80C196KC在永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

1． 引言：
    無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)就是一臺(tái)用電子換相裝置取代機(jī)械換相的直流電動(dòng)機(jī)，用由固態(tài)逆變器和轉(zhuǎn)子位置傳感器組成的電子換向器取代機(jī)械換向器和電刷。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱BLDCM)它由永磁電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器、逆變驅(qū)動(dòng)控制電路組成，一般由直流電源供電。直流電源通過(guò)控制器向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置由位置傳感器發(fā)出信號(hào)去觸發(fā)控制器中相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)元件，使之導(dǎo)通或截止，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂破鞯男阅苁菦Q定BLDCM性能的重要因數(shù)。由于微型計(jì)算機(jī)（含單片機(jī)）在控制器中的應(yīng)用，使無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的性能有了很大提高。

2．80C196KC：
    近十余年來(lái)，隨著微電子工藝水平的提高，單片微處理器件性能也有了較大地飛躍，其是各類(lèi)控制系統(tǒng)的核心部件。目前應(yīng)用較多的是Intel、Philips、Siemens等公司推出的MCS-96系列16位單片機(jī)，相比以往的MCS-51系列8位單片機(jī)，其CPU中的算術(shù)邏輯單元采用寄存器—寄存器結(jié)構(gòu)，操作直接面向寄存器，有效地克服了MCS-51系列單片機(jī)中存在的累加器瓶頸效應(yīng)，提高了操作速度和數(shù)掘的吞吐能力；高效、精簡(jiǎn)的指令系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；片內(nèi)集成豐富的外設(shè)單元，極大地方便了與外部設(shè)備的接口，使得其特別適用于各類(lèi)自動(dòng)控制系統(tǒng)。
    80C196KC是MCS-96系列16位單片機(jī)中的一個(gè)重要分支，它具有如下特征：
    (1) 內(nèi)部RAM共有512個(gè)字節(jié)，通用寄存器陣列占488個(gè)字節(jié)，專(zhuān)用寄存器陣列占24個(gè)字節(jié)；
    (2) 寄存器至寄存器結(jié)構(gòu)；      
    (3)  運(yùn)算快速，振蕩頻率最高可達(dá)16MHz，指令的運(yùn)行速度更快，16位乘法只需1．75μs，32位除法只需3．0μs；
    (4)  五個(gè)八位I／O口；
    (5)  全雙工串行口；
    (6)  高速I(mǎi)／O子系統(tǒng)；
    (7)  4個(gè)16位的軟件定時(shí)器；
    (8)  內(nèi)部有8路A／D轉(zhuǎn)換器，具有采樣／保持功能，可以選擇10位／8位轉(zhuǎn)換，還可控制A／D轉(zhuǎn)換的時(shí)間；
    (9) 增設(shè)外設(shè)事物服務(wù)器PTS(Peripherial Transaction Server)，以很小的CPU的開(kāi)銷(xiāo)為I／O功能部件服務(wù)。

3．控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：
    控制系統(tǒng)以一片80C196KC單片機(jī)為核心構(gòu)成，利用其內(nèi)部集成的A／D、定時(shí)、計(jì)數(shù)器、高速輸入、輸出等各種功能，簡(jiǎn)化了控制電路板的設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。分為以下8個(gè)部分：控制芯片及其外部存儲(chǔ)電路、看門(mén)狗及E2PROM電路、電流電壓A／D采樣電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路、主電路和與之相關(guān)的吸收電路與自鎖保護(hù)電路、開(kāi)關(guān)元件驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出放大電路、與CAN總線通訊電路、供電電源及負(fù)載發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電路。

圖1    控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    80C196KC在控制系統(tǒng)的主要功能是：
    （1）80C196KC的P0.0接收電機(jī)轉(zhuǎn)向信號(hào)，通過(guò)并行口8255接收位置信號(hào)和通過(guò)AD574檢測(cè)換流電容C3的電壓值uc3，(雙極性電壓)，從而控制逆變器換流順序和時(shí)間；                                                                        
    (2)  通過(guò)80C196KC的高速輸入口HSL0接收位置信號(hào)最低位Xl脈沖信號(hào)，計(jì)算轉(zhuǎn)速。
    本系統(tǒng)將AD574的STATUS引腳接80C196KC的高速輸入口HSI．1引腳，產(chǎn)生HSI中斷來(lái)讀取電容C3上電壓值uc3。還利用80C196KC在訪問(wèn)慢速存儲(chǔ)器時(shí)可擴(kuò)展 有效信號(hào)脈寬的功能，將 信號(hào)延長(zhǎng)1個(gè)狀態(tài)周期后，在16M晶振高速CPU系統(tǒng)中AD574就可以正常工作了。
    80C196KC利用CAN總路與PC機(jī)（主機(jī)）及電機(jī)的驅(qū)動(dòng)單元來(lái)通信。80C196KC在PC機(jī)命令下可接收PC機(jī)發(fā)出的以下命令：
    (1)  轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)參數(shù)；
    (2)  轉(zhuǎn)速大小和方向，轉(zhuǎn)速升降時(shí)間，電機(jī)起停指令；
    (3)  電流給定值的最大值。
    80C196KC在PC機(jī)命令下可回送給PC機(jī)以下信息：
    (1)  電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)；
    (2)  電機(jī)的轉(zhuǎn)速瞬時(shí)值；
    (3)  各單元的實(shí)測(cè)電流；   
    (4)  各單元的實(shí)測(cè)電壓；
    (5)  電機(jī)各單元的故障狀態(tài)，A、B主控單元的工作狀態(tài)。
    為提高系統(tǒng)的可靠性主控單元由兩套互為備用的80C196KC單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，分別處于工作狀態(tài)和熱備用狀態(tài)。

4．主程序設(shè)計(jì)：
    系統(tǒng)主程序主要完成從上位機(jī)讀取電流給定值，上傳本單元實(shí)測(cè)電流值，調(diào)節(jié)電流，輸出相應(yīng)導(dǎo)通開(kāi)關(guān)量實(shí)現(xiàn)電子換相等任務(wù)。其流程框圖如圖2所示。

圖2  系統(tǒng)的主程序流程圖

5．結(jié)束語(yǔ)：
    由于80C196KC的使用大大提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，方便了接口，使無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的性能得到了極大的提升。 80C196KC采用CHMOS工藝，內(nèi)部集成有豐富的軟硬件資源，同時(shí)由于它具有很高的性能價(jià)格比，使得它在工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合中占有了一席之地。