基于单片机多电机同步传动控制系统的设计.doc

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1、摘 要许多工业生产场合都涉及单片机多电机的同步传动控制作业，例如印刷设备、造纸设备、垂直升船机等，只有保证多个电机之间的同步运转，才能保证生产的正常运行，系统同步性能的好坏，直接影响到产品的品质和性能，因此，深入地研究多电机同步传动控制系统，提高其同步精度具有重要的意义。本文首先回顾了多电机同步传动控制的几种方法，即主令参考方式、主从方式和交叉耦合补偿方式。比较这几种方式可知，交叉耦合补偿方式能达到更好的同步控制性能。多电机同步传动控制中，各独立电机控制器之间需要频繁交换信息，由于CAN控制网络本身的优越性，选用它来实现信息交换。为了对同步控制算法进行实验研究，我们设计了多电机同步传动的实验。

2、实验采用高性能单片机为控制芯片，用PWM技术对电机进行驱动。本文对控制器单元、角度检测单元、电机驱动单元、CAN总线通信单元等电路进行了详细设计。关键词：CAN总线，多电机传动，步控制算法，交叉耦合控制器I重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 英文摘要AbstractMany industrial production situations involve singlechip motor synchronous driving control operations, such as printing equipment, paper making equipment, vertical

3、ship lift, only guarantee the synchronization between the multiple motor running, to ensure the normal operation of the production, the system synchronization performance is good or bad, directly affect the products quality and performance, as a result, synchronized transmission control system, in-d

4、epth research has the vital significance to improve the synchronization accuracy.This article first reviewed the several methods of motor synchronous driving control is the main reference way, master-slave mode and way of cross coupling compensation. Comparing the several ways, the cross-coupling co

5、mpensation method can achieve better performance of synchronization control. Motor synchronous driving control, need frequent exchange of information between each independent motor controller, because cAN control the superiority of the network itself, use it to realize information exchange. For sync

6、hronous control algorithm to experimental research, we designed of double motor synchronousexperiment platform. Experimental platform using high-performance single chip microcomputer to control chip, using PWM technology to drive motor. Angle in this paper, the controller unit, the motor drive unit,

7、 detection unit circuit, cAN bus communication unit, etc has carried on the detailed design.Keywords：CAN bus，multi-motor drive，Synchronization control algorithm，cross coupling controller III重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 目录 目录中文摘要I英文摘要II1 绪 论12 PWM变频调速22.1变频调速的基本知识22.2 PWM原理32.3 PWM变频调速主电路42.3.1变频器的分类42.3.2直交

8、变换部分52.3.3 能耗电路52.4 GRT驱动电路53多电机同步传动控制系统的硬件设计73.1多电机同步控制原理73.2同步控制器硬件设计83.2.1数据存储器83.2.2 RS-485总线接口电路94多电机同步传动器的软件设计124.1同步传动程序设计124.2电平变化中断144.3定时器程序154.4 CAN通讯204.5读写EEPROM255 结 论27致 谢28参考文献29重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 1 绪论 1 绪 论 本文主要对多电机同步传动控制系统的两种基本控制结构以及直流电机PWM调速的发展概况和原理做了一些介绍和分析，确定了本系统两台直流电机的主从式同步控制

9、结构，给出了直流电机的驱动电路和速度反馈电路。在工业生产中，多电机同步传动控制是机械加工控制系统的基础。一个机械系统通常有多个轴需要传动控制，对这些轴的控制就是控制驱动轴的电动机。在这种传动系统中，目前存在的同步控制技术包括并行控制、主从控制、交叉耦合控制、虚拟总轴控制、偏差耦合控制。这里对并行控制和主从控制这两种基本的控制方式作一下简单的介绍和比较，并选择了主从式的多电机同步控制结构。多电机同步控制技术在工业领域的应用，是自动化生产的一种发展趋势。工业发展经历了由手工生产、半自动化到自动化的发展过程，多电机的同步传动控制技术也经历了由机械同步到电同步的发展过程，自动化水平呈现逐步提高的趋势。

