基于80C19单片机伺服电机调速系统软硬件设计
第3章 调速系统方案确定
3.1无刷电机样机参数
系统中三相直流伺服电动机各参数为：额定功率PN?15W，额定电流IN?1.8A，
8，绕组电感额定电压UN?24V，额定转速nN?3000r/mi，n电机内阻R?3.30?L?0.051H，飞轮力矩GD2?5?10?5N?m2，电动势常数Ce?0.011V/rpm。
3.2主控单元
为满足系统实时性，快速响应性，且方便编程的要求，本系统选用了由Intel公司的80C196MC单片机作为系统的主控单元。
3.2.1 80C196MC单片机简介
8XC196MC单片机是美国著名的Intel公司推出的最新一代单片机。它在MCS-96基础上，结构和功能又有了重大突破，是196系列中功能最为卓著，最具典型意义的一种。Intel8XC196MC特别适合于电动机等高速控制领域，在美国工业界受到了普遍的欢迎和重视。由于它具有性能高，功能全，用户使用方便等特点，尤其是高速的处理能力和对交流电的特殊应用，因此它必将在我国的数字控制领域广泛采用，也将带来可观的经济效益和社会效益。同时，它是由CHMOS电路构成，功耗低，并具有省电的工作方式，所以也适于集成于各种电路中长期使用，可靠性极高[11][12]。其主要技术指标为：
（1）8?16MHz工作频率，16位数据位；
（2）6路互补型控制交流电机的SPWM波形（P6.0—P6.5）和两路用来控制直流电机的PWM波形（P6.6—P6.7）；
（3）工作电压：4.5?5.5VDC（数字部分），4?5.5VDC（模拟部分）；工作温度：
?40C?—85?C
3.2.2 80C196MC单片机的结构
80C196MC是专门为电机高速控制所设计的一款16位微控制器，它由一个C196核心、一个三相波形发生器WFG，算术、逻辑运算部分RALU，寄存器集，内部A/D转换器、事件处理阵列（EPA）、两个定时器和一个脉宽调制单元PWM等部分构成。如图3.1所示。
- 15 -
基于80C19单片机伺服电机调速系统软硬件设计
???????????????????????16K???????????
A/D???488???????ALU?????S/HCPU?????????????
MUX??????T2 CART???2???1?? 0/1??????2 PWM?? 26SPWM???????????? 6??/????????A/D??EPA??EXTINT????图3.1 80C196MC原理框图
80C196MC的寄存器集包括512个字节，分为两部分，即低256字节和高256字节。低256字节中的前24个字节为特殊功能寄存器SFR。RALU在运算过程中，不像其它单片机那样只使用一个累加器，而是把低256字节都当作累加器，从而避免了使用单个累加器而易产生的瓶颈效应；其高256字节用作寄存器RAM，80C196MC可利用其独特的窗口技术，将此256字节切换成具有累加器功能，因而编程容易，执行速度高。
80C196MC的特殊功能寄存器SFR除了有24个在寄存器集低端外，其余大部分都位于存储空间1F00H－1FFFH。这些特殊功能寄存器也可通过使用窗口技术将它们切换到寄存器区，以达到高速操作的要求。
80C196MC的晶振频率可达到16MHz，其执行速度很快，同时其内部带有13路8位/10位的高速A/D转换器及可柔性化变换的8位/16位总线结构，有利于实现系统控制响应的快速性。
3-Phase Complementary Waveform Generator波形发生器WFG是80C196MC独具的特点之一。这一外设装置大大简化了用于产生PWM波形的控制软件和外部硬件。WFG有三个同步的PWM模块，每个模块包含一个相位比较器，一个无信号时间发生器和一对可编程的输出。WFG可以产生独立的、互补的三对PWM波形，但它们有共同的载
- 16 -
基于80C19单片机伺服电机调速系统软硬件设计
波频率、无信号时间和操作方式。此六路SPWM信号可通过P6口直接输出，每个引脚的电流可达20mA。CPU可以通过改变其PWM信号的占空比来加以干预。通过设置SPWM信号发生器内的重装寄存器来设定频率，一旦该常数值确定，WFG将自动输出频率与此常数相对应的SPWM波直到重新装入新的常数为止。为防止同一桥臂上下两个功率MOSFET同时导通造成短路，WFG可通过编程设置逆变桥MOSFET工作时的死区互锁时间。在使用16MHz晶振时，死区时间可在0.125?S~125?S之间设定。
80C196MC还包括事件处理阵列EPA及外设处理服务功能PTS。其中EPA用于处理与输入输出有关的事件，相当于8098的高速输入输出口HSI和HSO，但其功能又比后者增强了许多，在输入线中，用于捕捉输入引脚上的边沿跳变信号；在输出方式中，用于比较定时/计数器与用户设定的常数。80C196MC具有四个一致的捕捉/比较模块和四个比较模块，可分别设置成不同的工作方式。
PTS是一种类似于DMA的处理方式，其用微指令码来代替中断服务程序，设置完毕就可自动执行，不需CPU干预，任何一种中断方式（非屏蔽中断NMI除外），均可以设置成PTS工作方式，主要包括数据块的传送、A/D转换、事件处理等。在闭环控制中，A/D转换器通常要占去几十微秒，因而不利于快速控制。若将A/D转换设置成PTS方式，则A/D转换将由PTS自动完成，节省了CPU大量时间，提高了系统的快速性[18]。
