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，可方便地使控制器达到临界阻尼，临界阻尼控制器可提供最优越的控制特性。PID控制器的软件流程图如b所示。
主程序流程图主程序由初始化设置、串口中断服务程序、HSO中断服务程序、电机方向、速度输出程序等部分组成。在HSO初值设置上，需要注意的是，把3个电机时间参数时间写入时间寄存器（00040005h）时，两组数据写入时间间隔在8个状态周期以上，以免触发时间发生冲突，影响电机正常速度信号输出。主程序流程图如a所示。
结束语本控制器采用十六位单片机80C196KB/KC驱动直流电机，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。为方便调试，提高可靠性，在软件设计中采用模块化设计方法，并加入软件抗干扰措施。该控制器的精度、可靠性、先进性以及功能性等指标均达到较好的效果。本系统可以应用到数据采集、测量、伺服控制等多个领域中。
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