基于80C196KC的直流电机PWM调速控制器的设计与应用

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 收稿日期 :2001 - 10 - 30 作者简介 :吕平宝 (1973 —) ,男 ,山东青岛人 ,博士研究生 ,研究 方向为计算机优化控制与通信网络系统集成 ; 谢剑英 (1940 —) ,男 ,教授 ,博士生导师 ,控制工程与网络技术研究室 主任 ,研究方向为复杂工业过程优化控制、计算机控制以及网 络系统集成等。 文章编号 :1000 - 8829 (2002) 08 - 0030 - 03 基于 80C196KC 的直流电机 PWM 调速控制器的 与应用 De sign and Application of 80C196KC2Ba sed DC Motor PWM Speed Controller (上海交通大学 自动化研究所 ,上海 　200030) 　吕平宝 , 谢剑英 摘要 : 介绍一种采用 Intel 高性能 16 位单片机 80C196KC ,结合模拟的电机速度及电枢电流检测器件 设计的直流电机 PWM 调速控制器。经现场应用证 实 ,该系统结构简单 ,调速性能可靠 ,易于维护 ,易于改 变算法 ,性能价格比高。 关键词 :单片机 ;脉宽调制 (PWM) ;双闭环控制 中图分类号 :TM3 ;TP36 文献标识码 :B Abstract :A DC motor PWM speed regulation actuator based on 162bit super capability microcomputer 80C196KC is pre2 sented. The practical application shows that the system has a simple structure and reliable speed regulation capability. The control algorithm of this system is easy to change ,without changing the hardware. It also shows that the capability to price of this system is very high. Key words : microcomputer ; Pulse Width Modulation (PWM) ;dual closed loop control 　　近年来 ,随着全控式电力电子器件技术的发展 ,以 大功率晶体管作为开关器件的直流脉宽调制 ( PWM) 调速系统已成为直流调速系统的主要发展方向。随着 计算机尤其是单片机技术的发展 ,数字直流 PWM 调 速系统正以其控制简便 ,控制方案可灵活改变等优点 引起人们的重视。 本文 运 用 Intel 公 司 高 性 能 16 位 单 片 机 80C196KC ,结合模拟的电机速度及电枢电流检测器 件 ,成功研制了一套直流电机数模混合 PWM 调速控 制器。80C196KC 带有 A/ D 转换器、PWM 口及高速输 出 (HSO)口 ,还嵌入了许多“外设”,从而非常适合于直 流 PWM 调速控制 ,可成功解决以往用 MCS251 单片机 实现调速控制时软件开销较大、实时性不太令人满意 的问。本课题利用 80C196KC来设计直流电机 PWM 调速控制器 ,不仅简化了系统的结构 ,提高了系统的性 能价格比 ,而且经过工业实践证明 ,整个系统的精度、 快速性以及可靠性等指标都取得了满意的结果。 1 　系统组成及工作原理概述 为满足伺服系统高精度、响应快和跟踪平稳等要 求 ,本系统采用大功率晶体管直流脉宽调速系统 ,并采 用动、静态性能较好的转速、电流双闭环控制方案。整 个系统主要由 80C196KC 单片机 ,速度给定、速度反 馈、电流反馈预处理电路 ,PWM 波形分配电路 ,伺服驱 动电路 ,PWM 功放电路 ,测速发电机及霍尔电流传感 器等主要部分构成 ,其原理框图如图 1 所示。 系统的核心是 Intel 公司新型的 16 位高性能单片 机 80C196KC ,由它来完成系统的自检 ,控制命令的接 收与执行 ,速度回路与电流回路的调节算法 ,以及 PWM 信号的生成。由于 80C196KC本身带有 8 路 A/ D 转换器 ,使得 A/ D 转换非常方便 , 可以省去一个 A/ D 转换器。