王森林，包曄峰，薛 猛，楊 可，趙虎成

(1．河海大學，江蘇常州213022;2．卡特彼勒技術研發(fā)中心，江蘇無錫214028)

0引 言

永磁無刷直流電動機既具有交流電機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，又具有直流電機良好的調(diào)速特性。因此無刷直流電機在控制中的應用會越來越受重視［1］。然而，目前國內(nèi)無刷直流電動機的伺服控制器的控制精度較低、價格較高，因此設計一款控制精度高、成本低的無刷直流電動機控制器顯得尤為重要。對無刷直流電動機的控制通常采用PID控制策略。PID控制技術成熟，實現(xiàn)方便，適應面廣、魯棒性強、控制品質(zhì)穩(wěn)定。本文基于伺服控制芯片LM629設計了一種無刷直流電動機伺服控制器，通過軟件調(diào)節(jié)PID參數(shù)的方式來控制無刷直流電動機，增強其對不同電機的適應性。

1 LM629簡介

1．1 LM629 特性

LM629是一款專用的電機控制芯片，該芯片可以為電機的數(shù)字控制提供所需的精確的、實時的控制。LM629的特性如下:

(1)32位的位置、速度和加速度寄存器;

(2)可編程的采樣時間間隔;

(3)8位PWM輸出;

(4)內(nèi)部的速度梯形圖發(fā)生器;

(5)16位的可編程數(shù)字PID濾波器;

(6)速度、目標位置和PID參數(shù)可以在運動過程中改變;

(7)速度和位置操作模式;

(8)實時的可編程主機中斷［2］;

1．2 LM629 工作原理

圖1是基于LM629直流伺服控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。主處理器通過I/O接口與LM629進行通信，向LM629輸入運動參數(shù)和PID參數(shù)。

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)通過增量式編碼器將電機的運動狀態(tài)信息反饋給LM629，編碼器提供的A、B信號用于反映電機的實際位置。Index信號用于反映電機的絕對位置。

LM629的位置生成器生成每個時刻對應的位置值。在位置控制模式下，主處理器指定加速度值、最大速度值和位置值。LM629利用指定的參數(shù)控制電機以指定的加速度運動直到指定位置。在速度控制模式下，LM629控制電機以指定的加速度加速到設定的速度并保持這個速度直至收到新的速度命令。如果電機在運動過程中受到干擾，LM629保證平均速度不變。

LM629通過數(shù)字PID控制器調(diào)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)。數(shù)字PID控制器的偏差信號通過位置生成器和位置反饋處理器獲得［3］。

2 LM629伺服控制系統(tǒng)硬件設計

圖2是LM629伺服控制系統(tǒng)的硬件框圖，系統(tǒng)的硬件主要包括主處理器單元(ATmega16)、人機界面單元(鍵盤、TFT彩屏顯示)、伺服控制單元(LM629)和功率驅(qū)動單元(L298)。

圖2 伺服控制系統(tǒng)硬件框圖

本系統(tǒng)采用ATmega16單片機作為主處理器。在該系統(tǒng)中ATmega16用于統(tǒng)籌和協(xié)調(diào)系統(tǒng)的工作，該芯片完成了對鍵盤和TFT彩屏的控制工作，同時根據(jù)用戶輸入的參數(shù)完成對LM629的控制。由于ATmega16單片機內(nèi)部資源非常豐富，本設計利用ATmega16單片機內(nèi)部的復位電路，省去了外部的復位電路;單片機內(nèi)部的看門狗提高了系統(tǒng)的抗干擾性能;單片機內(nèi)部的EEPROM用于存儲系統(tǒng)的重要信息，保證信息在掉電的情況下不易丟失。鍵盤用于輸入各種參數(shù)，如:速度值、位置值、加速度值。用于選擇控制方式，如:位置控制模式、速度控制模式。顯示部分用于實時顯示電機的運動狀態(tài)和各種參數(shù)。由LM629構(gòu)成的直流伺服控制單元用于完成電機的伺服控制，主處理器只需要通過I/O接口向LM629指定運動參數(shù)和PID參數(shù)，LM629便可以獨立完成伺服控制。信號處理電路用于對LM629輸出的信號進行處理，并將處理后的信號輸入到L298驅(qū)動單元。由L298構(gòu)成的功率驅(qū)動單元用于將單片機的控制信號轉(zhuǎn)換、放大以驅(qū)動直流電動機。

3 LM629伺服控制系統(tǒng)軟件設計

3．1 LM629 軟件設計

LM629的軟件設計主要包括LM629初始化、裝載PID參數(shù)和裝載運動參數(shù)三個步驟。為了保證LM629工作正常，每次對 LM629操作前都要對LM629進行初始化。初始化的過程如下:

(1)將LM629的RST引腳拉低至少8個時鐘周期，實現(xiàn)對LM629的硬件復位;

(2)延時 1．5 ms，如果 LM629的狀態(tài)字為“84H”或者“C4H”，則對LM629進行復位檢查，否則重新進行硬件復位;

