依托最新形式独片器械的流体电机扼制装置

控制器的硬件设计

16 位单片机控制器及外围电路设计本控制器要求单片机输出的

PWM 调制信号分别控制 3 个电机的运转，其中一个为转速 3000r/min 的直流电机，另外两
个为

20000r/min 的高速直流电机。80C196KB/KC 单片机的高速输出端口 HSO 和它自带的

PWM 输出口均可产生 PWM 信号，为提高分辨率采用高速输出口 HSO.0、HSO.1、HSO.2 独
立输出

3 路脉宽可调的 PWM 信号<3>，可节省大量 I/O 空间，信号输出稳定，调试灵活，

比以往的

MSC51 系列单片机控制系统更加简单、快捷、可靠。由于 80C196KB 无内部

EPROM，所以需要外扩 28C64B 程序存储器，大小为 8K 存储空间。用 P3 作为地址总线和
数据总线复用端，

P4 口的低五位作为地址线，高三位由 74LS138 译码实现，如所示。

　　利用单片机的高速输出端口

HSO 产生 PWM 波，它由 HSO 命令寄存器、HSO 时间寄存

器、

HSO 保持寄存器、内容定址寄存器阵列等部单片机外扩 EEPROM 框图件组成。把命令和

预定触发时间写入

CAM 阵列。用相同的方法分别设定 3 个高速输出口的信号周期和脉宽，

它们之间相互独立可调，

3 个 PWM 脉宽调制信号分别可以方便的对 3 个直流电机进行相应

控制。
　　电机驱动模块本控制器低速电机驱动采用功率驱动模块（

LMD18200）芯片<1>，从而

实现

PWM 控制，该芯片的内部集成了 H 型驱动桥，只需要输入方向、转速等控制信号及相

关保护电路即可，芯片内设有过热报警输出和自动关断保护电路。单片机的高速输出口
HSO.3 获得 PWM 调制信号直接输入给芯片的调速管脚，驱动芯片需要外接电容 22nF，外
接电容越大，工作频率越高。电流检测输出脚可接对地电阻，通过电阻来输出过流情况。
　　本控制器高速电机驱动选用

IGBT 作为控制电机功率器件。该功率器件可选用日本富士

公司的

EXB841 型专用驱动模块。该模块采用高速光耦合器隔离，射极输出，并有短路保护

及慢速关断功能。由单片机高速输出口

HSO.0 和 HSO.1 输出 PWM 信号进行转速调节，而

正、反转信号由单片机

P1 口进行控制。过流检测采用在主回路中串入电流取样电阻的方法，

当主回路过流时，电流取样电阻两端电压就会升高，这个电压信号经积分电路积分后送入
电压比较器正向输入端，此电压信号就会高于电压比较器负向输入端电压，所以电压比较
器输出一个高电平信号给单片机的外部中断口，由单片机进行故障处理，并由

P1 口显示故

障。
　　控制算法与软件实现数字

PID 控制器的设计数字 PID 控制器采用 U 字型结构的槽式光

电传感器采集速度信号。将光电传感器测得的转速脉冲信号实时地传送给

16 位单片机

80C196KB 的 I/O 口，在将测得的转速与给定的转速相比较，用数字 PID<4>控制算法实现
速度闭环控制。数字

PID 控制器的原理如所示。

　 　 数 字

PID 控 制 器 的 原 理 图 连 续 PID 控 制 规 律 为 ： U （ t ） =KP （ error （ t ）

+1Tt0error （ t ） dt+TDderror （ t ） dt ） （ 3 ） 写 成 传 递 函 数 的 形 式 ：
G（s）=U（s）E（s）=kp（1+1Tis+TDs）（4）数字 PID 控制器是经过采样控制，将一系
列 的 采 样 时 刻 点

kT 代 表 连 续 时 间 t ， 得 到 离 散 PID 表 达 式 ： U （ t ） =kperror （ t ）

+kikj=0error（j）T+kderror（k）-error（k-1）T（5）式中，kp 为比例系数；ki 为积分系数；
kd 为微分系数；T 为采样间隔。
　　比例项

kp 提供了对比例增益的调节能力，微分项 kd 扩展了系统带宽，积分项 ki 提供

了很高的直流增益。可以减小静态误差。调整参数

Kp、Ki、Kd 的相对大小，以实现最佳的系

统特性。
　　调整数字

PID 控制器的目的，就是使电机控制器达到临界阻尼，以提供最佳跟踪特性

和建立时间。用软件调整微分增益系数

Kd、比例增益系数 Kp、积分增益系数 K 等参数，可方