10、28重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 2 PWM变频调速2 PWM变频调速2.1变频调速的基本知识机电传动速度连续控制是指在一定的控制下，工作机构能够实现任意连续的速度变化，即无极调速。交流异步电机结构简单，价格低廉，运行可靠，在机电传动中得到了广泛的应用。异步电动机采用变频调速方法后，调速范围广，系统效率高。在负载不变时，异步电动机器转速为：n=n(1-s)=60f(1-s)/p可见，异步电动机的调速方法有改变f,p,s三种。基频（额定频率fN）以下调速：在基频率以下调速时，需要调节电源电压，否则电动机将不能正常运行。原因是三相异步电机正常运行时，定子阻抗压降很小。当频率降低时，如果

11、电压不变，将使磁通增大，电动机磁路饱和，励磁电流急剧增加，因此电动机将无法正常运行，为了防止磁路饱和，就应当U/f=常数上式表明，在基频率以下变频率调速时，要实现恒磁通调速度，应使电压和频率按比例地配合调节。基频（额定频率fN）以上调速：在基频以上调速时，也按比例升高电压是很困难的。因此只好保持电压不变，这相当于支流电动机的弱磁调速。把基频以下和基频以上两种情况结合起来， 可得知异步电机变频调速控制特性。如果电动机能在温升允许条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。所以在基频以下属于恒转矩调速，在基频以上属于恒功率调速。变频器可以分为以下几种：（1）交-直-交电压型变频器先把频率固定的交流电

12、整流成直流电，再把支流电逆变成频率可调的三相交流电。其按中间滤波环节的储能元件不同，分有电压型和电流型两种。其在频率的调节范围，以及改善变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势。所以本设计采用这一种。（2）交-交型变频电动机调速交-交变频器由正反并联的晶闸管整流电路组成，正半周由正组成整流器供电，负半周由负组整流器供电。其主要优点是没有中间环节，故变换效率高，故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。2.2 PWM原理正弦波脉宽调制就是用一系列宽度可变的矩形波脉冲来等效正弦波，等效果条件是对应时间间隔内两种波形所包含的面积相等。如图2-1所示：图2-1PWM原理示意图PWM波的产生方法：把正弦电

13、压的半波N等分，每一个等分点的中点与对应的矩形脉冲中点相重合，每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积与对应的矩形脉冲面积相等。这样，在半波内，N个等幅，等距，不等宽的矩形脉冲串即逆变器输出波。我们用它加在异步电动机上代替传统的正弦电压波形，只要N足够大，这样的代替引起的误差很小，而我们可以方便有效地控制输出波的矩形脉冲宽度和频率，也就是控制输出波的正弦基波电压的大小和频率，从而达到控制异步电动机的目的。通过调节方波高电平和低电平的时间比调节输出电压，比如一个20%占空比波形,会有20%的高电平时间和80%的低电平时间，而一个60%占空比的波形则具有60%的高电平时间和40%的低电平时间,占空比越

14、大,高电平时间越长,则输出的脉冲幅度越高,即电压越高.如果占空比为0%,那么高电平时间为0,则没有电压输出.如果占空比为100%,那么输出全部电压. 所以通过调节占空比,可以实现调节输出电压的目的,而且输出电压可以无级连续调节。生成PWM波的方法有很多种，大致可以分为两大类：一类是采用模拟电路产生，另一类是由数字电路产生，即由专用集成芯片来生成。本例就是选用HEF4752芯片来生成控制信号。2.3 PWM变频调速主电路2.3.1变频器的分类（1）交-直-交电压型变频器先把频率固定的交流电整流成直流电，再把支流电逆变成频率可调的三相交流电。其按中间滤波环节的储能元件不同，分有电压型和电流型两种。

