傳統的控制系統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動控制系統。結果表明，該套系統在減小速度及位置誤差上效果顯著，并且算法簡單且易于實現。 1 引言 所謂運動控制就是將計算機根據預定方案及復雜環境條件下所做出的決策命令轉變為某種期望的機械運動。運動控制主要包括以電機作為動力源的電氣運動控制;以氣體和流體作為動力源的氣液控制;和以燃料（煤,汽油等）作為動力源的熱機運動控制等等。今天,隨著微電子技術和電力電子技術以及微型計算機控制技術的發展,電氣運動控制技術顯示出無可比擬的優越性。從而導致運動控制的主流是電氣運動控制,出現了電液、電氣、電熱和機械運動控制技術。所以就運動控制而言，當今的時代是工廠，家庭，辦公室的電氣運動控制時代。 運動控制是隨著科學與技術的發展而形成的一門技術，可以說是由伺服控制技術發展而來，而伺服控制技術是自動化學科中與產業部門聯系最緊密,服務最廣泛的一個分支。伺服系統則是數控設備、機器人和雷達跟蹤等一切需要精確控制速度和定位的自動化控制機械的關鍵執行部件。 2 系統結構及控制原理 運動控制處理機械系統一個或多個控制軸的運動及其這些運動之間的協調，涉及各軸上運動速度的調節，以一定的加減速曲線模式來進行運動，以及形成準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機、驅動器、反饋裝置、運動控制器、主控制器來實現，一個機電運動控制系統的組成如圖1-1。 3 系統實現 3.1 硬件實現 本次設計的系統框圖如圖2-1所示 （1）主機選一臺具有ISA擴展槽的PC機 （2）以LM629為核心控制器結構 （3）以LM18200為驅動器核心 （4）通過500線的光電編碼器實現位置及速度閉環 （5）執行選用SAWAMURA KOGYO公司的MM40A8行電機 在實驗中，選擇的是一臺具有ISA擴展槽的PC機作為單軸運動控制系統的核心部分，控制程序以及各種控制算法都是通過軟件在計算機上實現。本系統采用AL-01-512型光電編碼器作為位置檢測器件，它直接輸出二進制位置編碼。光電編碼器是系統中的第二個傳感器元件，通過減速比為4:1的齒輪組和直流電機旋轉軸連接，光電編碼器軸上裝有一個刻度盤，可以粗略顯示光電編碼器的角度。AL-01-512是一個9位絕對光電編碼器，輸出二進制位置編碼范圍0x000-Oxlf，分別對應輸出角度。0°～360°，分辨率1LSB為3600/512≈0.70310e。動控制系統中一般使用光電編碼器作為電機軸位置 加速度控制模式選擇及加速度載入流程圖 檢測部件構成位置閉環。本實驗系統的被控對象是SAWAMURA DENKI KOGYO CO.公司的MM40A8-型電機。其特點是能經常工作在堵轉和低速狀態，故適用于在位置或低速運動控制系統中作為執行元件。它的空載轉速約為1000r/min。電機的輸入為經過驅動電路放大后的電壓信號，而電機的位置、速度、加速度、轉矩等都可以作為被控量來研究。 3.2 核心器件介紹 LM629是一款專用運動控制器，在一片芯片內集成了數字式運動控制器的全部功能，使得設計一個快速、準確的運動控制系統的任務變得輕松、容易。它適用于多種直流電機、無刷直流伺服電機以及其他可提供增量式位置反饋信號的伺服機構，可完成高性能數字式運動控制系統所需的集中、實時的計算任務，提供8位PWM調制信號和方向信號直接驅動橋式電路。元件采用NMOS工藝，最大輸入時鐘有6MHz和8MHz兩種。其主要特點如下： （1）32位的位置、速度及加速度寄存器 （2）帶16位參數的可編程數字PID控制器 （3）可編程的微分采樣時間 （4）8位脈寬調制PWM信號輸出 （5）速度、目標位置以及PID控制器的參數均可在運動過程中改變 （6）位置、速度兩種控制方式 （7）可實時中斷 LMD18200是美國國家半導體公司（NS）推出的專用于直流電動機驅動的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、電機和增量型編碼器構成一個完整的運動控制系統。LMD18200廣泛應用于打印機、機器人和各種自動化控制領域。主要性能如下： （1）峰值輸出電流高達6A,連續輸出電流達3A; （2）工作電壓高達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 軟件實現 驅動程序任務是:初始化LM629寄存器參數、設定加速度、設定運動軌跡參數和設定PID濾波器參數，然后LM629按照預定參數自動完成對電機的PID控制。 在系統程序設計中，對速度控制模式選擇、PID參數載入、運動參數載入均編寫了相應的程序模塊，各模塊流程圖如圖3-1、圖3-2。 4 實驗結果 控制系統參數的整定 首先由主控計算機向控制板發送各路的PID數，看給定的參數是否符合拉制系統的要求。一般說來，比例系數增大，伺服馭動系統的動態響應速度提高，過大又會引起系統振蕩。積分系數增大，能減少穩態誤差，但動態過程減慢，且對穩定性不利。 微分作用能反映偏差信號的變化趨勢，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。通常，首先僅保留比例作用，并不斷增大助參數，直到系統開始振蕩，然后再略減小它，以保證一定的穩定裕度，最后再根據位置信號的形式（階躍、速度或加速度），決定是否加積分或微分作用。由于控制系統參數整定比較復雜，可以通過多次嘗試得到較好的PID參數。 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，位置與轉速的誤差已經達到了我們預期的要求。 5 結束語 目前，機器人動力學控制的研究方法幾乎囊括了控制科學的所有控制方法。由于缺乏有效的硬件實現手段的支持，多數算法或者是無法獲得應有的控制效果，或者是根本無法實現。本文就是為解決上述問題所做的先期工作，旨在為后續的控制方法研究提供一個有效的硬件平臺。通過對LM629進行編程，用程序來更改PID的值以此來達到調節電機運轉的效果，并且在不同的工作模式下選取不同值來測得實驗數據，用這些數據來和理想的曲線進行比較分析，得到一般性的結論。 第二屆伺服與運動控制論壇論文集 第三屆伺服與運動控制論壇論文集