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。該系統在同一硬件平臺上通過改變軟件的運行方式和控制算法,可實現對感應異步電機、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。
關鍵詞: 通用伺服控制系統? INTEL80C196?? 控制方式
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隨著電力電子技術、微電子技術及自控理論的發展,交直流電機調速系統獲得了迅猛的發展;計算機技術的應用,使控制系統從模擬控制向數字控制、從硬件控制向軟件控制方向發展;數字化的處理方法,使得象矢量控制、智能控制等新的控制理論得以實現,控制方式更加靈活。通用伺服控制系統就是充分利用了軟件控制的靈活性,在一套常規的交流數字伺服系統硬件平臺上,通過改變軟件的運行方式,可以實現對交流異步電機、永磁同步電機和直流伺服電機的三位一體化控制。
1 系統的硬件組成
伺服控制系統采用兩片80C196作為控制核心,智能功率模塊IPM作逆變器,見圖1。系統硬件電路主要分以下三部分:主電路、控制電路、驅動及隔離接口電路。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。IPM內部集成有各路IGBT的驅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輸出端變為低電平,送到80C196MC的EXTINT端,發出相應故障信號。
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。控制對象是感應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,實現對電機的變頻調速控制,如圖2(a);控制對象為直流伺服電機時,只用四個IGBT組成H型脈寬調制電路,如圖2(b),實現脈寬調速控制。
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1.2 控制電路硬件
高性能的伺服控制系統通常具有位置反饋、速度反饋、電流反饋三閉環結構。為實現系統的上述全數字化控制結構,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處理;輸出系統顯示信號至顯示器;完成系統的故障檢測。
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計的單片機。其內部有一個稱為WG的PWM驅動信號發生器,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的驅動,每個引腳驅動電流可達20mA,驅動頻率也很高,死區時間可由程序設置,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轉換;進行速度環、電流環運算;控制交流電機時,進行矢量變換,WG產生PWM驅動信號;完成過流、過壓等故障檢測及保護功能。
雙口通訊:雙單片機間的數據并行通訊采用雙口RAM IDT7130,這是一種高速1K×8bit雙口靜態RAM,帶片內總線仲裁電路,適用于雙機之間大量數據的快速雙向傳遞。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,就可以實現延時。IDT7130芯片內部的集成競爭邏輯基于訪問信號先到者優先的原則,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上拉電平狀態,即可繼續訪問雙口RAM。
1.3 光電隔離及驅動電路
IPM門極驅動隔離電路見圖3,它實現對80C196MC的6路PWM信號與IPM的光電隔離,并實現驅動和電平轉換功能。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電平轉換為IPM的門極驅動信號。
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2 系統軟件控制方案
本伺服控制系統的對象,可以是感應電動機、永磁同步電機和直流伺服電機。在控制不同的電機時,控制系統的硬件電路完全相同,不同的只是軟件結構。下面介紹系統控制不同電機時的軟件控制方案。
2.1 感應電機的軟件控制方案
感應電機的軟件控制方案見圖4。在1#單片機上實現位置環調節運算,在2#單片機上實現速度環、電流環調節及矢量變換運算。在位置環的軟件設計中,考慮到控制對象模型參數的變化和非線形等不確定因素,采用模糊神經元混合控制算法[2],使系統具有較高的穩態精度和快速的動態響應。速度調節器ASR、電流調節器LJ、JT均采用PID調節控制算法。
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在該系統中,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。設計中充分利用微處理器的硬件資源,使得系統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、速度環、電流環每0.5ms進行一次相應運算,得到控制信號送入波形發生器WG產生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軸順旋轉方向超前900電度角。在交流伺服恒轉矩運動控制時,可通過控制id=0使得驅動器的單位電流能提供最大的轉矩輸出。同步電動機的轉差角速度ωsl=0。其余部分與感應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,速度環的輸出可直接作為電流環的給定信號輸入,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,在同一硬件平臺上,通過改變軟件的運行方式和控制算法,成功地實現了對異步感應電機、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控制。經調試測定,系統在這三種運行方式下均有較好的動、靜態性能指標。
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參考文獻
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2 周 箴.基于模糊神經元混合控制的交流伺服控制系統.電工技術學報，1999；3
3 張 斌.具有多種電機控制模式的伺服驅動器的研究.電工電能新技術，1999；4
4 崔納新.感應電動機變頻調速矢量控制系統的研究.電機與控制學報，1999；3
5 孫函芳.INTEL16位單片機.北京:北京航空航天大學出版社，1995
6 夏超英.交直流傳動系統的自適應控制.北京:機械工業出版社，1998