單片機(jī)技術(shù)在電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用

2017-04-11 10:53:40 大云網(wǎng)　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

核心提示：　　單片機(jī)進(jìn)入中國(guó)十余年以來(lái)，以其體積小、功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、使用方便等特點(diǎn)，逐漸應(yīng)用到各行業(yè)的工程實(shí)際應(yīng)用中。目前，大多數(shù)系統(tǒng)以51系列的8位單片機(jī)為首選，但在一些較復(fù)雜且性能要求較高的系統(tǒng)

　　單片機(jī)進(jìn)入中國(guó)十余年以來(lái)，以其體積小、功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、使用方便等特點(diǎn)，逐漸應(yīng)用到各行業(yè)的工程實(shí)際應(yīng)用中。目前，大多數(shù)系統(tǒng)以51系列的8位單片機(jī)為首選，但在一些較復(fù)雜且性能要求較高的系統(tǒng)中，則必須讓位于16位單片機(jī)。MCS- 96系列的16位單片機(jī)特別適用于各類(lèi)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如交直流調(diào)速機(jī)、工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等。現(xiàn)以一直流伺服控制系統(tǒng)裝置為例，介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了有關(guān)算法。，采用雙極性的H橋構(gòu)成，用大功率桂管整流橋?qū)⒔涣髡鞒芍绷鳎捎秒妷悍€(wěn)壓方式（并入大容量電容）提供主電源，用IPM中的IGBT構(gòu)成H橋，采用PWM進(jìn)行調(diào)速，其中富士通的IPM技術(shù)較為成熟，并具有多種保護(hù)功能，只需加人一定的周邊電路便可進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

　　主電路原理框。2單片機(jī)系統(tǒng)位總線(xiàn)的單片機(jī)系統(tǒng)，與MCS-51系列相比，此類(lèi)型的單片機(jī)提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，主要表現(xiàn)在：CPU中的算術(shù)邏輯單元不采用常規(guī)的累加器結(jié)構(gòu)，改用寄存器-寄存器結(jié)構(gòu)，CPU的操作直接面向256字節(jié)的寄存器，消除了CPU結(jié)構(gòu)中存在的累加器瓶頸效應(yīng)，提高了操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力；256字節(jié)寄存器中，24字節(jié)是專(zhuān)用寄存器，其余232字節(jié)均為通用寄存器。其通用寄存器的數(shù)量遠(yuǎn)比一般CPU的寄存器數(shù)量多，這樣可以為各中斷服務(wù)程序中的局部變量指定專(zhuān)門(mén)的寄存器，免除了中斷服務(wù)過(guò)程中保護(hù)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)所支付的軟件開(kāi)銷(xiāo)，并大大方便了程序設(shè)計(jì)；③形發(fā)生器（WG），不用外ft元器件即可生成PWM波形，而波形發(fā)生器（WG）具有靈活的死區(qū)調(diào)節(jié)功能。這對(duì)實(shí)用PWM功率放大器很關(guān)鍵，它能防止雙極H型主電路4個(gè)IGBT*共態(tài)穿通“。所謂”共態(tài)穿通“即橋臂中的一個(gè)IGBT沒(méi)有退出飽和而另一個(gè)IGBT已導(dǎo)通而形成電源短路的現(xiàn)象；④有一套效率更高、執(zhí)行速度更快的指令系統(tǒng)，可采用20MHz的時(shí)鐘，并新增加了EPA（事件處理器陣列）、PTS（外設(shè)事務(wù)服務(wù)器），再加上其內(nèi)帶的10位A/D轉(zhuǎn)換器，從而可以快速完成電流和轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換過(guò)程，滿(mǎn)足對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的要求。

