【導(dǎo)讀】題目伺服電機(jī)控制系統(tǒng)。專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化。指導(dǎo)單位自動(dòng)化學(xué)院。日期：2020年3月至2020年6月

　　

【正文】 于它具有性能高，功能全，用戶使用方便等特點(diǎn)，尤其是高速的處理能力和對(duì)交流電的特殊應(yīng)用，因此它必將在我國(guó)的數(shù)字控制領(lǐng)域廣泛采用，也將帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。同時(shí)，它是由 CHMOS 電路構(gòu)成，功耗低，并具有省電的工作方式，所以也適于集成于各種電路中長(zhǎng)期使用，可靠性極高 [11][12]。其主要技術(shù)指標(biāo)為： （ 1） MHz168? 工作頻率， 16 位數(shù)據(jù)位； （ 2） 6 路互補(bǔ)型控制交流電機(jī)的 SPWM 波形（ — ）和兩路用來(lái) 控制直流電機(jī)的 PWM 波形（ — ）； （ 3）工作電壓： ? （數(shù)字部分）， ? （模擬部分）；工作溫度：C?40? — C?85 80C196MC 單片機(jī)的結(jié)構(gòu) 80C196MC 是專門為電機(jī)高速控制所設(shè)計(jì)的一款 16 位微控制器，它由一個(gè) C196 核心、一個(gè)三相波形發(fā)生器 WFG，算術(shù)、邏輯運(yùn)算部分 RALU，寄存器集，內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)換器、事件處理陣 列（ EPA）、兩個(gè)定時(shí)器和一個(gè)脈寬調(diào)制單元 PWM 等部分構(gòu)成。如圖 所示。 基于 80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 16 圖 80C196MC 原理框圖 80C196MC 的寄存器集包括 512 個(gè)字節(jié)，分為兩部分，即低 256 字節(jié)和高 256 字節(jié)。低 256 字節(jié)中的前 24 個(gè)字節(jié)為特殊功能寄存器 SFR。 RALU 在運(yùn)算過(guò)程中，不像其它單片機(jī)那樣只使用一個(gè)累加器，而是把低 256 字節(jié)都當(dāng)作累加器，從而避免了使用單個(gè)累加器而易產(chǎn)生的瓶頸效應(yīng)；其高 256 字節(jié)用作寄存器 RAM， 80C196MC 可利用其獨(dú)特的窗口技術(shù)， 將此 256 字節(jié)切換成具有累加器功能，因而編程容易，執(zhí)行速度高。 80C196MC 的特殊功能寄存器 SFR 除了有 24 個(gè)在寄存器集低端外，其余大部分都位于存儲(chǔ)空間 1F00H－ 1FFFH。這些特殊功能寄存器也可通過(guò)使用窗口技術(shù)將它們切換到寄存器區(qū)，以達(dá)到高速操作的要求。 80C196MC 的晶振頻率可達(dá)到 MHz16 ，其執(zhí)行速度很快，同時(shí)其內(nèi)部帶有 13 路 8位 /10 位的高速 A/D 轉(zhuǎn)換器及可柔性化變換的 8 位 /16 位總線結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制響應(yīng)的快速性。 3Phase Complementary Waveform Generator 波形發(fā)生器 WFG 是 80C196MC 獨(dú)具的特點(diǎn)之一。這一外設(shè)裝置大大簡(jiǎn)化了用于產(chǎn)生 PWM 波形的控制軟件和外部硬件。 WFG有三個(gè)同步的 PWM 模塊，每個(gè)模塊包含一個(gè)相位比較器，一個(gè)無(wú)信號(hào)時(shí)間發(fā)生器和一對(duì)可編程的輸出。 WFG 可以產(chǎn)生獨(dú)立的、互補(bǔ)的三對(duì) PWM 波形，但它們有共同的載A / D???S / HMU X?? 0 / 1488 ?????????????T 2 C A R T??? 2??? 1ALU???????????????????????16 K ????????????? 2 ?? 62 PWM6 SPWM?????A / D ?? EPA ?? ????E X TIN T???????? / ??????????????????????C P U?????????基于 80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 17 波頻率、無(wú)信號(hào)時(shí)間和操作方式。