15、其在频率的调节范围，以及改善变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势。所以本设计采用这一种。（2）交-交型变频电动机调速交-交变频器由正反并联的晶闸管整流电路组成，正半周由正组成整流器供电，负半周由负组整流器供电。其主要优点是没有中间环节，故变换效率高，故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。本设计采用交-直-交变频器的主电路，如图2-2所示。图2-2变频器主电路电压型变频器由晶闸管整流桥REC，支流滤波电容以及晶闸管逆变桥INV组成。逆变桥INV的三个输出端U,V,W和异步电动机的三相绕组相连接。整流桥将三相工频交流电变为直流电。而滤波电容用于减少支流电压脉冲量。各个部分说明如下：整流滤波部

16、分：整流管VD1VD6组成三相桥整流桥，将电源的三相交流电全波整流成支流电。如电源的线电压为UL,则三相全波整流后平均直流电压UD的大小为： UD=1.35 UL我国三相电源的线电压为380V,故全波整流后的平均电压为：UD =1.35380V=513V滤波电容CF 其功能是：（1）滤平全波整流后的电压纹波；（2）当负载变化时, 使支流电压保持平稳。2.3.2直交变换部分逆变管V1V6组成逆变桥，把整流所得到的直流电再逆变成频率可调的交流电。这是变频器实现变频的具体执行环节，应而是变频器的核心部分。本设计采用电力晶体管（GTR）。 续流二极管的主要功能有：1、电动机的绕组是电感性的，其电流具有

17、无功分量，VD7VD12为无功电流返回给支流电源提供“通道”。2、当频率下降，电动机处于再生制动状态，再生电流将通过VD1VD7整流返回给直流电路。2.3.3 能耗电路制动电阻和制动单元： （1）制动电阻R：电动机在工作频率下降过程中，将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到直流电路中，使直流电压不断上升，甚至可能达到危险的地步。因此，必须将再生到直流电路的能耗消耗掉，使电压保持在允许范围内变动。制动电阻R的作用就是用来消耗这部分能量。 （2）制动单元Vb：制动单元是由GTR及其驱动电路构成的， 其功能就是为放电电流经R提供通路。2.4 GRT驱动电路GRT的导通与关断是由基极驱动控制信号控

18、制的，因此基极驱动电路必须适应于GRT期间的要求。GRT器件本身的放大倍数受到集电极电流与结稳的影响，其开关的速度受到导通时间以及判断时间的限制。因此，在设计驱动电路时， 各种参数全面考虑。GRT驱动电路如图2-3所示：图2-3 GRT驱动主电路如图GTR的驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。其中二极管 VD2 和电位补偿二极管 VD3 构成所谓的贝克箝位电路，也就是一种抗饱和电路，可使GTR导通时处于临界饱和状态。当负载较轻时，如果 V5 的发射极电流全部注人V，会使V过饱和，关断时退饱和时间延长。有了贝克箝位电路之后，当 V 过饱和使得集电极电位低于基极电位时，VD2 就会自动导

19、通，使多余的驱动电流流人集电极，维持Ubc0。这样，就使得V导通时始终处于临界饱和。图中，C2为加速开通过程的电容。开通时，R5被 C2 短路。这样可以实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通。重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3多电机同步传动控制系统的硬件设计3多电机同步传动控制系统的硬件设计本系统的硬件设计包括两个部分：同步控制器的硬件设计以及CAN转RS232协议转换器硬件设计。同步控制器为本系统的核心，在本章将作重点介绍，CAN转RS232协议转换器是控制器和上位机的通讯桥梁，并且某些功能模块和同步控制器的在硬件结构上相同，所以相同部分不再累述。3.1多电机同步控制原理在

