运动控制专用集成电路及应用（续5）
谭建成 （广州电器科学研究所）
【摘 要】本文为“运动控制专用集成电路及应用（续4）”（见1993年《微电机》第2期）的续篇，介绍利用GL-1200专用集成电路构成的直流电动机步进化控制系统，并对系统的性能、原理、应用等作了详细的阐述。
【叙 词】集成电路直流电动机／步进伺服控制器原理应用5 GL-1200步进伺服控制器
5.1直流电动机步进化控制系统
在位置伺服控制系统设计时，人们经常面临对步进电机系统和直流伺服系统的选择，选择包括对运动控制快速性的要求、精度、成本、设计和调整复杂性等方面的考虑。步进电机系统本质上是一个数字部件，它直按接受脉冲序列，可开环控制，不需反馈元件，系统设计较简单，容易调整，成本较低。但步进电机系统输出功率较小；工作速度较低，一般不超过2000r/min；低速运行平滑性差，还可能出现谐振而失步；在高速工作时转矩下降；堵转工作发热严重；系统效率低；响应快速性较差。如果采用微步距驱动或闭环控制等新技术，性能会有所改善，但成本明显增高。如果选用直流伺服系统，运动性能会有很大改善，但系统复杂，成本增大，设计和调整比步进电机系统要困难一些，而且其控削器部分的成本也随之加大。
利用GL-1200专用集成电路构成的直流电动机步进化控制系统，是一个折衷的方案。它采用增量式编码器作为反馈元件。与步进电机系统相似，接受从主控计算机来的脉冲序列指令，不但得到位置误差，还可以得到阻尼信号，因而不必使用测速发电机。它可使用适用于步进电机系统的控制器和软件，设计和调整比较简易，系统成本较低。利用这个系统，直流电动机的控制就像步进电机一样。它既可以作位置控制，也可以作锁相速度控
制使用。
这个新系统适用于那些步进系统已不能满足要求，而若选用常规闭环直流伺服系统又嫌太昂贵的场合。
5.2 GL-1200脉冲输人式伺服控制器
图1表示采用GL-1200专用芯片组成步进伺服控制系统的框图，图中也表示芯片内的主要构成。
GL-1200是一个28脚双列直插塑封芯片，示于图2，其内部包括有一个指令寄存器、一个反馈寄存器、一个位置反馈信号译码器、一个比较器、一个微分器。寄存器是12位的。从上位机来的脉冲序列位置指令从8或9脚进入指令寄存器。从增量编码器来的双通道脉冲序列从11和12脚进入译码器，得到4倍频的位置信息和方向信息。例如，若编码器是500脉冲／r，进入反债寄存器的实际位置信号相应为2000脉冲／r，增加了系统的分辨率。两寄存器的数据不断被采样送给比较器，得到数字位置误差(PE)。采样频率很高，由外接的振荡器提供，典型值为5MHz，比系统带宽高得多。数字位置误差(PE)的低8位被脉宽调制(PWM)从3脚输出(MC信号)。同时，还计算出位置误差的微分，代表了运动速度，从6和7脚送出，作系统阻尼用。一个正比于正速度，另一个正比于负速度。两个信号在外设运算放大器中转换成模拟阻尼信号。用另一个运算放大器可以将位置误差和阻尼信号合成一个模拟信号，用来控制末级功率放大器，驱动直流电动机（参见图3）。系统的增益和阻尼可由RD和RG两个电阻来调节，以优化系统的性能。
GL-1200是一个脉冲跟踪型控制器，与步进电机系统相似，输入一个脉冲指令对应于电动机运动一步，一步对应于反馈寄存器的一个输入脉冲（上例中，对应于1/2000转）。运动的速度取决于输入脉冲的频率。作速度控制系统用时，它是一个宽速度范围的锁相稳速系统。在稳态情况下，速度误差为零，因为反馈频率被锁定到输入的指令频率上。典型的调速范围可达100000：1。
位置误差(PE)在8bit范围内线性变化，即±127。若误差过大，2脚(ERROR FI．AG)给出低电平信号，发出警告。同时，也可以由(16～23)脚信号来对系统位置误差进行连续和监视。
5.3引脚的说明
5.3.1输入信号
CLOCKl(5脚)——外接时钟信号。对GL-1200****频率5MHz。
CLOCKl（4脚）一一不用外接时钟时，可按图4在4和5脚间接I．C电路．得到工作时钟。
INCREMENT(9脚)和DECREhr4ENT（8脚）一分别是正向和反向位置指令脉冲输入端。脉冲上升沿有效。
CHANNEI。A(11脚)和CHANNELB（12脚）一双通道增量式编码器输入端。允许****频率75kHz。
QUADRATURE／FULL(10脚)一一高电平时，编码器信号4倍频。低电平时，不倍频。
RESET（13脚）一位置寄存器复位信号输入端。复位时，MC处于高阻态。
INHIBIT (25脚)一禁止输入喘，使MC处于高阻态。
5.3.2输出信号
MC(3脚)一脉宽调制的位置误差信号。
SDl(6脚)和SD2(7脚)-TTL电平的阻尼信号。
PEO --PE7（16～23脚）-8bit位置误差监视端。
ERROR FLAG（2脚）一低电平时表示位置误差已超出8bit。
输入脉冲指令除正向脉冲和反向脉冲输入方式之外，也可以采用方向信号( DI-RECTION)和脉冲信号(PULSE)输入方式，见图5。
5.4控制算法
由于系统的采样频率足够高，本系统可按连续系统分析。控制器的传递函数为：
式中 PE-位置误差
M-给功率放大器的电压信号
Kp和Kd分别是增益系数和阻尼系数。对于图3的电路，在Rd=26. 2kΩ时，有：
5.5应用示例
由GL--1200组成的步进化直流电动机伺服系统用于16英时天文望远镜是一个典型示例。
原先采用步进电动机系统，需要两套减速器，低速用于跟踪，高速用于快速定位。低速时有振荡。改用步进伺服控制器后，振荡淌除了，只需一套减速器。低速可达lr/d，用来跟踪行星，0.lr/min用来跟踪像慧星等慢速移动的星体，快速定位速度可达6000r/min，步进电机是不可能达到的。适应这样宽的速度范围，编码器信号在低速时经4倍频处理，在高速时则不倍频。 （待续）
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