引言

神經網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(tǒng)一般十分昂貴。近年來隨著集成電路飛速發(fā)展，基于神經網絡理論的控制系統(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 

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，經數(shù)字PID運算后，由DAC端口以8bit方式輸出，經數(shù)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(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)與神經元PID算法的表達形式一致，因此在LM628中實現(xiàn)了神經元的狀態(tài)量變換，狀態(tài)量加權求和的功能，也就是實現(xiàn)了神經元PID伺服系統(tǒng)。

結束語

本文設計的基于LM628神經元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。

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，復旦大學出版社，1995