20、多电机的同步控制方面，人们已经进行了很多有意义的尝试和研究，总体说来，实现多电机同步控制，有两种常用的方法：机械方式和电方式。机械方式就是常说的机械总轴多电机同步控制，用一台大功率电动机拖动一根较长的机械总轴，所有的分区单元电动机都通过齿轮箱胶合在这根总轴上，所有的分区单元都共用相同的输入信号。初期，由于这种方法连接可靠，只需要机械上的连接而无需控制器得到了较为广泛的应用。但是，随着工业的发展以及对产品质量要求的不断提高，机械总轴多电机同步控制已经逐渐暴露其缺陷，不适应一些高标准高精度的工业应用场合。(1)用一个电动机拖动多个负载，由于电机的容量有限，限制了负载的拖动功率，因此系统的总体输出功

21、率较小。(2)机械总轴容易出现震荡现象。机械总轴中的粘性系数小，使传递函数中的振荡环节容易出现共振现象，难以取得理想的动态性能。(3)受机械总轴固有弹性的限制。当生产工艺要求电机之间距离较远时，如果采用传统的总轴控制方式，为保证总轴能产生带动负载时所需的扭矩，要求加大总轴的截面积，从而增加成本。(4)所有的机械单元连接一起，结构相对固定。但当环境变化时，频繁的单元变动会让系统的操作复杂化。为了克服上述缺点，人们提出了电方式的多电机同步传动控制，并进行了深入的研究。一般来说电方式的多电机同步传动控制有一个控制核心，即同步传动控制器，多个电机之间不需要彼此间的物理连接，而由同步传动控制器向各电机及

22、其驱动单元发送控制指令，从而保持彼此协调的运行关系。这样不但不需要大功率的电机驱动总轴，可以灵活的添加新的节点，而且可以解决机械方式远距离传动的限制，使成本大为降低。另外，电方式的同步控制一般都提供和上位机的通讯，实现同步传动参数的设置，使得对于不同产品，可以提供不同的工艺参数，使系统更加灵活，应用范围更广。3.2同步控制器硬件设计同步控制器以PIC单片机作为控制内核，包括5大模块，控制器结构框图如下图3-1所示。图3-1 控制器结构框图(1)电源模块。双9V变压器供电，经整流滤波产生24V和9V直流电压，再经DC-DC变换电路产生5V和3.3V电压，作为主芯片的工作电源。(2)电机启动/停止

23、信号检测电路。若电机当前为运行状态，当检测到启动信号时，则单片机通过RS-485接口以数字通讯方式启动电机，如若检测到停止信号，则关闭电机，使其停止运行。(3)电机位置信号检测。系统采用接近开关作为位置检测器件，当减速机构旋转一周时，接近开关会产生一个脉冲，此脉冲即为电机的位置信号。(4)CAN通讯模块。该模块实现与上位机的相互通讯，设置同步传动参数。(5)RS-485通讯模块。实现同步控制器与变频器的通讯，从而控制电机的运行速率和相位。3.2.1数据存储器系统中同步传动参数需要保存，因此需要扩展数据存储器。由于微控制器集成I2C(InterIntegrated Circuit)模块，所以选择

24、带I2C接口的串行EEPROM24LC64。该芯片拥有8KByte的存储空间，传输速率最大可达400kHz，标准传输速率为100kHz。擦写次数可达一百万次，数据保存期限超过200年。I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率400kbps，标准传送速率为100kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器(或被控器)，又是发送器(或接收器)，这取决于它所要完成的功能

25、。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别(如对比度、亮度等)及需要调整的量。这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。(1)开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。(2)结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。 (3)应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，

26、等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，则判断受控单元出现故障。图3-2 数据存储器的接口电路数据存储器的接口电路如图3-2所示，A0、A1、A2芯片地址输入引脚，用于多器件工作。对于24LC64，对片选位进行组合之后，连接到同一条总线上的24LC64最多可达八个，在本系统中A0、A1、A2均接地。写保护(WP)引脚直接接地，表示使能写操作。串行时钟(SCL)引脚与单片机的时钟引脚相连，用于数据同步传输。串行数据(SDA)引脚为双向引脚，用于把地址和数据输入/输出器件。该引脚为漏极开路，因此，应该在引脚与VCC之间接入上拉