此六路 SPWM 信號(hào)可通過(guò) P6 口直接輸出，每個(gè)引腳的電流可達(dá) 20mA。 CPU 可以通過(guò)改變其 PWM 信號(hào)的占空比來(lái)加以干預(yù)。通過(guò)設(shè)置SPWM 信號(hào)發(fā)生器內(nèi)的重裝寄存器來(lái)設(shè) 定頻率，一旦該常數(shù)值確定， WFG 將自動(dòng)輸出頻率與此常數(shù)相對(duì)應(yīng)的 SPWM 波直到重新裝入新的常數(shù)為止。為防止同一橋臂上下兩個(gè)功率 MOSFET 同時(shí)導(dǎo)通造成短路， WFG 可通過(guò)編程設(shè)置逆變橋 MOSFET 工作時(shí)的死區(qū)互鎖時(shí)間。在使用 MHz16 晶振時(shí)，死區(qū)時(shí)間可在 SS ?? 125~ 之間設(shè)定。 80C196MC 還包括事件處理陣列 EPA 及外設(shè)處理服務(wù)功能 PTS。其中 EPA 用于處理與輸入輸出有關(guān)的事件，相當(dāng)于 8098 的高速輸入輸出口 HSI 和 HSO ，但其功能又比后者增強(qiáng)了許多，在輸入線中，用于捕捉輸入引腳上的邊沿跳變信號(hào)；在輸出方式中，用于比較定時(shí) /計(jì)數(shù)器與用戶設(shè)定的常數(shù)。 80C196MC 具有四個(gè)一致的捕捉 /比較模塊和四個(gè)比較模塊，可分別設(shè)置成不同的工作方式。 PTS 是一種類似于 DMA 的處理方式，其用微指令碼來(lái)代替中斷服務(wù)程序，設(shè)置完畢就可自動(dòng)執(zhí)行，不需 CPU 干預(yù)，任何一種中斷方式（非屏蔽中斷 NMI 除外），均可以設(shè)置成 PTS 工作方式，主要包括數(shù)據(jù)塊的傳送、 A/D 轉(zhuǎn)換、事件處理等。在閉環(huán)控制中， A/D 轉(zhuǎn)換器通常要占去幾十微秒，因而不利于快速控制。若將 A/D 轉(zhuǎn)換設(shè)置成 PTS方式，則 A/D 轉(zhuǎn)換將由 PTS 自動(dòng)完成，節(jié)省了 CPU 大量時(shí)間，提高了系統(tǒng)的快速性 [18]。 80C196MC 單片機(jī)的特點(diǎn) 8XC196MC 單片機(jī)的最為顯著的特點(diǎn)就是具有一個(gè)波形發(fā)生器（ WG），它能產(chǎn)生三對(duì)完美的脈寬調(diào)制信號(hào)，因此特別適合于對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的控制，也能控制直流伺服電動(dòng)機(jī)以及完成直流到交流的轉(zhuǎn)換。這一功能在工業(yè)控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。波形發(fā)生器（ WG）的每個(gè)信號(hào)都可獨(dú)立編程，具有很大的應(yīng)用靈活性。另外，它 還提供了兩個(gè)脈寬調(diào)制單元（ PWM），這兩個(gè)脈寬調(diào)制器是獨(dú)立于波形發(fā)生器之外的，輸出周期和脈沖寬度可調(diào)的脈沖。每個(gè)通道的占空比是通過(guò)各自的 8 位周期寄存器編程的。在脈寬調(diào)制器內(nèi)還有一個(gè) 8 位計(jì)數(shù)器，兩個(gè) 8 位 PWM 比較寄存器。 PWM 的輸出由波形發(fā)生器的輸出控制寄存器控制。 PWM 信號(hào)經(jīng)平滑濾波后，可變?yōu)槟M信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高精度的 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換。 8XC196MC 單片機(jī)具有很強(qiáng)的 A/D 轉(zhuǎn)換功能，它具有 13 個(gè)通道轉(zhuǎn)換器，能夠完成 10 位或 8 位的高速的 A/D 轉(zhuǎn)換，采樣保持時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間是可編程的。輸入的模擬電壓和模擬地、參考電壓共 同完成轉(zhuǎn)化，結(jié)果還可以用于計(jì)算增益和零偏差。零偏差補(bǔ)償電路也是可編程的，它能夠?qū)崿F(xiàn)偏移的自動(dòng)調(diào)整。 8XC196MC 單片機(jī)的事件處理器陣列 EPA 具有 4 種捕捉 /比較方式和 4 種只比較方式，它和 TIMER1， TIMER2基于 80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 18 定時(shí)器共同完成對(duì)高速的輸入輸出事件的自動(dòng)管理。