(3)通過向LM629寫入RSTI命令實現(xiàn)復位檢查，如果狀態(tài)字變?yōu)椤?0H”或者“C0H”，則復位成功，否則重新進行硬件復位。

如果LM629初始化成功，則證明LM629工作正常，可以進行裝載PID參數(shù)和裝載運動參數(shù)的操作。LM629具體的軟件流程如圖3所示。

圖3 LM629軟件流程圖

在裝載PID參數(shù)之前，首先要確定PID參數(shù)。PID參數(shù)可以通過經(jīng)驗法確定。在裝載速度、位置和加速度等運動參數(shù)之前，必須對相應參數(shù)進行處理，使其變?yōu)長M629可以識別的形式。下面舉例說明如何對運動參數(shù)進行處理。

假設電機編碼器的線數(shù)為512線，并將采樣周期設為256 μs。現(xiàn)需要電機以10 r/s2的加速度加速到50 r/s，最后停止到距起始點2 000轉(zhuǎn)的位置。

(1)目標位置值的確定

由于LM629對增量式編碼器的反饋信號進行了4倍頻。則:

R=512×4=2 084計數(shù)值 /圈

P=R×2 000=4 168 000計數(shù)值

將P轉(zhuǎn)為16進制為P=003F9940H。

(2)速度值的確定

V=RT×50=26．675 200計數(shù)值 /采樣周期

需要裝載到LM629的速度值為32位，它由16位的正整數(shù)和16位的小數(shù)組成，所以需要載入的速度值:

V=V × 65 536=1 748 185．90

取整V=1 748 185。

將V轉(zhuǎn)為16進制V=001AACD9H。

(3)加速度值的確定

需要裝載到LM629的加速度值為32位，它由16位的正整數(shù)和16位的小數(shù)組成，所以需要載入的加速度值:

取整A=8。

將A轉(zhuǎn)為16進制，A=00000008H。

3．2直流伺服控制系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。系統(tǒng)軟件主要由三部分組成，分別是初始化、參數(shù)確定和參數(shù)載入。

圖4 直流伺服系統(tǒng)流程圖

(1)初始化

初始化包括AVR端口初始化、TFT彩屏初始化和HD7279初始化。AVR端口初始化用于確定各端口的輸入輸出狀態(tài)，以便于對各外圍芯片進行讀寫操作。TFT彩屏初始化實現(xiàn)對TFT彩屏的初始化，以便于彩屏正常顯示當前的PID參數(shù)值和速度值。HD7279初始化用于對HD7279芯片進行初始化，以便于操作者輸入系統(tǒng)參數(shù)。

(2)參數(shù)確定

初始化工作完成后，系統(tǒng)要確定需要載入到LM629的參數(shù)。系統(tǒng)首先從EEPROM中讀出系統(tǒng)上次工作的PID參數(shù)和各運動參數(shù)，用戶如果需要改變參數(shù)，可以通過鍵盤輸入?yún)?shù)，系統(tǒng)將用戶輸入的參數(shù)存儲到EEPROM中，并將改變的參數(shù)設為載入?yún)?shù)。否則將原始參數(shù)設為載入?yún)?shù)。

(3)載入?yún)?shù)

參數(shù)確定之后，系統(tǒng)按照LM629的軟件流程圖將各參數(shù)載入到LM629中并起動電機。系統(tǒng)開始工作。

當系統(tǒng)完成用戶指定的任務之后，主程序返回到參數(shù)設定部分以用于設定新的運動參數(shù)。

4驗證實驗

為了驗證伺服控制系統(tǒng)的控制精度，選用FAULHABER直流伺服電機1524B009SR進行測試。該電機額定電壓為9 V，空載轉(zhuǎn)速為10 100 r/min，編碼器的線數(shù)為512線。利用經(jīng)驗法設定PID參數(shù) kp、ki、kd分別為 10、5、10。現(xiàn)需要電機以10 r/s2的加速度加速到50 r/s，最后停止到距離起始點2000轉(zhuǎn)的位置。圖5是直流伺服系統(tǒng)的實物圖。

圖5 直流伺服系統(tǒng)實物圖

實驗方法:根據(jù)要求將需要的參數(shù)通過鍵盤輸入到系統(tǒng)中并起動電機，在電機的運行過程中AVR單片機每隔300 ms讀取電機的轉(zhuǎn)速并將數(shù)據(jù)存儲在EEPROM中，電機運行結(jié)束后，從EEPROM中讀取數(shù)據(jù)并用orign軟件繪制速度-時間曲線。得到的曲線如圖6所示。

圖6 理想曲線和實測曲線對比圖

5結(jié) 語

由實驗及結(jié)果可知，基于LM629的伺服控制器在位置控制模式下有較好的控制精度，該方案是一個理想的伺服無刷直流伺服電機的控制方案。

［1］ 鄭靜，渠慎豐．小功率伺服無刷直流電機驅(qū)動器設計［J］．電子測量技術，2006，29(3):130-132．

［2］ 王華，王立權，韓金華．電機專用控制器LM629的應用研究［J］．電子器件，2005，28(2):330-333．

［3］ 賀志軍．基于LM629的電機伺服控制系統(tǒng)設計［J］．機械設計與制造，2009(2):40-42．