3.2.2 80C196MC单片机的特点
8XC196MC单片机的最为显著的特点就是具有一个波形发生器（WG），它能产生三对完美的脉宽调制信号，因此特别适合于对交流电动机的控制，也能控制直流伺服电动机以及完成直流到交流的转换。这一功能在工业控制领域具有广泛的应用前景。波形发生器（WG）的每个信号都可独立编程，具有很大的应用灵活性。另外，它还提供了两个脉宽调制单元（PWM），这两个脉宽调制器是独立于波形发生器之外的，输出周期和脉冲宽度可调的脉冲。每个通道的占空比是通过各自的8位周期寄存器编程的。在脉宽调制器内还有一个8位计数器，两个8位PWM比较寄存器。PWM的输出由波形发生器的输出控制寄存器控制。PWM信号经平滑滤波后，可变为模拟信号，实现高精度的8位D/A转换。8XC196MC单片机具有很强的A/D转换功能，它具有13个通道转换器，能够完成10位或8位的高速的A/D转换，采样保持时间和转换时间是可编程的。输入的模拟电压和模拟地、参考电压共同完成转化，结果还可以用于计算增益和零偏差。零偏差补偿电路也是可编程的，它能够实现偏移的自动调整。8XC196MC单片机的事件处理器阵列EPA具有4种捕捉/比较方式和4种只比较方式，它和TIMER1，TIMER2
- 17 -
基于80C19单片机伺服电机调速系统软硬件设计
定时器共同完成对高速的输入输出事件的自动管理。两个定时器能通过内部时钟发生器定时，定时器1还能用于外部信号源定时[11][12]。
3.3 系统的组成
以80C196MC为核心构成的调速系统的总体结构框图如图3.2所示，可以分为四个部分，即电机本体、位置传感器、主回路和控制回路。
I/OP0.4~P0.7P1.0~P1.3 ??PWMP6.0~P6.5IR2130????????????80C196MC????I/OP3.0~P3.7P4.0~P4.3???NMIA/D? P0.3????P0.0???????????????????P2.4~P2.6??????????图3.2直流无刷电动机系统总体框图
1．机组部分电机定子绕组三相双极星形连接，电机转子磁场为梯形波；在转轴上安装有霍尔转子位置传感器，在机座上安装有三个互差120?电角度的霍尔定子位置传感器，输出三个脉宽为180?电角度的位置信号，用作系统的位置及速度检测。
2．主回路部分主回路由三相全波整流器、充电限流电阻R、储能滤波电容C，MOSFET三相逆变器构成，为典型的交—直—交电压型变频器结构。其中的三相整流桥和MOSFET逆变桥都是模块形式，且都固定在同一片散热器上，简化了电路结构。
3．控制回路部分主要有电机专用单片机系列芯片80C196MC、检测电路、保护电路和驱动电路等组成。80C196MC是控制部分的核心，它参与整个系统的控制与管理，并用来完成速度、电流的双闭环全数字PI调节，三路位置信号的逻辑处理以及输出三相六路的SPWM波；监测电路完成系统的位置、速度、电流的检测处理，使系统有机地运行；保护电路完成系统的过压、欠压、过流、过热等各种故障信号自诊断保护功能，确保系统能安全可靠地工作；驱动电路采用MOSFET专用驱动模块，除完成光电隔离驱动外，其本身还具有MOSFET过流检测和过流软关断功能，能对每个主开关元件进行有效的过流保护。
- 18 -
基于80C19单片机伺服电机调速系统软硬件设计
第4章 基于单片机的调速系统硬件设计
传统的直流伺服电动机控制系统一般由模拟器件以硬接线方式构成。模拟控制系统价格便宜，使用方便，在很长一段时间里，它们是构成各类电机控制系统的主要手段。然而模拟元件的物理特性决定了它们具有一些本质上的缺陷，例如元件老化，特征参数受温度影响等，使它很难满足现代电子系统的设计要求。因此，数字控制系统应运而生。数字控制系统一般以可编程微处理器为硬件核心，通过控制软件来实现系统的功能。
4.1 供电电源设计
供电电路分别为单片机、运算放大器、功率驱动芯片和无刷电机提供电源。如图4.1所示
7805AC220V1GND
TRANS4AC12V1VinU2Vout3C4+5V103BRIDGE1C11C32GNDVinVout3C5+12V103U12200μF104AC24VL178122Q1NPNBRIDGE1C22200μFR12KZ124VC6+24V100μF图4.1供电电源电路
供电电路中，使用两组变压器、使主电路和控制电路分开供电，提高电路的可靠性。其中控制电路组经整流桥整流后，再用2200?F电容滤波，104pF电容过滤高频；然后使用两块稳压块。
稳压块的作用是将电压进行降压处理并稳定为某一固定的值后输出，如三端稳压块7805、7812可将小于35V的电压分别降成稳定的5V、12V。为了改善稳压器的瞬态响应须在输出端加接一只并联电容，其值约为0.1?F。稳压块比只使用一只稳压二极管进行稳压的电路要好得多，成本也不是很高，所以得到了广泛的应用。
7812输出?12V用于运算放大器、功率驱动器、高共模抑制比隔离运算放大器；另
- 19 -