片机技术在电气传动控制系统中的应用与研究

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1、单片机技术在电气传动控制系统中的应用与研究    摘　要：本文从单片机的技术应用角度出发，提出了一种用80C196系列单片机实现数字调速的系统控制方案，并在实际中验证了本方案的可行性，同时对80C196单片机的一些关键技术作了深入研究，以期开发出更高性能的单片机系统。关键词：80C196　单片机　RL196　PWM　C960　引　言　　单片机进入中国10余年以来，以其体积小、功能强、扩展灵活、使用方便等特点，逐渐应用到各行业的工程实际应用中。目前，大多数系统以51系列的8位单片机为首选，但是在一些比较复杂的、性能要求较高的系统中，它不得不让位于16

2、位单片机。本文采用的MCS－96系列的16位单片机特别适用于各类自动控制系统。如交直流调速机、工业过程控制系统、伺服系统等。本文以一直流伺服控制系统装置为例，介绍了系统的结构，改进了有关算法，实验证明，此系统可以良好地跟踪给定速度曲线，响应时间可控制在10－3s的数量级以内。1　硬件系统的构成1．1　电气主回路　　主电路结构图如图1所示，采用双极性的H桥构成，用大功率硅管整流桥将交流整流成直流，采用电压型稳压方式（并入大容量电容）提供主电源，用IPM中的IGBT构成H桥，采用PWM进行调速，其中富士通的IPM技术较为成熟，并具有多种保护功能。只需加

3、入一定的周边电路便可进行驱动。1．2　单片机系统　　本文采用MCS－96系列的80C196MC构成16位总线的单片机系统，与MCS－51系列相比，此类型的单片机至少在以下几方面提高了系统的实时性。　　（1）CPU中的算术逻辑单元不采用常规的累加器结构，改用寄存器－寄存器结构，CPU的操作直接面向256字节的寄存器，消除了CPU结构中存在的累加器瓶颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力。　　（2）256字节寄存器中，24字节是专用寄存器，其余232字节均为通用寄存器。其通用寄存器的数量远比一般CPU的寄存器数量多。这样可以为各中断服务程序中的局部变量指

4、定专门的寄存器，免除了中断服务过程中保护和恢复现场所支付的软件开销，并大大方便了程序设计。　　（3）80C196MC具有波形发生器（WG），不用外围元器件即可生成PWM波形，而波形发生器（WG）具有灵活的死区调节功能。这对实用PWM功率放大器很关键，它能防止双极H型主电路四个IGBT“共态穿通”。所谓“共态穿通”即桥臂中的一个IG－BT没有退出饱和而另一个IGBT已导通而形成电源短路的现象。　　（4）有一套效率更高、执行速度更快的指令系统，可采用20M赫兹的时钟，并新增加了EPA（事件处理器阵列），PTS（外设事务服务器），再加上其内带的10位A／

5、D转换器，从而可以快速完成电流和转速的转换过程，满足对系统动态响应时间的要求。　　其中，16位单片机的系统构成如下：由于伺服系统电流控制调节器采样周期短、计算量大，所以80C196MC系统采用16位系统总线以提高系统的吞吐能力。二片EPROM27C256地址分配为：2000H～7FFFH；二片RAM62256地址分配为：A000H～FFFFH；由于采用16位地址数据总线，二片存储器共用同一地址，具体联接如下：系统地址总线A0不用，A1与EPROM、RAM的A0连接，A2与A1连接，……依此类推，A15与A14连接。当CPU读存储器高位地址时，同时选

6、中高、低位的存储器，高8位、低8位的数据同时读入CPU，由CPU正确选择高8位的数据作为操作数，舍去低8位的数据；读低8位时情况也一样。RAM的片选信号由INST和A15通过与非门构成（RAM＝INST＋A15———），其中要注意的是INST在读程序存储器时为低电平，但要避开2000－2080的地址，因为在读取中断向量时，INST引脚为高电平。其系统原理框图如图2所示。2　软件系统　　采用C与ASM的混合编程模式，下面着重于其协同开发和算法的改进进行阐述。2．1　C程序与汇编程序的协同开发　　汇编语言的难点在于数据处理。由于汇编语言不直接支持单精度

7、的浮点运算，而现在单片机开发日趋复杂，在许多地方必须应用高精度的复杂算法。C96直接支持单精度的浮点运算，对于大多数场合已经够用，并且可以方便的通过算法扩展到双精度。算法的设计上已有大量的C程序可供选用，基本不用重新开发。在这些模块中应用C96可以尽快地解决问题。然而，完成同样的功能，C96程序经编译连接生成的代码比汇编生成的代码稍长。在需要实时响应的场合，开发者往往从执行速度的角度出发，把这些模块用汇编代码实现。其实，笔者认为凡是汇编实现的功能用C96都能实现，只是一个熟练程度的问题，而且据最新资料，新版的C96编译器的效率可以达到1．1。在单片

8、机项目中应用C96，更重要的是开发周期可以大大缩短，一般来说，一个资深的C96程序员，他只要花费汇编程序员的一半不到的时间