高性能數(shù)字式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)所需的集中、實(shí)時(shí)的計(jì)算任務(wù)，提供8位PWM調(diào)制信號(hào)和方向信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)橋式電路。元件采用NMOS工藝，最大輸入時(shí)鐘有6MHz和8MHz兩種。其主要特點(diǎn)如下： （1）32位的位置、速度及加速度寄存器 （2）帶16位參數(shù)的可編程數(shù)字PID控制器 （3）可編程的微分采樣時(shí)間 （4）8位脈寬調(diào)制PWM信號(hào)輸出 （5）速度、目標(biāo)位置以及PID控制器的參數(shù)均可在運(yùn)動(dòng)過程中改變 （6）位置、速度兩種控制方式 （7）可實(shí)時(shí)中斷 LMD18200是美國國家半導(dǎo)體公司（NS）推出的專用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的H橋組件。同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件，利用它可以與主處理器、電機(jī)和增量型編碼器構(gòu)成一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。LMD18200廣泛應(yīng)用于打印機(jī)、機(jī)器人和各種自動(dòng)化控制領(lǐng)域。主要性能如下： （1）峰值輸出電流高達(dá)6A,連續(xù)輸出電流達(dá)3A; （2）工作電壓高達(dá)55V; （3）Low RDS（ON） typically 0.3W per switch; （4）TTL/CMOS兼容電平的輸入; （5）無 “shoot-through” 電流; 3.3 軟件實(shí)現(xiàn) 驅(qū)動(dòng)程序任務(wù)是:初始化LM629寄存器參數(shù)、設(shè)定加速度、設(shè)定運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)和設(shè)定PID濾波器參數(shù)，然后LM629按照預(yù)定參數(shù)自動(dòng)完成對(duì)電機(jī)的PID控制。 在系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中，對(duì)速度控制模式選擇、PID參數(shù)載入、運(yùn)動(dòng)參數(shù)載入均編寫了相應(yīng)的程序模塊，各模塊流程圖如圖3-1、圖3-2。 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 控制系統(tǒng)參數(shù)的整定 首先由主控計(jì)算機(jī)向控制板發(fā)送各路的PID數(shù)，看給定的參數(shù)是否符合拉制系統(tǒng)的要求。一般說來，比例系數(shù)增大，伺服馭動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度提高，過大又會(huì)引起系統(tǒng)振蕩。積分系數(shù)增大，能減少穩(wěn)態(tài)誤差，但動(dòng)態(tài)過程減慢，且對(duì)穩(wěn)定性不利。 微分作用能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。通常，首先僅保留比例作用，并不斷增大助參數(shù)，直到系統(tǒng)開始振蕩，然后再略減小它，以保證一定的穩(wěn)定裕度，最后再根據(jù)位置信號(hào)的形式（階躍、速度或加速度），決定是否加積分或微分作用。由于控制系統(tǒng)參數(shù)整定比較復(fù)雜，可以通過多次嘗試得到較好的PID參數(shù)。 圖4-1是我們將Kp，Kd、Ki全部用上的效果，從圖中我們可以看到，位置與轉(zhuǎn)速的誤差已經(jīng)達(dá)到了我們預(yù)期的要求。 5 結(jié)束語 目前，機(jī)器人動(dòng)力學(xué)控制的研究方法幾乎囊括了控制科學(xué)的所有控制方法。由于缺乏有效的硬件實(shí)現(xiàn)手段的支持，多數(shù)算法或者是無法獲得應(yīng)有的控制效果，或者是根本無法實(shí)現(xiàn)。本文就是為解決上述問題所做的先期工作，旨在為后續(xù)的控制方法研究提供一個(gè)有效的硬件平臺(tái)。通過對(duì)LM629進(jìn)行編程，用程序來更改PID的值以此來達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的效果，并且在不同的工作模式下選取不同值來測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用這些數(shù)據(jù)來和理想的曲線進(jìn)行比較分析，得到一般性的結(jié)論。 第二屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集 第三屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集