　　由于伺服系統(tǒng)電流控制調(diào)節(jié)器采樣周期短、計(jì)算量大，因此80C196MC系統(tǒng)采用16位系統(tǒng)總線(xiàn)以提高系統(tǒng)的吞吐能力。二片EPROM 27C256地址分配為：2000H~7FFFH；二片RAM62256地址分配為：A000H~FFFFH.由于采用16位地址數(shù)據(jù)總線(xiàn)，二片存儲(chǔ)器共用同一地址，具體聯(lián)接如下：系統(tǒng)地址總線(xiàn)A.不用，A，與EPROM、RAM的A.連接，A2與A，連接，……依此類(lèi)推，A15與A14連接。當(dāng)CPU讀存儲(chǔ)器高位地址時(shí)，同時(shí)選中高、低位的存儲(chǔ)器，高8位、低8位的數(shù)據(jù)同時(shí)讀人CPU，由CPU正確選擇高8位的數(shù)據(jù)作為操作數(shù)，舍去低I位的數(shù)據(jù)，讀低8位時(shí)情況也相同。RAM的片選信號(hào)由INST和八15通過(guò)與非門(mén)構(gòu)成（1河=0' +人|5），其中要注意的是INST在讀程序存儲(chǔ)器時(shí)為低電平，但要避開(kāi)2000-2080的地址，因?yàn)樵谧x取中斷向量時(shí)，INST引腳為高電平。其系統(tǒng)原理框圖如所示。

　　單片機(jī)系統(tǒng)原理軟件系統(tǒng)3.1C程序與匯編程序的協(xié)同開(kāi)發(fā)匯編語(yǔ)言的難點(diǎn)在于數(shù)據(jù)處理。由于匯編語(yǔ)言不直接支持單精度的浮點(diǎn)運(yùn)算，而目前單片機(jī)開(kāi)發(fā)日趨復(fù)雜，在許多地方必須應(yīng)用高精度的復(fù)雜算法。C96直接支持單精度的浮點(diǎn)運(yùn)算，對(duì)于大多數(shù)場(chǎng)合已經(jīng)夠用，并且可以方便地通過(guò)算法擴(kuò)展到雙精度。算法的設(shè)計(jì)上已有大量的C程序可供選用，基本不用重新開(kāi)發(fā)。在這些模塊應(yīng)用C96可以盡快解決問(wèn)題，而要完成同樣功能，C96程序經(jīng)編譯連接生成的代碼比匯編生成的代碼稍長(zhǎng)。在需要實(shí)時(shí)響應(yīng)的場(chǎng)合，開(kāi)發(fā)者往往從執(zhí)行速度的角度出發(fā)，將這些模塊用匯編代碼實(shí)現(xiàn)。據(jù)最新資料，新版的C96編譯器的效率可以達(dá)到1.1.在單片機(jī)項(xiàng)目中輸入輸出驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路復(fù)位電路應(yīng)用C96，更重要的是開(kāi)發(fā)周期可以大大縮短。一般地，一個(gè)資深程序員只要花費(fèi)匯編程序員一半不到的時(shí)間即可完成開(kāi)發(fā)任務(wù)，而兩者的執(zhí)行速度相程序?qū)⑹鞘掳牍Ρ丁?/div>

　　例如：顯然，C96寫(xiě)出來(lái)的程序具有良好的可讀性，并方便日后的修改和維護(hù)，而匯編大多數(shù)則要靠注釋來(lái)解讀，而且個(gè)人注釋風(fēng)格不同，會(huì)帶來(lái)調(diào)試工作和日后軟件升級(jí)的困難，加長(zhǎng)了開(kāi)發(fā)時(shí)間和人力投入。開(kāi)發(fā)單片機(jī)的項(xiàng)目時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到關(guān)于匯編模塊和C模塊相互調(diào)用的問(wèn)題。

　　（1）如果不涉及參數(shù)傳遞，則可采用在程序中嵌人ASMf……偽指令實(shí)現(xiàn)（適用于C96和C51），以C96的實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明：（2）當(dāng)涉及參數(shù)傳遞時(shí)，以C語(yǔ)言作主程序?yàn)槔f(shuō)明一個(gè)相互調(diào)用的實(shí)例。（只適用于C51）主程序：但在AFUNC.A51文件中則需按照C51與匯編語(yǔ)言的接口規(guī)則進(jìn)行書(shū)寫(xiě)，完成相應(yīng)的功能。

　　NAMEA.FUNC；聲明函數(shù)名稱(chēng)；聲明外部函數(shù)代碼段名PUBLICA―FUNC；外部公共符號(hào)；可覆蓋局部數(shù)據(jù)段X00：DS2；定義傳遞參數(shù)字節(jié)……：程序代碼體END；AFUNC函數(shù)結(jié)束因此，可以很方便地在程序代碼體處加人所期望的匯編程序。