27、电阻，确保总线上的高、低电平符合要求。3.2.2 RS-485总线接口电路本系统采用变频器作为同步电机的驱动器，而变频器的频率给定方式有多种：端子模拟电压或电流给定、串行口给定(RS-485)、电位计给定以及键盘给定等方式，考虑到控制器必须实现实时的控制功能，后两种给定模式只能在调试时使用，而端子模拟电压或电流给定方式与串行口给定方式相比，精度比较低，而且容易产生干扰，所以选择RS-485总线数字通讯方式给定。一、RS-485总线概述RS-232C接口是目前最常用的一种串行通讯接口，是由美国电子工业协会(EIA)正式公布的，在异步串行通讯中应用最广泛的标准总线。RS-232C出现的比较早，难免

28、有很多不足的地方，主要有以下四点：(1)接口的信号电平比较高，易损坏接口芯片；因与TTL电平不兼容，需要使用电平转换电路方能与TTL电平连接。(2)最高传输速率为20kbps时，最远距离仅为15m。在使用中也可达60m，但这远远不能满足对速度及距离提出的新的要求。(3)接口使用一根信号线一根信号返回线构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。(4)传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺(约15.24m)，实际上也只能用在50m左右。 针对RS-232C的不足，EIA推出了RS-449，对上述问题加以改进，并在此标准下派生了RS-485，由于RS-485标准的众多

29、优点，迅速的被广泛采用。RS-485是采用差分传输增长通讯距离并提高可靠性的一种通讯标准，它在发送端使用两根信号线发送同一信号(两根线的极性相反)，在接收端对这两根线上的电压信号相减得到实际信号，这种方式可以有效的抑制共模干扰，增长通讯距离，最远可达1200m，原理图如3-3所示。图3-3 RS-485接口原理图当RS-485总线处于空闲状态即高组态时，RS-485总线可以允许被其他设备占用，也就是说具有RS-485通信接口的设备可以互联形成网络。根据RS-485驱动芯片的驱动能力的不同，一个RS-485数据发送设备可以驱动32128台RS-485网络上的设备多于两台时，就必须采用半双工方式进

30、行通信，及数据的发送和接收使用同一线路，发送时不允许接收数据进入线路，反之亦然。在RS-485网络中只允许一个设备是主设备，其余全部是从设备；或者无主设备，各个设备之间通过传递令牌获得总线控制权。二、RS-485接口电路设计我们知道，RS-485接口采用的是一种差分传输方式。各节点之间的通讯都是通过一对(半双工)或两对(全双工)双绞线作为传输介质的。根据RS-485的标准规定，接收器的接收灵敏度为200mV，即接收端的差分电压大于或等于+200mV时，接收器输出为高电平；小于或者等于-200mV时，接收器输出为低电平；介于-200mV+200mV之间的，接收器输出为不确定状态。在总线空闲即总线

31、上所有节点都为接收状态或者传输开路以及电路故障时，则接收器可能输出高电平也有可能输出低电平。一旦某个节点的接收器产生低电平就会使串行接收器找不到起始位，从而引起通讯异常。所以，本系统中选择具有故障保护功能的SN75276作为RS-485总线收发器。图3-4 RS-485接口电路SN75276和通用的RS-485接口芯片完全兼容，且带有故障保护功能。在总线开路、短路或者空闲的情况下，SN75276输出为高电平。其原理是通过改变接收器输入门限值来实现的。当差分电压大于或等于0V时，接收器输出为高电平；小于或者等于-300mV时，接收器输出为低电平。RS-485接口电路如图3-4所示。此电路为一个经

