新型精密長度測量儀中的直流電機控制系統(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、直線運動平臺和clspic單片機的精密長度測量儀，并著重介紹了測量儀中以lmd18200為驅(qū)動芯片的直流電機控制系統(tǒng)。文章詳細描述了該電機控制系統(tǒng)的硬件電路、控制策略和軟件設(shè)計。經(jīng)實驗驗證，該電機控制系統(tǒng)在低速時運行平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、調(diào)速性能良好，可滿足測量儀的性能要求，并且成本低廉，運行可靠。
關(guān)鍵詞：長度測量儀；電機控制；lmd18200
中圖分類號：tm381 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848-(2010)03-0073-03
o引言
到目前為止，國內(nèi)外發(fā)展的精密長度測量方法有很多，主要分三大類：一是電學(xué)測量技術(shù)，包括電渦流傳感器測量、電容傳感器測量等；二是顯微鏡測量技術(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、光柵干涉測量、f p干涉儀等。這些測量方法精度較高，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控制的新型精密測量系統(tǒng)，成本較低、操作簡單。該測量系統(tǒng)可實現(xiàn)自動多次測量，并自動校正誤差、處理數(shù)據(jù)。在理想情況下，本套系統(tǒng)的理論測量精度可以達到幾十納米。本文基于dspic單片機和lmd18200，開發(fā)了一個滿足測量系統(tǒng)性能要求、成本較低的直流電機控制系統(tǒng)。
1硬件設(shè)計
測量系統(tǒng)原理如圖l所示。本測量系統(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，單片機控制電機轉(zhuǎn)動，電機帶動連接在絲杠上的光反射傳感器探測重桿的黑白分界線，然后單片機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，計算得出長度，最后結(jié)果通過液晶顯示。
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接收單片機發(fā)出的控制信號，在內(nèi)部上控后加載到直流伺服電機上。電機位置和速度信號通過光電編碼器反饋給單片機，而電路中電流信號則由lmd18200內(nèi)置電流互感器輸入到單片機ad口。
1.2驅(qū)動電路
lmd18200將pwm管腳與dir管腳配合供單極性和雙極性兩種驅(qū)動方式[3]。
1.4電流檢測回路
lmd18200內(nèi)部集成電流檢測電路。芯片每輸出1a電流，其管腳8輸出377 va。該電流經(jīng)過采樣電阻變?yōu)殡妷盒盘枺斎氲絧ic單片機的ad轉(zhuǎn)換口，單片機處理后，通過控制pwm信號來控制電路中的電流，形成回路。不過該電流檢測電路僅檢測h橋臂上端晶體管中的電流，而不是反饋電流。
1.5保護電路
lmd18200內(nèi)部含有限流保護電路，用于檢測器件中的浪涌電流，該電流接近10 a時，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)正常運行。由于短路將產(chǎn)生大量熱量，在實際使用時，lmd18200必須配備面積足夠大的散熱器。同時，lmd18200還具有溫度預(yù)警和過熱保護功能。溫度達145攝氏度時，有溫度報警標志輸出；當溫度達170攝氏度時，組件進行熱關(guān)斷操作。
2控制策略
2.1電機控制框圖
本文中，對電機的速度和位置采用pid調(diào)節(jié)器，對電流采用pi調(diào)節(jié)器。本文采用的是雙極性驅(qū)動方式（如圖3所示）。
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