　　最后，全部程序編譯鏈接通后，應(yīng)仔細(xì)看生成的M96或M51文件，有無(wú)溢出或沖突的情況，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)與程序存儲(chǔ)區(qū)是否定位恰當(dāng)。對(duì)于C196來(lái)說(shuō)，C96程序的代碼段、參數(shù)段可以設(shè)成是浮動(dòng)定位還是絕對(duì)定位的，當(dāng)C96代碼段、參數(shù)段與匯編程序沖突時(shí)，應(yīng)用RL196的一譯控制選項(xiàng)ram（……），rom（……），romcode（……），romdata（……）來(lái)精確定位代碼數(shù)據(jù)段解決沖突。

　　例如：以上定義了模塊MOD2的代碼和常量數(shù)據(jù)，MOD3 -FFFFH）中，MODI的常量數(shù)據(jù)放在（4000- 5FFFH）的ROM中。STACK堆棧段的值應(yīng)根據(jù)最后的M96文件顯示的總共占用的內(nèi)存RAM，設(shè)為最大可用的堆棧段（用STACKSEE控制項(xiàng)），C96的子程序調(diào)用最好不要超過(guò)三級(jí)，以免堆棧溢出。實(shí)踐證明，這些C96程序與匯編語(yǔ)言做到了真正意義上（WGJ的電平，輸出PWM波形。當(dāng)WG-COUNT復(fù)位為1時(shí)，引發(fā)一次WG中斷，CPU響應(yīng)WG中斷時(shí)，根據(jù)電流環(huán)算得出新的WG-COMP，的值，改寫(xiě)WG-COMPx的值，改變輸出波形的占空比，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。④WG-CON：控制、死區(qū)時(shí)間寄存器，決定WG的工作方式和死區(qū)時(shí)間。

　　上述V型PWM電路中的一個(gè)橋臂，當(dāng)其中一個(gè)IGBT沒(méi)有退出飽和時(shí)，另一個(gè)IGBT又開(kāi)始導(dǎo)通，會(huì)造成電源直接短路的“共態(tài)導(dǎo)通”現(xiàn)象，這是絕對(duì)不能出現(xiàn)的故障。要避免這一現(xiàn)象的發(fā)生就的“無(wú)縫鏈接”。

　　3.2算法的改進(jìn)3.2.1波形發(fā)生器工作原理波形工作器WG是80C196MC單片機(jī)最具特色的外設(shè)，在PWM伺服系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用。80C196MC的WG可產(chǎn)生三相（三路）正弦PWM（SPWM）波形用于三相交流同步電機(jī)的變頻調(diào)速，這種情況的WG工作方式稱(chēng)為中心對(duì)準(zhǔn)方式；也可產(chǎn)生斬波調(diào)壓的PWM用于直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速，稱(chēng)是設(shè)置合適的死區(qū)時(shí)間，即當(dāng)一個(gè)IGBT關(guān)斷后，經(jīng)歷一個(gè)死區(qū)時(shí)間，另一個(gè)IGBT接著導(dǎo)通，這樣就可以避免“共態(tài)導(dǎo)通”現(xiàn)象出現(xiàn)。

　　3.2.2算法改進(jìn)思路實(shí)際上，在轉(zhuǎn)速和電流環(huán)的計(jì)算中并不是全部計(jì)算都需要用到浮點(diǎn)運(yùn)算的方式，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，只考慮轉(zhuǎn)速環(huán)（電流環(huán)當(dāng)成一比例環(huán)節(jié)）。

　　由于采用的是轉(zhuǎn)速編碼器采樣轉(zhuǎn)速信號(hào)，而80C196MC系列的單片機(jī)用相移計(jì)數(shù)器的方式即可為邊沿對(duì)準(zhǔn)方式。

