摘? 要: 介紹一種以80C196KC和80C196MC雙單片機為控制核心的通用伺服控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在同一硬件平臺上通過改變軟件的運行方式和控制算法,可實現(xiàn)對感應(yīng)異步電機、永磁同步電機和直流伺服電機等三種不同電機的伺服控制。
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,交直流電機調(diào)速系統(tǒng)獲得了迅猛的發(fā)展;計算機技術(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)硬件平臺上,通過改變軟件的運行方式,可以實現(xiàn)對交流異步電機、永磁同步電機和直流伺服電機的三位一體化控制。
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關(guān)。IPM內(nèi)部集成有各路IGBT的驅(qū)動電路及異常情況檢測電路,如過壓、過流、過溫等。當檢測信號之一不正常時,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。
逆變器輸出端負載為交流或直流電機時,其接法也不相同,見圖2?？刂茖ο笫歉袘?yīng)異步電機或永磁同步電機時,由六個IGBT組成三相橋式逆變電路,實現(xiàn)對電機的變頻調(diào)速控制,如圖2(a);控制對象為直流伺服電機時,只用四個IGBT組成H型脈寬調(diào)制電路,如圖2(b),實現(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位單片機作為控制核心(見圖1)。其中1#單片機型號為Intel80C196KC,它主要完成以下工作:接受串行口輸入的控制信號和光電編碼器的電機位置信號;完成位置環(huán)的智能控制算法,得到速度給定信號;把速度給定信號通過雙口RAM并行通訊送到2#單片機;接受鍵盤輸入信號并進行相應(yīng)處理;輸出系統(tǒng)顯示信號至顯示器;完成系統(tǒng)的故障檢測。
2#單片機型號為Intel80C196MC。2#單片機選用該型號主要是考慮其輸出信號將控制逆變器,而Intel80C196MC是一種專門為電機控制設(shè)計的單片機。其內(nèi)部有一個稱為WG的PWM驅(qū)動信號發(fā)生器,占用CPU時間非常短,由P6口直接輸出6路SPWM信號,或4路PWM信號,用于IPM的驅(qū)動,每個引腳驅(qū)動電流可達20mA,驅(qū)動頻率也很高,死區(qū)時間可由程序設(shè)置,以防同一橋臂兩IGBT直通。2#單片機主要完成以下工作:從雙口RAM接受速度給定信號;對電壓電流信號進行A/D轉(zhuǎn)換;進行速度環(huán)、電流環(huán)運算;控制交流電機時,進行矢量變換,WG產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號;完成過流、過壓等故障檢測及保護功能。
雙口通訊:雙單片機間的數(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,適用于雙機之間大量數(shù)據(jù)的快速雙向傳遞。IDT7130提供了兩套各自獨立的控制和地址總線,同時提供了
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,就可以實現(xiàn)延時。IDT7130芯片內(nèi)部的集成競爭邏輯基于訪問信號先到者優(yōu)先的原則,可以在兩個CPU同時訪問端口時進行地址訪問或片選匹配。將兩端口中訪問慢的一方引腳電平下拉,使之寫入操作無效;一旦一方訪問完畢,訪問慢的一方線恢復(fù)上拉電平狀態(tài),即可繼續(xù)訪問雙口RAM。
1.3 光電隔離及驅(qū)動電路
IPM門極驅(qū)動隔離電路見圖3,它實現(xiàn)對80C196MC的6路PWM信號與IPM的光電隔離,并實現(xiàn)驅(qū)動和電平轉(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,該三極管將來自光藕的TTL電平轉(zhuǎn)換為IPM的門極驅(qū)動信號。
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2 系統(tǒng)軟件控制方案
本伺服控制系統(tǒng)的對象,可以是感應(yīng)電動機、永磁同步電機和直流伺服電機。在控制不同的電機時,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)控制不同電機時的軟件控制方案。
2.1 感應(yīng)電機的軟件控制方案
感應(yīng)電機的軟件控制方案見圖4。在1#單片機上實現(xiàn)位置環(huán)調(diào)節(jié)運算,在2#單片機上實現(xiàn)速度環(huán)、電流環(huán)調(diào)節(jié)及矢量變換運算。在位置環(huán)的軟件設(shè)計中,考慮到控制對象模型參數(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,位置反饋信號由光碼盤A、B信號,4倍頻處理后輸入CPU計數(shù)器得到。速度反饋由軟件0.5ms定時器申請中斷,通過固定時間間隔對光碼盤位置的采樣來計算反饋速度。設(shè)計中充分利用微處理器的硬件資源,使得系統(tǒng)的位置檢測及速度反饋處理幾乎不占用軟件運算時間,位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)每0.5ms進行一次相應(yīng)運算,得到控制信號送入波形發(fā)生器WG產(chǎn)生SPWM波。兩單片機主程序流程圖見圖5。
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2.2 永磁同步電動機的軟件控制方案
永磁同步電動機的軟件控制方案與感應(yīng)異步電機基本相同,只是在矢量變換中稍有不同,其矢量坐標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)矩運動控制時,可通過控制id=0使得驅(qū)動器的單位電流能提供最大的轉(zhuǎn)矩輸出。同步電動機的轉(zhuǎn)差角速度ωsl=0。其余部分與感應(yīng)電動機的軟件控制方案完全相同。
2.3 直流伺服電動機的軟件控制方案
直流伺服電機通過電刷的換向作用,使得電樞電流與定子磁場保持垂直,因此不需要進行2相/3相坐標變換,從而使直流伺服電動機的控制非常簡單,速度環(huán)的輸出可直接作為電流環(huán)的給定信號輸入,見圖6。
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采用雙Intel80C196為控制核心的通用伺服控制系統(tǒng),在同一硬件平臺上,通過改變軟件的運行方式和控制算法,成功地實現(xiàn)了對異步感應(yīng)電機、永磁同步電機以及直流伺服電機三種不同類型電機的伺服閉環(huán)控制。經(jīng)調(diào)試測定,系統(tǒng)在這三種運行方式下均有較好的動、靜態(tài)性能指標。
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參考文獻
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