新型精密長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x中的直流電機(jī)控制系統(tǒng)
楊斌，董春，丁桂林
（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044）
摘要：介紹了一種基于光學(xué)傳感器、直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和clspic單片機(jī)的精密長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x，并著重介紹了測(cè)量?jī)x中以lmd18200為驅(qū)動(dòng)芯片的直流電機(jī)控制系統(tǒng)。文章詳細(xì)描述了該電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路、控制策略和軟件設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該電機(jī)控制系統(tǒng)在低速時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、調(diào)速性能良好，可滿足測(cè)量?jī)x的性能要求，并且成本低廉，運(yùn)行可靠。
關(guān)鍵詞：長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x；電機(jī)控制；lmd18200
中圖分類號(hào)：tm381 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：1001-6848-(2010)03-0073-03
o引言
到目前為止，國(guó)內(nèi)外發(fā)展的精密長(zhǎng)度測(cè)量方法有很多，主要分三大類：一是電學(xué)測(cè)量技術(shù)，包括電渦流傳感器測(cè)量、電容傳感器測(cè)量等；二是顯微鏡測(cè)量技術(shù)，以掃描隧道顯微鏡( stm)技術(shù)為代表；三是以備種激光干涉儀為代表的光學(xué)測(cè)量方法，其中包括x射線干涉儀、雙頻激光干涉儀，激光偏振干涉儀、光柵干涉測(cè)量、f p干涉儀等。這些測(cè)量方法精度較高，但是成本偏高，操作也較為復(fù)雜。
本文提出了一種基于自動(dòng)控制的新型精密測(cè)量系統(tǒng)，成本較低、操作簡(jiǎn)單。該測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)多次測(cè)量，并自動(dòng)校正誤差、處理數(shù)據(jù)。在理想情況下，本套系統(tǒng)的理論測(cè)量精度可以達(dá)到幾十納米。本文基于dspic單片機(jī)和lmd18200，開(kāi)發(fā)了一個(gè)滿足測(cè)量系統(tǒng)性能要求、成本較低的直流電機(jī)控制系統(tǒng)。
1硬件設(shè)計(jì)
測(cè)量系統(tǒng)原理如圖l所示。本測(cè)量系統(tǒng)主要由黑白分明的重桿、光反射傳感器、精密絲杠、光柵尺、旋轉(zhuǎn)編碼器、伺服電機(jī)以及控制電路組成。重桿靠自身重力壓在物體表面后，單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)連接在絲杠上的光反射傳感器探測(cè)重桿的黑白分界線，然后單片機(jī)讀起始位置和終止位置處光柵和編碼器的脈沖數(shù)之差，并處理誤差，計(jì)算得出長(zhǎng)度，最后結(jié)果通過(guò)液晶顯示。
1.1控制系統(tǒng)框圖
控制系統(tǒng)如圖2所示，采用dspic30f6014a作為控制芯片，處理收集到的數(shù)據(jù)并發(fā)送控制命令。h橋組件lmd18200接收單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)，在內(nèi)部上控后加載到直流伺服電機(jī)上。電機(jī)位置和速度信號(hào)通過(guò)光電編碼器反饋給單片機(jī)，而電路中電流信號(hào)則由lmd18200內(nèi)置電流互感器輸入到單片機(jī)ad口。
1.2驅(qū)動(dòng)電路
lmd18200將pwm管腳與dir管腳配合供單極性和雙極性兩種驅(qū)動(dòng)方式[3]。
1.4電流檢測(cè)回路
lmd18200內(nèi)部集成電流檢測(cè)電路。芯片每輸出1a電流，其管腳8輸出377 va。該電流經(jīng)過(guò)采樣電阻變?yōu)殡妷盒盘?hào)，輸入到pic單片機(jī)的ad轉(zhuǎn)換口，單片機(jī)處理后，通過(guò)控制pwm信號(hào)來(lái)控制電路中的電流，形成回路。不過(guò)該電流檢測(cè)電路僅檢測(cè)h橋臂上端晶體管中的電流，而不是反饋電流。
1.5保護(hù)電路
lmd18200內(nèi)部含有限流保護(hù)電路，用于檢測(cè)器件中的浪涌電流，該電流接近10 a時(shí)，迅速關(guān)斷功率器件。一旦外界短路故障消失，器件就恢復(fù)正常運(yùn)行。由于短路將產(chǎn)生大量熱量，在實(shí)際使用時(shí)，lmd18200必須配備面積足夠大的散熱器。同時(shí)，lmd18200還具有溫度預(yù)警和過(guò)熱保護(hù)功能。溫度達(dá)145攝氏度時(shí)，有溫度報(bào)警標(biāo)志輸出；當(dāng)溫度達(dá)170攝氏度時(shí)，組件進(jìn)行熱關(guān)斷操作。
2控制策略
2.1電機(jī)控制框圖
本文中，對(duì)電機(jī)的速度和位置采用pid調(diào)節(jié)器，對(duì)電流采用pi調(diào)節(jié)器。本文采用的是雙極性驅(qū)動(dòng)方式（如圖3所示）。
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