### 使用80C196KB实现伺服电机分布式控制
#### 一、引言
本文档旨在介绍如何利用Intel 80C196KB微控制器实现伺服电机的分布式控制系统。该系统适用于需要多轴控制的应用场景，如工业自动化生产线、机器人等。80C196KB是一款高性能的单片机，特别适合于实时控制任务，其内部集成的多种外设资源（如定时器、PWM发生器等）使得它非常适合用于电机控制。
#### 二、硬件设计
##### 2.1 光电编码器接口
光电编码器是伺服电机控制系统中的重要组成部分，主要用于检测电机的转速和位置。在本方案中，使用了两个光电编码器来监测电机的位置和速度信息。每个编码器通过两路信号(A和B)与80C196KB相连，利用计数器2(TIMER2)进行脉冲计数。
**具体实现：**
- 编码器A相连接到80C196KB的CAP2输入。
- 编码器B相连接到80C196KB的CAP1输入。
- 当编码器转动时，A、B两相脉冲会产生不同的相位差，通过检测这两个信号的上升沿和下降沿，可以确定电机的旋转方向和速度。
##### 2.2 接口至TIMER2
为了提高精度，编码器信号被送入TIMER2进行高速捕获处理。通过配置TMR2CON寄存器，可以选择适当的预分频系数，以便匹配电机的最大转速范围。
**配置步骤：**
1. 设置TMR2CON寄存器中的T2ON位为1，使能TIMER2。
2. 配置T2OUTPS位选择合适的预分频值，以适应电机的速度范围。
3. 通过读取CAP1L/CAP1H和CAP2L/CAP2H寄存器获取电机的位置和速度信息。
##### 2.3 接口至高速输入(HSI)
80C196KB还支持高速输入(HSI)，可以用来接收来自外部设备的快速脉冲信号。在本设计中，HSI用于接收另一个伺服电机的反馈信号，进一步提高了系统的灵活性和可扩展性。
**接口步骤：**
1. 将外部脉冲信号连接到HSI引脚。
2. 配置HSICON寄存器以启用HSI功能，并设置适当的触发方式。
3. 读取HSICNT寄存器获取外部信号的信息。
##### 2.4 驱动直流伺服电机
伺服电机通常由一个直流电机和一个闭环控制系统组成，能够精确地控制电机的转角和速度。本设计中，使用80C196KB的PWM输出驱动电机，以实现精确的速度和位置控制。
**实现方法：**
1. 将PWM信号连接到电机驱动器的控制端口。
2. 通过调节PWM占空比来控制电机的转速。
3. 采用PID控制算法调整PWM信号的频率和占空比，以达到期望的电机速度和位置。
##### 2.5 使用专用PWM输出
80C196KB具有专门用于电机控制的PWM输出端口。这些输出端口可以直接连接到电机驱动电路，无需额外的硬件组件。
**具体操作：**
1. 配置PWM寄存器以选择所需的PWM输出频率和占空比。
2. 启用PWM输出，通过控制PWM占空比来调节电机的速度。
##### 2.6 利用HSO生成PWM
除了专用PWM输出外，还可以使用高速输出(HSO)模块生成PWM信号。这种方式提供了更高的灵活性和更宽的频率范围。
**实施步骤：**
1. 配置HSOPWM寄存器来设定PWM的频率和占空比。
2. 通过HSO输出PWM信号，用于控制电机。
##### 2.7 电流限制
在实际应用中，还需要考虑电机过载保护问题。本设计采用了软件控制的方法来限制电机的电流，避免过热或损坏电机。
**实现方法：**
1. 监测电机电流，并将其与预设的安全电流阈值进行比较。
2. 如果电流超过阈值，则减少PWM信号的占空比，从而降低电机的负载。
3. 实现电流限流可以通过定期检查电机电流，并根据需要动态调整PWM参数来完成。
#### 三、软件设计
##### 3.1 主初始化例程
在系统上电后，首先需要执行主初始化例程来配置80C196KB的各个模块。这包括设置定时器、中断、PWM等参数。