32、常被应用到的SN75276芯片的示范电路，可以被直接嵌入实际的RS-485应用电路中。微处理器的标准串行口通过RXD直接连接SN75276 芯片的R引脚，通过TXD直接连接SN75276芯片的D 引脚。由微处理器输出的R/D 信号直接控制SN75276芯片的发送器/接收器使能：R/D 信号为“1”，则SN75276芯片的发送器有效，接收器禁止，此时微处理器可以向RS-485 总线发送数据字节；R/D 信号为“0”，则SN75276芯片的发送器禁止，接收器有效，此时微处理器可以接收来自RS-485 总线的数据字节。此电路中，任一时刻SN75276芯片中的“接收器”和“发送器”只能够有1 个处于工

33、作状态。且在发送和接收两个状态进行切换时，应保证有足够放入延时，以确保数据正确可靠的发送和接收。连接至A 引脚的上拉电阻R2、连接至B 引脚的下拉电阻R4 用于保证无连接的SN75276芯片处于空闲状态，提供网络失效保护，以提高RS-485 节点与网络的可靠性。电路图中，钳位于6.8V 的TVS 管D1、D2、D3 都是用来保护RS-485总线的，避免RS-485总线在受外界干扰时(雷击、浪涌)产生的高压损坏RS-485 收发器。另外，电路中的L1、L2、C1、C2 是可选安装元件，用于提高电路的EMI性能。重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论 4多电机同步传动器的软件设计 4多电机同步传动

34、器的软件设计同步传动控制系统软件采用模块化设计，即将整个控制目标分割成相互独立的模块，并对各个模块分别编程，然后在主程序中调用相应的函数模块。采用前后台的结构模式编写，前台程序处理中断异步事件，后台程序是一个无限的循环，在循环中调用相应的函数模块完成相应的控制功能。为了保证在每个制瓶周期都可以实现实时控制，和时间紧密联系的事件都用中断完成。4.1同步传动程序设计同步控制程序主要面向三大任务：开关信号检测、上位机通讯以及变频器的频率控制，主程序框架如图4-1所示。主程序首先初始化变量，配置微控制器的IO端口，在配置IO端口时应注意其复用功能。然后对接口电路中用到的模块进行配置，包括定时器模块、I

35、2C模块以及对CAN协议控制器SJA1000。初始化完成后，读取存储在EEPROM中的参数值，写到数据缓冲区，以便执行。主程序是一个大的循环，循环中会反复查询帧标志和数据更新标识，当帧标志为“1”时，通过RS-485总线发送控制帧，送往变频器执行，当数据更新标识为“1”时，将缓冲区数据更新并写到EEPROM。图4-1主程序框图4.2电平变化中断电平变化中断程序完成电机启动信号的处理。系统设计成对5路电机启动和停止进行控制，且5路电机彼此独立，所以设计独立的五路开关控制5路电机启动或者停止，设定开关信号为 ()，开关信号检测在硬件上由B口的低5位实现。此部分电路接口初始化主要有两个函数：B口初始

36、化函数和电平变化中断使能函数。PORTB_INIT_Function()函数主要对2个寄存器进行操作：模拟/数字端口寄存器AD1PCFG和B口方向寄存器TRISB。PORTB_INIT_Function()函数将AD1PCFG寄存器对应位置1，使B口对应位为数字IO，并配置B口方向寄存器TRISB使B口低5位为输入模式。Enable_Input_Change_Interruption。电平变化中断初始化，包括使能电平变化中断，配置电平变化中断优先级以及清除中断标识寄存器相应位。从整个系统的控制功能考虑，程序中将电平变化中断设置成6级中断(PIC24FJ64GA008微控制器共有7级中断)。电平

37、变化中断函数主要是对开关信号进行识别，程序流程如图4-2所示。进入中断后关闭电平变化中断，将中断标识清0，然后读端口B。()在主函数中初始化为0，当有电机的启动键按下时为1。中间延时程序是为了防止按钮抖动而引起不必要的误动作。当确认按键信号有效时，帧发送标识将被起，然后打开电平变化中断，退出中断程序，等待下一次中断到来。在主程序中初始化为0，当检测到确实有电机启动按钮按下时，该标识置1，为发送数据帧到变频器做好准备。主程序中循环查询帧发送标识，若标识为1，则继续判断电机的当前状态标识Mechine_Statuei，若状态标识为1，表明该电机已经启动，则应该发送停止命令，使第i路电机停止运行，并