兩個(gè)定時(shí)器能通過(guò)內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器定時(shí)，定時(shí)器 1 還能用于外部信號(hào)源定時(shí) [11][12]。 系統(tǒng)的組成 以 80C196MC 為核心構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示，可以分為四個(gè)部分，即電機(jī)本體、位置傳感器、主回路和控制回路。 圖 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)總體框圖 1．機(jī)組部分電機(jī)定子繞組三相雙極星形連接，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)為梯形波；在轉(zhuǎn)軸上安裝有霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器，在機(jī)座上安裝有三個(gè)互差 ?120 電角度的霍爾定子位置傳感器，輸出三個(gè)脈寬為 ?180 電角度的位置信號(hào)，用作系統(tǒng)的位置及速度檢測(cè)。 2．主回路部分主回路由三相全波整流器、充電限流電阻 R、儲(chǔ)能濾波電容 C，MOSFET 三相逆變器構(gòu)成，為典型的交 — 直 — 交電壓型變頻器結(jié)構(gòu)。其中的三相整流橋和 MOSFET 逆變橋都是模塊形式，且都固定在同一片散熱器上，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。 3．控制回路部分主要有電機(jī)專用單片機(jī)系列芯片 80C196MC、檢測(cè)電路、保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路等組成。 80C196MC 是控制部分的核心，它參與整個(gè)系統(tǒng)的控制與管理，并用來(lái)完成速度、電流的雙閉環(huán)全數(shù)字 PI 調(diào)節(jié)，三路位置信號(hào)的邏輯處理以及輸出三相六路的 SPWM 波；監(jiān)測(cè)電路完成系統(tǒng)的位置、速度、電流的檢測(cè)處理，使系統(tǒng)有機(jī)地運(yùn)行；保護(hù)電路完成系統(tǒng)的過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)熱等 各種故障信號(hào)自診斷保護(hù)功能，確保系統(tǒng)能安全可靠地工作；驅(qū)動(dòng)電路采用 MOSFET 專用驅(qū)動(dòng)模塊，除完成光電隔離驅(qū)動(dòng)外，其本身還具有 MOSFET 過(guò)流檢測(cè)和過(guò)流軟關(guān)斷功能，能對(duì)每個(gè)主開關(guān)元件進(jìn)行有效的過(guò)流保護(hù)。 80 C 196 MCIR 2130?????????????????????????????????? ?? PWMP 6 . 0 ~ P 6 . 5I / OP 0 . 4 ~ P 0 .7P 1 . 0 ~ P 1 .3I / OP 3 . 0 ~ P 3 . 7P 4 . 0 ~ P 4 . 3???N MI???P 2 . 4 ~ P 2 . 6????P 0 . 0????A / D ? P 0 . 3????基于 80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 19 第 4 章 基于單片機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)的直流伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)一般由模擬器件以硬接線方式構(gòu)成。模擬控制系統(tǒng)價(jià)格便宜，使用方便，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，它們是構(gòu)成各類電機(jī)控制系統(tǒng)的主要手段。然而模擬元件的物理特性決定了它們具有一些本質(zhì)上的缺陷，例如元件老化，特征參數(shù)受溫度影響等，使它很難滿足現(xiàn)代電子系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)要求。