　　工作于邊沿對(duì)準(zhǔn)方式，如所示為不考慮死區(qū)時(shí)間影響的工作波形。其相關(guān)的寄存器意義為：①WG-RELOAD：重裝載寄存器，決定載波周期；②1，2，3）：相位比較寄存器，決定波形占空比；③WG-COUNT：雙向計(jì)數(shù)器，為WG的時(shí)基（邊沿對(duì)準(zhǔn)時(shí)，只向上計(jì)數(shù)）JG-COUNT的值一直與WG―RELOAD的值比較，當(dāng)位到1，又重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。同時(shí)WG一COUNT的值也一直與WG*COMP，獲得時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速值，而這個(gè)值一定是整數(shù)，因此轉(zhuǎn)速的跟蹤精度實(shí)際上取決于轉(zhuǎn)速編碼器的精度。當(dāng)r時(shí)間取一較小的時(shí)間間隔，完全可以用時(shí)間r內(nèi)獲得的脈沖數(shù)PL作為轉(zhuǎn)速值，實(shí)際上此時(shí)的轉(zhuǎn)速為：PL/r，以時(shí)間r作為速度環(huán)控制回路采樣周期。當(dāng)給定速度同樣在整數(shù)值給出時(shí)，如所示，由于輸出PWM周期一定（WG*RELOAD取的值比較，當(dāng)WGCQUNT的值等于WG+COMPx的值時(shí)改變輸出引腳不考慮死區(qū)時(shí)間的邊沿對(duì)準(zhǔn)方式的工作波形轉(zhuǎn)速環(huán)原理框圖為100以），輸出比較寄存器1―（：01\51也只能在整數(shù)范圍變化，PI控制器的輸人為整數(shù)SP-GIV-EN*SP*N0W，輸出同樣為整數(shù)，所以只需調(diào)整PI的參數(shù)就可達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)的控制。

　　不難證明給定轉(zhuǎn)速如果換算成在71時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)不是整數(shù)的話(huà)，其控制作用同整數(shù)值的效果是一樣的。但是PI參數(shù)經(jīng)常以浮點(diǎn)數(shù)的方式出現(xiàn)，在調(diào)試過(guò)程中先用浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算定下P、I參數(shù)的值后，再利用C96的賦值運(yùn)算符賦予一整型變量，這樣既充分利用了C96的浮點(diǎn)運(yùn)算庫(kù)，又精筒了代碼，提高了運(yùn)算速度。對(duì)于電流環(huán)同樣可以依照以上方系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖法確定電流環(huán)的P、I參數(shù)并進(jìn)行電流控制。

　　3.2.3程序框圖和。

　　4系統(tǒng)頭文件的應(yīng)用多個(gè)型號(hào)的芯片，80年代中期，INTEL公司將8051內(nèi)核使用權(quán)以專(zhuān)利互換或出售的形式轉(zhuǎn)給世界上眾多者名1C制造廠商，如Philips、Simens、Atmel、Lg等，這些廠商在自身‘技術(shù)基礎(chǔ)上又發(fā)展出各具特色的51系列單片機(jī)。開(kāi)發(fā)者必須會(huì)定制所用單片機(jī)的系統(tǒng)頭文件，以充分發(fā)揮各種單片機(jī)的功能。系統(tǒng)頭文件（……h）實(shí)際上定義的是各端n、各功能寄存器對(duì)應(yīng)的物理地址。對(duì)于51系列單片機(jī)，當(dāng)單片機(jī)的型號(hào)改變時(shí)，只需轉(zhuǎn)換相應(yīng)的頭文件，即可實(shí)現(xiàn)CM程序的移植性，同樣對(duì)于96系列的單片機(jī)，分成隊(duì)、0、！《（、1、肘11、10'、呢、財(cái)?shù)刃吞?hào)，不同的型號(hào)對(duì)應(yīng)不同的功能。對(duì)應(yīng)不同的96芯片，需要包含不同的頭文件，以期可以達(dá)到快速開(kāi)發(fā)的目的，并可方便以后的移植和再開(kāi)發(fā)。

　　通過(guò)將C96程序與頭文件分離，也正是C96程序移植性的魅力所在。這些頭文件也可由開(kāi)發(fā)廠提供，也可以自己動(dòng)手定制。對(duì)于96MC系列的單片機(jī)主要包含以下兩個(gè)頭文丨牛：，mc-sfrs.h（包含各功能寄存器、端口的定義）；me一flmc.h（包含各特殊功能函數(shù)的定義和有并特殊結(jié)構(gòu)的定義，例如PTS中斷向量的結(jié)構(gòu)定義）。

　　5結(jié)論本文以80C196單片機(jī)構(gòu)成一直流伺服控制系統(tǒng)為例，介紹了其硬件結(jié)構(gòu)和軟件編程方法，重點(diǎn)討論了C96程序與匯編程序的協(xié)同開(kāi)發(fā)，以及對(duì)算法的一些改進(jìn)。物理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)表明，此系統(tǒng)具有良好的調(diào)速特性。

責(zé)任編輯：電小二

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