38、将第i路电机状态标识修改为0，表明该电机将处于停止状态；若电机的当前状态标识Mechine_Statuei=0，表明该电机已经停止运行，则应该发送启动命令，启动第i路电机，并将第i路电机状态标识修改为1，表明该电机将启动运行。4-2 电平变化中断程序流程图4.3定时器程序在同步控制程序中共使用了三个定时器，一个16为定时器Timer1和一个由两个16为的定时器组成的32位定时器Timer32。Timer1定时150ms，用于辅助CAN总线同步传动数据的传输。Timer32中断程序是整个控制函数的核心，Timer32中断程序主要完成接近开关脉冲信号的检测，计算频率输出值和控制帧。下面将分别介绍定

39、时器Timer1和Timer32的功能和实现。1) Timer1的功能及实现同步传动参数共20组，包括总料滴数、每剪料滴数、组数、减速比(5组)、供料机相位、分料电机相位、拨瓶机相位、输瓶机相位以及推瓶机相位以及备用参数共20组。一方面，上位机软件提供单组参数下传/上传以及整页参数(20组参数)下传/上传的功能，而且上位机软件和同步控制器约定单组参数下传最大间隔100ms，如果在100ms内无应答信息，则认为改组参数下传或者上传失败，并要求重新传送。另一方面，同步控制器在收到新的传动参数后，必须马上修改运行参数，而且将新的传动参数保存在EEPROM中，从而防止控制器意外掉电时，参数由于未保存而

40、引起传动系统运行混乱。所以，必须及时的保存传动数据。但是，频繁的读写EEPROM不仅浪费微控制器的资源，而且会减小片外EEPROM的使用寿命，降低程序运行效率。Timer1设计思想是这样的：当CAN总线有有效数据发送到微控制器后，启动定时器1，新的数据到来时定时计数器TMR1清0并重新开始计时。若定时中断发生，将参数更新标识置1，说明两次数据传输间隔大于100ms，即微控制判断是单组参数下传完毕或者最后一组参数下传完毕，不管是哪种情况，都应该更新缓冲区，并将参数尽快保存在片外EEPROM中。很显然，当20组参数整页下传时，只会写一次片外EEPROM，提高了微控制器的利用率。和Timer1相关的

41、程序包括定时器初始化和中断服务程序。初始化函数为Timer1_Init_Function()，设置定时器1的分频系数和定时周期，配置中断优先级并使能定时中断。定时周期的计算公式如下： 代入定时时间150ms，振荡频率8MHZ，倍频系数4，预分频比256，得到定时时间常数。进入Timer1定时中断服务程序后，关中断，TMR1置0，并更新参数标识，即令Paremeter_change_CanFlag=1，通知主程序修改同步传动参数。2) Timer32的功能及实现Timer32的中断服务程序所实现的功能包括：识别和处理接近开关的脉冲信号，计算频率的输出量，计算控制帧，给机控板发送同步信号。Time

42、r32程序主要包括初始化和中断服务程序两部分。初始化程序将微控制器的D口部分位设置成输入模式，并设置定时器Timer32的定时周期，即定时时间常数。Timer32的设计思想是：以整个制瓶周期的1/3600为定时时间常数，即每隔一个制瓶周期的1/3600s进入一次中断，每次进入中断后查询D口对应引脚电平是否发生变化，如果没有则相应的软件计数器自增1，否则，相应软件计数器的值相对于每一个制瓶周期的起点时刻的值就代表的是电机的相位。在检测到脉冲信号后首先计算输出频率，然后计算输出帧，并在适当的时刻置位同步信号发送给IO，通知机控板同步信号到来。中断服务程序的流程图如图4-3所示。图4-3 Timer