因此，數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字控制系統(tǒng)一般以可編程微處理器為硬件核心，通過(guò)控制軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。 供電電源設(shè)計(jì) 供電電路分別為單片機(jī)、運(yùn)算放大器、功率驅(qū)動(dòng)芯片和無(wú)刷電機(jī)提供電源。如圖 所示 圖 供電電源電路 供電電路中，使用兩組變壓器、使主電路和控制電路分開供電，提高電路的可靠性。其中控制電路組經(jīng)整流橋整流后，再用 F?2200 電容濾波， pF410 電容過(guò)濾高頻；然后使用兩塊 穩(wěn)壓塊。 穩(wěn)壓 塊的作用是將電壓進(jìn)行降壓處理并穩(wěn)定為某一固定的值后輸出，如三端穩(wěn)壓塊780 7812 可將小于 V35 的電壓分別降成穩(wěn)定的 V5 、 V12 。為了改善穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應(yīng)須在輸出端加接一只并聯(lián)電容，其值約為 F? 。穩(wěn)壓塊比只使用一只穩(wěn)壓二極管進(jìn)行穩(wěn)壓的電路要好得多，成本也不是很高，所以得到了廣泛的應(yīng)用。 7812 輸出 V12? 用于運(yùn)算放大器、功率驅(qū)動(dòng)器、高共模抑制比隔離運(yùn)算放大器；另B R I D G E 1V i n1GND2V o u t3U27 8 0 5C12 2 0 0 μ FC31 0 4V i n1GND2V o u t3U17 8 1 2C41 0 3A C 2 2 0 V 1T R A N S 4A C 1 2 VB R I D G E 1L1C22 2 0 0 μ FA C 2 4 V+ 5 V+ 1 2 VQ1N P N+ 2 4 VR12K Z12 4 VC51 0 3C61 0 0 μ F基于 80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 20 一塊輸出 V5? 用于單片機(jī)、光電隔離器、或門、 LED 驅(qū)動(dòng)、施密特觸發(fā)器等。 主電路組變壓器輸出經(jīng)濾波電容后再經(jīng)過(guò)平波電抗器，使輸出的直流電流更平滑，也可以有效抑制電路中的瞬時(shí)過(guò)流。由于主電流電流較大，不適合使用三端穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓。所以輸出使用由齊納穩(wěn)壓管和達(dá)林頓管構(gòu)成的簡(jiǎn)單串聯(lián)穩(wěn)壓電路，具有電路簡(jiǎn)單、輸出電流大、穩(wěn)壓效果好，特別是體積小等特點(diǎn) [17]。 達(dá)林頓管選用 MAXIUM( 美信 ) 公司的 2N6038，基 WPCM 40? ， AICM 4? ，VVCEO 60? ， 2500?FEH ，穩(wěn)壓管使用 IN6009，最大耗散功率為 ，穩(wěn)壓值為 V24 ，最大工作電流為 mA18 。 該電路穩(wěn)壓過(guò)程如下： 1．當(dāng)輸入電壓不變，而負(fù)載電壓變化時(shí)，其穩(wěn)壓過(guò)程如下： 2．當(dāng)負(fù)載不變，輸入電壓 U 增加時(shí) ，其穩(wěn)壓過(guò)程如下： 3．當(dāng) IU 增加時(shí)，輸出電壓 OU 有升高趨勢(shì)，由于三極管Ｔ基極電位被穩(wěn)壓管ＤＺ固定，故 OU 的增加將使三極管發(fā)射結(jié)上正向偏置電壓降低，基極電流減小，從而使三極管的集射極間的電阻增大， CEU 增加，于是，抵消了 OU 的增加，使 OU 基本保持不變。 變壓器功率計(jì)算：功率驅(qū)動(dòng)電路 W30~15 ； V5? 供電電路 WAV 515 ?? ； V12? 供電電路 WAV 12112 ?? ；電路損耗（約 5W） 總功率為 WWWW )52~37(5125)30~15( ???? 選 45W 雙輸出變壓器，共有兩路輸出，一路為 12V，另一路為 24V。 檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 位置檢測(cè) 樣機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖 (a)所示。 由于電機(jī)繞組為三相四極，電機(jī)內(nèi)部的霍爾元件數(shù)和永磁塊數(shù)均為三個(gè)，三個(gè)傳感元件在空間上互差 ?60 機(jī)械角度分布，且每個(gè)傳感元件與其對(duì)應(yīng)的相繞組軸線之間的機(jī)械夾角為 ?15 ，它們通過(guò)固定件固定在電機(jī)機(jī)座IUOUBEU BI Ic CBUO