基于Intel80C196的通用伺服控制系统

    摘要：介绍一种以80C196KC和80C196MC双单片机的控制核心的通用伺服控制系统。该系统在同一硬件平台上通过改变软件的运行方式和控制算法，可实现对感应异步电机、永磁同步电机和直流伺服电机等三种不同电机的伺服控制。

    关键词：通用伺服控制系统 INTEL80C196 控制方式

随着电力电子技术、微电子技术及自控理论的发展，交直流电机调速系统获得了迅猛的发展；计算机技术的应用，使控制系统从模拟控制向数字控制、从硬件控制向软件控制方向发燕尾服；数字化的处理方法，使得象矢量控制、智能控制等新的控制理论得以实现，控制方式更加灵活。通用伺服控制系统就是充分利用了软件控制的灵活性，在一套常规的交流数字伺服系统硬件平台上，通过改变软件的运行方式，可以实现对交流异步电机、永磁同步电机和直流伺服电机的三位一体化控制。

1 系统的硬件组成

伺服控制系统采用两片80C196作为控制核心，智能功能模块IPM作逆变器，见图1。系统硬件电路主要分以下三部分：主电路、控制电路、驱动及隔离接口电路。各部分主要部件及功能介绍如下。

1.1 主电路智能功率模块IPM

逆变器使用三菱公司的PM59RSA120功率模块，其内部有7只IGBT，除用于三相桥臂外，另外一只可用做泵升电压的旁路开关。IPM内部集成有各路IGBT的驱动电路及异常情况检测电路，如过压、过流、过温等。当检测信号之一不正常时，其F0输出端变这低电平，送到80C196MC的EXTINT端，发出相应故障信号。

逆变器输出端负载为交流或直流电机时，其接法也不相同，见图2.控制对象是感应异步电机或永磁同步电机时，由六个IGBT组成三相桥式逆变电路，实现对电机的变频调速控制如图2（a）；控制对象为直流伺服电机时，只有四个IGBT组成H型脉宽调制电路，如图2（b），实现脉宽调速控制。

1.2 控制电路硬件

高性能的伺服控制系统通常具有位置反馈、速度反馈、电流反馈三闭环结构。为实现系统的上述全数字化控制结构，控制线路采用2片16位单片机作为控制核心（见图1）。其中1#单片机型号为Intel80C196KC，它主要完成以下工作：接受串行口输入的控制信号和光电编码器的电机位置信号；完成位置环的智能控制算法，得以速度给定信号；把速度给定信号通过双口RAM并行通讯送到2#单片机；接受键盘输入信号并进行相应处理；输出系统显示信号至显示器；完成系统的故障检测。

2#单片机型号为Intel80C196MC。2#单片机选用该型号主要是考虑其输出信号将控制逆变器，而Intel80C196MC是一种专门为电机控制设计的单片机。其内部有一个自然数WG的PWM驱动信号发生器，占用CPU时间非常短，由P6口直接输出6路SPWM信号，或4路PWM信号，用于IPM 的驱动，每个引脚驱动电流可达20mA，驱动频率也很高，死区时间可由程序设置，以防同一桥臂两IGBT直通。2#单片机主要完成以下工作：从双口RAM接受速度给定信号；对电压电流信号进行A/D转换；进行速度环、电流环运算；控制交流电机时，进行矢量变换，WG产生PWM驱动信号，完成过流、过压等故障检测及保护功能。

又口通讯：双单片机间的数据并行通讯采用双口RAM IDT7130，这是一种高速1K×8bit双口静态RAM，带片内总线仲裁电路，适用于双机之间大量数据的快速双向传递。IDT7130提供了两套各自独立的控制和地址总线，同时提供了BUSY和INT两种总线仲裁方式。MCS96系列芯片均有Ready管脚，将它与IDT7130的BUSY引脚相连，就可以实现延时，IDT7130芯片内部的集成竞争逻辑基于访问信号先到者优先的原则，可以在两个CPU同时访问端口时进行地址访问或片选匹配。将两端口中访问慢的一方BUSY引脚电平下拉，使之写入操作无效；一旦一方访问完毕，访问慢的一方BUSY线恢复上拉电平状态，即可继续访问双口RAM。

1.3 光电隔离及驱动电路

IPM门极驱动隔离电路见图3，它实现对80C196MC的6路WM信号与IPM的光电隔离，并实现驱动和电平转换功能。光藉采用6N137，这是一种快速光耦，三极管N为9014，供电电压为15V，该三极管将来自光藉的TTL电平转换为IPM的门极驱动信号。

2 系统软件控制方案

本伺服控制系统的对象，可以是感应电动机、永磁同步电机和直流伺服电机。在控制不同的电机时，控制系统的硬件电路完全相同，不同的只是软件结构。下面介绍系统控制不同电机时的软件控制方案。

2.1 感应电机的软件控制方案

感应电机的软件控制方案见图4。在1#单片机上实现集团环调节运算，在2#单片机上实现速度环、电流环调节及矢量变换运算。在位置软件设计中，考虑到控制对象模型参数的变化和非线形等不确定因素，采用模块神经元混合控制算示[2]，使系统具有较高的稳态精度和快速和动态响应。速度调节器ASR、电流调节点LJ、JT均采用PID调节控制算法。

在该系统中，位置反馈信号由光码盘A、B信号，4倍定时器申请中断，通过固定时间间隔对光码盘位置的采样来计算反馈速度。设计中充分利用微处理器的硬件资源，使得系统的位置检测及速度反馈处理几乎不占用软件运算时间，位置环、速度环、电流环每0.5ms进行一次相应运算，得到控制信号送入波形发生器WG产生SPWM波。两单片机主程序流程图见图5。

2.2 永磁同步电动机的软件控制方案

永磁同步电动机的软件控制方案与感应异步电机基本相同，只是在矢量变换中稍有不同，其矢量坐标d轴取永磁基波方向，而q轴顺旋转方向超前90°电度角。在交流伺服恒转矩运行控制时，可通过控制id=0使得驱动器的单位电流能提供最大的转矩输出。同步电动同的转差角速度ωs1=0。其余部分与感应电动机的软件控制方案完全相同。

2.3 直流伺服电动机的软件控制方案

直流伺服电机通过电刷的换向作用，使得电枢电流与定子磁场保持垂直，因此不需要进行2相/3相坐标变换，从而使直流伺服电动机的控制非常简单，速度环的输出可直接作为电流环的定信号输入，见图6。

采用双Intel80C196为控制核心的通用伺服控制系统，在同一硬件平台上，通过改变软件的运行方式和控制算法，成功地实现了对异步感应电机、永磁同步电机以及直流伺服电机三种不同类型电机的伺服闭环控制。经调试测定，系统在这三种运行方式下均有较好的动、静态性能指标。