摘  要: 介绍一种以80C196KC和80C196MC双单片机为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展;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,智能功率模块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输出端变为低电平,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,只用四个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,得到速度给定信号;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。其内部有一个称为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。

　　双口通讯: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PWM信号与IPM的光电隔离,并实现驱动和电平转换功能。光藕采用6N137,这是一种快速光藕,三极管N为9014,供电电压为15V,该三极管将来自光藕的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#单片机上实现位置环调节运算,在2#单片机上实现速度环、电流环调节及矢量变换运算。在位置环的软件设计中,考虑到控制对象模型参数的变化和非线形等不确定因素,采用模糊神经元混合控制算法^[2],使系统具有较高的稳态精度和快速的动态响应。速度调节器ASR、电流调节器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倍频处理后输入CPU计数器得到。速度反馈由软件0.5ms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900电度角。在交流伺服恒转矩运动控制时,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。同步电动机的转差角速度ω_sl=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给定信号输入,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。

参考文献

1 陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京:机械工业出版社，1993

2 周 箴.基于模糊神经元混合控制的交流伺服控制系统.电工技术学报，1999；3

3 张 斌.具有多种电机控制模式的伺服驱动器的研究.电工电能新技术，1999；4

4 崔纳新.感应电动机变频调速矢量控制系统的研究.电机与控制学报，1999；3

5 孙函芳.INTEL16位单片机.北京:北京航空航天大学出版社，1995

6 夏超英.交直流传动系统的自适应控制.北京:机械工业出版社，1998