利用LM629和PIC单片机构建一个精密电机控制器

背景与理论

这个项目的目的是创建一个系统，给速度，加速度和运动的电机精确控制。虽然步进电机可以提供高扭矩，并且与输入高度同步(因此控制它的微控制器可以跟踪它们的当前位置)，但它们在运行时效率不高，这将严重影响电池的使用时间。此外，如果由于某种原因，步进电机熄火了，控制器无法知道它没有移动，但它会记录下来，就好像它已经移动了，这将使整个系统陷入混乱(想象一下，一台3D打印机因为卡住而跳过了一步，整个打印过程将从发生的事件开始变得混乱)。出于这个原因，我实现了一个系统，可以用反馈控制直流电机，以跟踪电机所做的事情，而不管PWM周期的数量，失速等。这要求电机具有正交编码器(对于此模拟/电源板，电机必须为12V-24V)， LM629精密电机控制器和用于设置LM629 ic的微控制器。例如，有了这个系统，移动机器人就可以享受马达的对称速度。

LM629内部是如何工作的

LM629是一款微控制器外设，在单个设备中集成了采样数据运动控制系统的所有功能。使用LM629使设计快速精确的运动控制系统的复杂任务变得更加容易。LM629实现了一个位置解码器、一个求和结、一个数字PID环路补偿滤波器和一个轨迹轮廓发生器。LM629提供一个7位PWM信号和一个符号位，提供一个符号幅度输出端口。在运行时，主机微控制器将加速度、速度和目标位置值下载到轨迹生成器中。在每个样本间隔，这些值被用来计算新的需求或“设定点”位置，这些位置被馈送到求和结。电机的实际位置由光增量编码器的输出信号确定。内部解码器将实际位置发送到求和结的另一个输入，并从“需求”位置中减去，形成控制回路补偿器的误差信号输入，该补偿器是一个PID滤波器。

由主微控制器发送到LM629的轨迹曲线以速度与时间的关系绘制。这些被认为是速度剖面的原因是每个样本间隔都计算所需的位置。对于匀速，这些期望的位置增量将是相同的每个样本间隔，对于加速和减速，期望的位置增量将分别增加和减少每个样本间隔。目标位置是速度剖面的积分。

主微控制器通过并行通信与LM629通信。LM629有三个内部寄存器：状态、高位和低位字节。这些由RD， WR和PS线(活动低)和使用状态字节的忙位控制。通过将RD和PS调低来读取状态字节，第0位是忙位。通过将WR和PS调低来编写命令。PS高时，WR低，将数据写入LM629， RD低，从LM629读取数据。数据传输是一个按最高到最低有效字节顺序写入的双字节操作。以上描述假设CS很低。

用户命令类型：初始化、过滤控制命令、轨迹控制命令、中断控制命令和数据报告命令。

LM629与其主机之间的通信流通过使用状态字节中的忙位0位来控制。在发出命令和数据或读取数据之前，主机必须检查忙位是否为逻辑0。这包括具有多个数据字的命令的数据字节对之间。

准备

为了实现一个基于LM629电机控制器的系统，我创建了两个pcb。一个PCB容纳数字元件，如PIC18F46K22和lm629。所有的数字和钻文件都包括在内，以便通过JLCPCB订购pcb。我还包括了材料清单和示意图，可以用来把这些放在一起。数字端可以很容易地构建在面包板和前置板上，但模拟/电源板存在一些挑战，因为H-Bridge的封装与前面提到的介质上的2.54mm间距不一致。此外，数字隔离器采用表面安装形式。

如果您决定在没有隔离器和不同的h桥的情况下重新创建此项目，则可以在前置板和面包板上进行一些修改。

该板上的微控制器分别向每个LM629发送命令，系数和轨迹。这里只显示了两个，因为目前使用它们的项目只包含两个电机，可以再增加两个来控制总共4个电机LM629。LM629发送PWM和信号通过h桥的2x10引脚连接器发送到模拟板(第二板)。通过相同的连接器，正交编码器信号被lm629接收。

在模拟/功率电源板上，来自数字板的信号通过数字隔离器连接到h桥。使用数字隔离器可以实现两个系统之间的通信，而不需要有一个共同点。电动机产生大量的电气噪声，这些电压的下降和尖峰会导致数字元件(如微控制器、微处理器或其他具有低电气噪声阈值的数字系统)发生故障，这就是为什么该电动机控制器方案设计使用数字隔离器。

模拟/电源板通过上面提到的2x10连接器接收信号幅度信号，以及5V和数字地为正交编码器和隔离器的数字端供电。

为了实现完全隔离，必须使用两种不同的电源，在我的项目中，我使用了两个单独的电池。

编译微控制器的代码

要为MCU编译代码，请遵循以下步骤：

•下载上面提到的存储库

•将ZIP文件的内容解压缩到路径名不包含太多字符的地方，例如C：驱动器的根目录

•打开MPLABX(如果必须安装，请确保也安装了XC8编译器)

•在工具栏上，单击File-> Open Project

•导航到解压zip文件内容的位置

•打开文件夹，点击项目，点击“打开项目”

•一旦项目打开，您可以浏览源代码并根据您的需要修改它。

•在工具栏上转到Production->Clean and Build Project

编译器应该生成一个"。十六进制”文件。可以用来对单片机进行编程。

单片机编程

要对微控制器进行编程，请确保微控制器以5V通电，并且Pickit 3编程器连接到“编程器”头引脚。

•在工具栏中，转到生产->制作和程序设备

•将弹出一个MPLABX警告窗口，提醒您确保连接的芯片与项目中选择的芯片相同，并且电压为推荐的电压。单击OK。

结论

这个项目可以适应任何需要高精度电机控制的项目，步进电机不是一个选择。它还使用现成的部件来完成此目的，因此已经完成了大部分测试和调试。如果解决方案是在另一个MCU的软件中实现PID或在FPGA的硬件中实现PID，则仍然需要进行大量的测试和调试。

我编写的库很容易移植到其他体系结构中。

本文编译自hackster.io