摘? 要: 介紹一種以80C196KC和80C196MC雙單片機(jī)為控制核心的通用伺服控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在同一硬件平臺(tái)上通過(guò)改變軟件的運(yùn)行方式和控制算法,可實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和直流伺服電機(jī)等三種不同電機(jī)的伺服控制。
關(guān)鍵詞: 通用伺服控制系統(tǒng)? INTEL80C196?? 控制方式
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隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及自控理論的發(fā)展,交直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)獲得了迅猛的發(fā)展;計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用,使控制系統(tǒng)從模擬控制向數(shù)字控制、從硬件控制向軟件控制方向發(fā)展;數(shù)字化的處理方法,使得象矢量控制、智能控制等新的控制理論得以實(shí)現(xiàn),控制方式更加靈活。通用伺服控制系統(tǒng)就是充分利用了軟件控制的靈活性,在一套常規(guī)的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)硬件平臺(tái)上,通過(guò)改變軟件的運(yùn)行方式,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和直流伺服電機(jī)的三位一體化控制。
1 系統(tǒng)的硬件組成
伺服控制系統(tǒng)采用兩片80C196作為控制核心,智能功率模塊IPM作逆變器,見(jiàn)圖1。系統(tǒng)硬件電路主要分以下三部分:主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)及隔離接口電路。各部分主要部件及功能介紹如下。
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1.1 主電路智能功率模塊IPM
逆變器使用三菱公司的PM59RSA120功率模塊,其內(nèi)部有7只IGBT,除用于三相橋臂外,另外一只可用做泵升電壓的旁路開(kāi)關(guān)。IPM內(nèi)部集成有各路IGBT的驅(qū)動(dòng)電路及異常情況檢測(cè)電路,如過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫等。當(dāng)檢測(cè)信號(hào)之一不正常時(shí),其F0輸出端變?yōu)榈碗娖?送到80C196MC的EXTINT端,發(fā)出相應(yīng)故障信號(hào)。
逆變器輸出端負(fù)載為交流或直流電機(jī)時(shí),其接法也不相同,見(jiàn)圖2。控制對(duì)象是感應(yīng)異步電機(jī)或永磁同步電機(jī)時(shí),由六個(gè)IGBT組成三相橋式逆變電路,實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的變頻調(diào)速控制,如圖2(a);控制對(duì)象為直流伺服電機(jī)時(shí),只用四個(gè)IGBT組成H型脈寬調(diào)制電路,如圖2(b),實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)速控制。
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1.2 控制電路硬件
高性能的伺服控制系統(tǒng)通常具有位置反饋、速度反饋、電流反饋三閉環(huán)結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的上述全數(shù)字化控制結(jié)構(gòu),控制線路采用2片16位單片機(jī)作為控制核心(見(jiàn)圖1)。其中1#單片機(jī)型號(hào)為Intel80C196KC,它主要完成以下工作:接受串行口輸入的控制信號(hào)和光電編碼器的電機(jī)位置信號(hào);完成位置環(huán)的智能控制算法,得到速度給定信號(hào);把速度給定信號(hào)通過(guò)雙口RAM并行通訊送到2#單片機(jī);接受鍵盤(pán)輸入信號(hào)并進(jìn)行相應(yīng)處理;輸出系統(tǒng)顯示信號(hào)至顯示器;完成系統(tǒng)的故障檢測(cè)。
2#單片機(jī)型號(hào)為Intel80C196MC。2#單片機(jī)選用該型號(hào)主要是考慮其輸出信號(hào)將控制逆變器,而Intel80C196MC是一種專(zhuān)門(mén)為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的單片機(jī)。其內(nèi)部有一個(gè)稱為WG的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器,占用CPU時(shí)間非常短,由P6口直接輸出6路SPWM信號(hào),或4路PWM信號(hào),用于IPM的驅(qū)動(dòng),每個(gè)引腳驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)20mA,驅(qū)動(dòng)頻率也很高,死區(qū)時(shí)間可由程序設(shè)置,以防同一橋臂兩IGBT直通。2#單片機(jī)主要完成以下工作:從雙口RAM接受速度給定信號(hào);對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換;進(jìn)行速度環(huán)、電流環(huán)運(yùn)算;控制交流電機(jī)時(shí),進(jìn)行矢量變換,WG產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào);完成過(guò)流、過(guò)壓等故障檢測(cè)及保護(hù)功能。
雙口通訊:雙單片機(jī)間的數(shù)據(jù)并行通訊采用雙口RAM IDT7130,這是一種高速1K×8bit雙口靜態(tài)RAM,帶片內(nèi)總線仲裁電路,適用于雙機(jī)之間大量數(shù)據(jù)的快速雙向傳遞。IDT7130提供了兩套各自獨(dú)立的控制和地址總線,同時(shí)提供了