43、32的中断服务程序流程图进入中断服务程序后，复位中断标识，软件计数器自增，倘若是新的制瓶周期开始，则复位软件计数器。如果参数更新标识置起，则修改运行参数，用以计算运行频率。查询同步信号软件计数器值确定是否需要发送同步信号。然后，查询端口D电平是否出现跳变沿(上升沿或者下降沿，由外部选择接近开关型号和微控制器的接口电路决定，通过第三章的介绍可知，接近开关脉冲到来时，D口出现上升沿)，对于出现跳边沿的通道，则计算输出帧，并将相应的发送标识置1，打开RS-485发送通道。在主程序中循环检测该标识，对标识为1通道，发送控制帧，送往变频器执行。(1)定时时间常数的计算Timer32中断时间的间隔就是定时

44、时间常数所表示的时间，它表示的是微控制器扫描D口的周期。假设制瓶周期是1s，那么定时计数器Timer32在一个制瓶周期内中断的次数就是微控制器扫描D口的次数，亦称为采样频率。从理论上来讲，期望采样频率大比较好，因为较大的采样频率更能准确地捕捉D口的信号。同样假设制瓶周期是1s，则采样频率是3600。而制瓶周期一般在秒级，因而这个采样频率是比较合适的。假设同步传动参数名称如下：每分钟料滴数：Drops_TOTAL；每剪料滴数：Drops_ONCE；制瓶机组数：Groups_TOTAL；制瓶周期：Prod_Time_Circle；则制瓶周期为：单位为秒。得到制瓶周期后，用制瓶周期处以3600就是定

45、时时间，按照4-1式计算定时时间常数。注意，Timer32是一个由两个独立的16位定时器T2和T3构成的32位定时器，并且规定低16位定时时间常数值存放到PR2，高16位定时时间常数值存放到PR3，并且使能T2的定时控制寄存器T2CON，设置T3的中断优先级，并由T3的中断标志位体现Timer32的中断。中断服务程序中有两个函数起着至关重要的作用：判别D口的上升沿发生函数和计算频率的输出值函数，下面对这两个关键函数做简要介绍。判别D口的上升沿函数在前面已经讨论过一个问题：当安装好的接近开关的探讨和金属物质(假设是铁片)正对时，接近开关的的输出信号将发生变化，对于三线电容式NPN常闭型接近开关，

46、则此时输出低电平，在常态下保持输出为高电平，由于电机是一个连续旋转的过程，因此铁片和探头是在相对运动的，换句话说，接近开关输出的低电平只会保持一定的时间，当铁片离开接近开关感应区，接近开关将输出高电平，也就是说接近开关的信号呈现出一个负脉冲，脉冲的宽度由电机的旋转速度和接近开关探头感应面积的大小决定。脉冲如图4-4所示。图4-4 接近开关脉冲信号波形在图中，标注了4个点A、B、C、D。T表示接近开关的脉冲宽度。在A和C点，接近开关探头远离铁片，输出高电平24V；在B和D点，铁片和探头正对，接近开关输出为低电平0V。AB表示铁片靠近接近开关的过程而BC则表示铁片远离接近开关的过程。从24V跳变到0V的那一瞬间，我们认为接近开关的信号到来，从A到B的负跳沿那一时刻所代表的时间即表示电机的相位，这就是程序中关心的实测的相位值，也就是频率计算时的输入。（2）计算频率的输出值函数可以说计算频率的输出函数是整个软件设计的灵魂，函数的输出特性直接关乎到控制系统的性能，而控制算法则是频率输出函数中的重点。这里，采用定点优化PID算法。目前，PID控制算法是一种最常见的工程控制算法，在自动化生产控制中应用相当的广泛。连续PID控制规律如下式所示：其中，为比例系数，为积分时间，为微分时间。由于计算即控制是一种采样控制，只能很据采样时刻的偏差值进行控制，因此连续的PID控制算法