另外 80C196KC 带有 3 个 PWM 口 ,可方便地 产生 PWM 脉冲信号。如果要提高其分辨率可以选择 高速输出口 HS0. 0～HS0. 5 来产生 PWM 脉冲信号。 系统中的脉冲分配延时电路及驱动电路、PWM 功放电 路、电流检测及速度检测电路仍采用模拟电路。这样 结合了模拟和数字的优点 ,使整个调速系统既具有速 度快 ,稳定性好的优点 ,又可提高调速精度等动、静态 指标 ,并且可利用单片机的特点 ,使整个控制器体积 小、灵活、价格低 ,并且可提高系统的可维护性与可调 试性。 图 1 中电机电枢电流通过霍尔电流传感器检测 , 经过电流反馈预处理电路后 ,送入单片机 A/ D 转换口 ·03· 《测控技术》2002 年第 21 卷第 8 期 北京瑞赛科技有限公司科技发展部 　CompactPCI测试平台 　电话 :010 - 65682811 ,6568629128417 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 1 　双闭环控制的数模混合直流 PWM调速系统原理框图 ACH2 ;电机速度通过测速发电机检测后 ,经过速度反 馈预处理电路送入单片机 A/ D 转换口 ACH1 ;电机速 度给定由 PLC 给出 ,经过速度给定预处理电路处理后 送入单片机 A/ D 转换口 ACH0。虚线框内部分为单片 机 80C196KC 软件实现部分。单片机负责巡回检测 ACH0、ACH1、ACH2 口的数据 ,计算速度给定 Un 3 与速 度反馈 Un 的偏差电压ΔUn = Un 3 - Un 作为数字速度 调节器的输入 ,经过运算处理后得到电流给定 Ui 3 。 Ui 3 再与电流反馈 Ui 作偏差运算后得ΔUi = Ui 3 - Ui ,ΔUi 作为数字电流调节器的输入 ,经过运算处理 后 ,得到控制电压 Uct 。Uct经过处理后 ,装入 PWM 控 制寄存器 ,通过它自动形成 PWM 信号。PWM 信号经 分配延时后 ,形成两路控制信号 ,经过光隔驱动电路隔 离放大 ,分别驱动 PWM 功放电路中两组大功率晶体 管 ,产生有规律的矩形双极性电压 ,加在直流电机电枢 上 ,通过调节 PWM 脉冲宽度 ,便可达到调压的目的。 2 　系统硬件设计 2. 1 　脉宽调制 (PWM)功放输出主电路 系统的脉宽调制功放输出主电路采用可逆双极性 H型 PWM 开关放大电路 ,如图 2 所示。图中 4 个电力 晶体管采用达林顿复合管构成的带保护、加速功能的 电力晶体管模块。为了简便起见 ,采用 VT1、VT2、 VT3、VT4 表示。4 个电力晶体管基极驱动电路分为两 组 ,VT1、VT4 为一组电路 ,其驱动电压 Ub1 = Ub4 ,由控 制板上的 PUSH + 经驱动电路后反相得到 ;VT2 和 VT3 为另一组电路 ,其驱动电压 Ub2 = Ub3 = - Ub1 ,由控制 板上的 PUSH - 经驱动电路反相得到。同一组的两个 晶体管同时导通或关断 ,而两组之间则相互交替导通 或关断 ,且有延时 ,以防止两组同时导通 ,造成短路。 以“1”表示高电平 ,“0”表示低电平。则当 PUSH + = 0 , PUSH - = 1 时 , Ub1 = Ub4 = 1 , Ub2 = Ub3 = 0 ,VT1 和 VT4 导通 ,VT2 和 VT3 关断 ,加在电机电枢上的电压为 + Us ;而当 PUSH + = 1 , PUSH - = 0 时 , Ub1 = Ub4 = 0 , Ub2 = Ub3 = 1 , VT1 和 VT4 关断 ,VT2 和 VT3 导 通 ,加在电机电枢上的电压为 - Us 。PUSH + 和 PUSH - 都是周 期性的脉冲信号 ,改变其占空比 即可调节电机电枢两端输出平均 电压 UAB 的大小和极性 ,从而实 现电机的调速。 2. 2 　直流 PWM 调速控制器的硬 件设计 基于 80C196KC的直流 PWM 调速系统的主控电路的结构框图如图 3 所示。 图 2 　脉宽调制 (PWM)功放输出主电路原理图 　　如图 3 所示 ,系统硬件主要由主控电路及附属电 路组成。其中主控电路的核心是 80C196KC 单片机以 及 16 位的存储器系统。80C196KC 负责完成系统的自 检、控制命令的接收与执行、速度回路与电流回路的调 节算法 ,以及 PWM 信号的生成。本系统采用完全 16 位的存储方式 ,指令的读取和数据的读写都是采用 16 位的总线方式进行的 ,从而大大加快了处理速度。