和INT兩種總線仲裁方式。MCS96系列芯片均有Ready管腳,將它與IDT7130的引腳相連,就可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)。IDT7130芯片內(nèi)部的集成競(jìng)爭(zhēng)邏輯基于訪問(wèn)信號(hào)先到者優(yōu)先的原則,可以在兩個(gè)CPU同時(shí)訪問(wèn)端口時(shí)進(jìn)行地址訪問(wèn)或片選匹配。將兩端口中訪問(wèn)慢的一方引腳電平下拉,使之寫(xiě)入操作無(wú)效;一旦一方訪問(wèn)完畢,訪問(wèn)慢的一方線恢復(fù)上拉電平狀態(tài),即可繼續(xù)訪問(wèn)雙口RAM。
1.3 光電隔離及驅(qū)動(dòng)電路
IPM門(mén)極驅(qū)動(dòng)隔離電路見(jiàn)圖3,它實(shí)現(xiàn)對(duì)80C196MC的6路PWM信號(hào)與IPM的光電隔離,并實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和電平轉(zhuǎn)換功能。光藕采用6N137,這是一種快速光藕,三極管N為9014,供電電壓為15V,該三極管將來(lái)自光藕的TTL電平轉(zhuǎn)換為IPM的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
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2 系統(tǒng)軟件控制方案
本伺服控制系統(tǒng)的對(duì)象,可以是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁同步電機(jī)和直流伺服電機(jī)。在控制不同的電機(jī)時(shí),控制系統(tǒng)的硬件電路完全相同,不同的只是軟件結(jié)構(gòu)。下面介紹系統(tǒng)控制不同電機(jī)時(shí)的軟件控制方案。
2.1 感應(yīng)電機(jī)的軟件控制方案
感應(yīng)電機(jī)的軟件控制方案見(jiàn)圖4。在1#單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)位置環(huán)調(diào)節(jié)運(yùn)算,在2#單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)速度環(huán)、電流環(huán)調(diào)節(jié)及矢量變換運(yùn)算。在位置環(huán)的軟件設(shè)計(jì)中,考慮到控制對(duì)象模型參數(shù)的變化和非線形等不確定因素,采用模糊神經(jīng)元混合控制算法[2],使系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)態(tài)精度和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。速度調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器LJ、JT均采用PID調(diào)節(jié)控制算法。
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在該系統(tǒng)中,位置反饋信號(hào)由光碼盤(pán)A、B信號(hào),4倍頻處理后輸入CPU計(jì)數(shù)器得到。速度反饋由軟件0.5ms定時(shí)器申請(qǐng)中斷,通過(guò)固定時(shí)間間隔對(duì)光碼盤(pán)位置的采樣來(lái)計(jì)算反饋速度。設(shè)計(jì)中充分利用微處理器的硬件資源,使得系統(tǒng)的位置檢測(cè)及速度反饋處理幾乎不占用軟件運(yùn)算時(shí)間,位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)每0.5ms進(jìn)行一次相應(yīng)運(yùn)算,得到控制信號(hào)送入波形發(fā)生器WG產(chǎn)生SPWM波。兩單片機(jī)主程序流程圖見(jiàn)圖5。
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2.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的軟件控制方案
永磁同步電動(dòng)機(jī)的軟件控制方案與感應(yīng)異步電機(jī)基本相同,只是在矢量變換中稍有不同,其矢量坐標(biāo)d軸取永磁基波方向,而q軸順旋轉(zhuǎn)方向超前900電度角。在交流伺服恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)動(dòng)控制時(shí),可通過(guò)控制id=0使得驅(qū)動(dòng)器的單位電流能提供最大的轉(zhuǎn)矩輸出。同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差角速度ωsl=0。其余部分與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的軟件控制方案完全相同。
2.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)的軟件控制方案
直流伺服電機(jī)通過(guò)電刷的換向作用,使得電樞電流與定子磁場(chǎng)保持垂直,因此不需要進(jìn)行2相/3相坐標(biāo)變換,從而使直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制非常簡(jiǎn)單,速度環(huán)的輸出可直接作為電流環(huán)的給定信號(hào)輸入,見(jiàn)圖6。
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采用雙Intel80C196為控制核心的通用伺服控制系統(tǒng),在同一硬件平臺(tái)上,通過(guò)改變軟件的運(yùn)行方式和控制算法,成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)異步感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)以及直流伺服電機(jī)三種不同類(lèi)型電機(jī)的伺服閉環(huán)控制。經(jīng)調(diào)試測(cè)定,系統(tǒng)在這三種運(yùn)行方式下均有較好的動(dòng)、靜態(tài)性能指標(biāo)。
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參考文獻(xiàn)
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