**初始化步骤：**
1. 初始化定时器，设置预分频器和中断阈值。
2. 配置PWM输出，设定频率和占空比。
3. 开启必要的中断源，例如编码器中断、软件定时器中断等。
##### 3.2 软件定时器中断例程
为了实现精确的时间控制，系统使用了一个软件定时器中断例程。每当达到预定时间间隔时，都会触发中断服务程序来更新控制参数。
**中断处理流程：**
1. 在中断服务程序中更新PID控制器的输入变量。
2. 计算新的PWM占空比，并更新PWM输出。
3. 更新其他控制逻辑，如位置跟踪、速度控制等。
##### 3.3 PID控制算法
PID(比例积分微分)控制是一种常用的反馈控制算法，广泛应用于电机控制系统中。本设计采用了PID控制算法来调节PWM信号，以实现对电机速度和位置的精确控制。
**PID计算公式：**
\[ U(t) = K_p e(t) + K_i \int_{0}^{t} e(\tau) d\tau + K_d \frac{d}{dt} e(t) \]
其中：
- \(U(t)\) 表示输出控制量；
- \(e(t)\) 表示误差，即目标值与实际值之差；
- \(K_p\)、\(K_i\) 和 \(K_d\) 分别代表比例系数、积分系数和微分系数。
##### 3.4 位置PID软件
为了实现对电机位置的精确控制，还需要专门的位置PID控制软件。该软件基于PID算法，但侧重于位置控制。
**实现步骤：**
1. 读取编码器的当前位置。
2. 计算目标位置与当前位置之间的误差。
3. 使用PID算法计算新的PWM占空比，并调整电机速度以达到目标位置。
##### 3.5 速度轮廓
在某些应用场景下，除了需要控制电机到达特定位置外，还可能需要控制电机的加速和减速过程，即速度轮廓控制。
**实现方法：**
1. 设定加速时间和减速时间。
2. 根据所需的速度变化率，逐步调整PWM占空比。
3. 通过监控电机的实际速度来调整PWM信号，确保速度按照预设的轮廓变化。
##### 3.6 梯形轮廓计算
梯形轮廓是一种常见的速度轮廓形式，其特点是先加速到最大速度，然后保持一段时间，最后减速到停止。
**计算步骤：**
1. 根据加速时间和减速时间计算加速度和减速度。
2. 根据加速度和减速度以及最大速度计算出每个阶段的时间和PWM占空比。
3. 实施梯形轮廓控制，确保电机平滑地加速、匀速运行并减速停止。
##### 3.7 控制算法快速执行
为了保证电机控制系统的实时性，控制算法需要快速执行。这要求算法简单高效，并充分利用80C196KB的硬件资源。
**优化策略：**
1. 使用定点运算代替浮点运算，提高计算速度。
2. 减少不必要的变量存储和访问次数。
3. 尽可能利用硬件资源，如使用硬件定时器来实现定时控制。
#### 四、分布式控制
在分布式控制系统中，多个80C196KB微控制器通过通信网络协同工作，共同控制多个伺服电机。这种架构可以提高系统的可靠性和可扩展性。
**系统结构：**
1. 每个80C196KB负责控制一个或几个电机。
2. 通过串行通信或其他网络协议交换控制数据和状态信息。
3. 中央处理器协调各节点的工作，实现全局控制逻辑。
##### 4.1 接收中断服务例程
当接收到其他节点发送的数据包时，会触发接收中断服务例程。该例程负责解析数据包，并根据内容更新本地控制参数。
**处理流程：**
1. 接收数据包，并解析其中的目标位置、速度等参数。
2. 更新本地PID控制器的设定值。
3. 如果必要，向其他节点发送确认消息或状态更新。
#### 结论
使用80C196KB实现伺服电机的分布式控制不仅可以提高系统的灵活性和可靠性，还可以实现复杂的运动控制任务。通过合理设计硬件接口和软件算法，可以充分发挥80C196KB的强大功能，满足各种高精度、高可靠性的电机控制需求。