附 属电路包括速度给定、速度反馈、电流反馈预处理电 路 ,极性鉴别电路 ,PWM 脉冲分配延时电路 ,光隔基极 驱动电路 ,外部中断输入电路 ,电源监控电路以及状态 指示灯等。预处理电路负责将双极性的速度给定 ,速 度反馈和电流反馈转变为单片机所能接受的 0～5 V 范围内的单极性信号 ,主要由精密整流放大电路构成。 而极性鉴别电路负责鉴别信号的正负 (极性) ,主要由 比较器构成。PWM 脉冲分配延时电路则负责将单片 机生成的 PWM 信号生成两路逻辑反向并有时延的控 制信号 ,然后再通过光隔基极驱动电路形成两组逻辑 反向的驱动信号 Ub1、Ub4和 Ub2、Ub3 ,以驱动两组大功 率晶体管。热继电器负责监控大功率晶体管的温度 , 一旦温度过高 ,立即向单片机发出中断请求。MAX704 负责监控系统的两组工作电源 ( + 15 V 和 + 5 V) ,在 电源低于一定范围时复位单片机 ,该芯片电路还可完 成手动复位。 ·13·基于 80C196KC的直流电机 PWM 调速控制器的设计与应用 北京本原同济科技发展有限公司 　环保、交通、楼宇、实验室系统集成 　Tel :010 - 68940268 　http : ∥www. bytech. com. cn © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 3 　基于 80C196KC的直流 PWM调速控制器的硬件组成框图 图 4 　主程序框图 图 5 　中断服务程序框图 3 　系统软件设计 本系统的控制软件采用模块化结构设计 ,各个功 能子块独立 ,调节方便 ,并且容易根据需要扩展。整个 软件在结构上分为主程序和中断服务程序。主程序完 成转速给定、转速反馈和电流反馈的 A/ D 转换 ,速度 调节和电流调节算法的执行以及 PWM 波形的生成。 如图 4 所示。 中断服务程序如 图 5 所示。该中断服 务程序主要是使电机 停转 ,并使系统处于 待机状态。主程序中 的速度调节和电流调 节子程序可以方便地 采用各种高级控制算 法 ,而不需要更改硬 件。笔者在实际应用 中所采用的速度调节 和电流调节算法为基 本的离散 PID 算法。 通过查阅文献 ,计算 和实验相结合 ,确定 电流环的 PID 参数为 Kpi≈1. 06 , Kii≈0. 17 , Kdi≈1. 59 ,速度环的 PID 参数为 Kpn≈3. 5 , Kin≈0. 45 , Kdn≈19. 8 , 在此组参数下 ,系统表现出良好的性能。 4 　结束语 采用单片机 80C196KC 来完成直流电机 PWM 调 速控制器的设计 ,不仅简化了系统的结构 ,提高了系统 的性能价格比 ,而且经过工业实践证明 ,整个系统的精 度、快速性以及可靠性等动态、静态指标都取得了令人 满意的结果。 参考文献 : [1 ] 　杨公源. 微机在机电一体化传动系统中的应用 [ M] . 北京 :电子工 业出版社 ,1994. [2 ] 　孙涵芳. Intel 16 位单片机 [ M] . 北京 :北京航空航天大学出版社 , 1998. [3 ] 　陈伯时. 电力拖动自动控制系统 [ M] . 北京 :机械工业出版社 , 1991. [4 ] 　王波. 用微型机控制直流电机可逆调速系统 [ M] . 上海 :上海科技 出版社 ,1989. [5 ] 　李先祥等. 智能控制器在稀土永磁无刷直流方波电机调速系统中 的应用[J ] . 电气自动化 ,1997 , (2) . □ (上接第 29 页) 取得了较好的经济效益 ,也为全厂组建以分布式 PLC 网络为基础的低成本 CIMS 奠定了基础。 参考文献 : [1 ] 　邱公伟. 可编程控制器网络通信及应用 [ M] . 北京 :清华大学出版 社 ,2000. [2 ] 　王玉芬 ,贾爱民. Rockwell A2B 可编程序控制器系统的网络和通信 [ Z] . 浙江大学 ,Rockwell A2B PLC系列介绍. 1999. [3 ] 　Allen2Bradley Company. 1771 DeviceNet Scanner User Manual[ Z] . Allen2 Bradley Company ,Inc. ,1997. □ ·23· 《测控技术》2002 年第 21 卷第 8 期 北京瑞赛科技有限公司科技发展部 　多通道加载系统 　电话 :010 - 65682811 ,6568629128417