MCX314As型四軸運(yùn)動(dòng)控制器的原理及應(yīng)用
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關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)控制；MCX314As；單片機(jī)；張力控制
1 引言
MCX系列運(yùn)動(dòng)控制器是日本NOVA公司設(shè)計(jì)的專用電路，其中的MCX314As是NOVA公司最新推出的4軸運(yùn)動(dòng)控制器，是對(duì)MCX314功能的改進(jìn)和增強(qiáng)。
MCX314As以單個(gè)電路同時(shí)控制4個(gè)伺服系統(tǒng)或步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，可進(jìn)行各軸獨(dú)立的定位控制、速度控制，亦可在任意2軸或3軸中進(jìn)行圓弧、直線、位模式插補(bǔ)。MCX314As能與8/16位數(shù)據(jù)總線接口，通過命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等寄存器實(shí)現(xiàn)4軸3聯(lián)動(dòng)的位置、速度、加速度等的運(yùn)動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)圓弧、直線、位模式3種模式的軌跡插補(bǔ)，輸出脈沖頻率達(dá)到4 MHz。每軸都有伺服反饋輸入端、4個(gè)輸入點(diǎn)和8個(gè)輸出點(diǎn)，能獨(dú)立地設(shè)置為恒速、線性、非對(duì)稱S曲線加/減控制、非對(duì)稱梯形加/減速控制方式，并有2個(gè)32位的邏輯、實(shí)際位置計(jì)數(shù)器和狀態(tài)比較寄存器，實(shí)現(xiàn)位置的閉環(huán)控制。另外，較MCX314增加了自動(dòng)搜尋原位、輸入信號(hào)濾波器、同步動(dòng)作、輸出脈沖32位、圓弧/直線插補(bǔ)脈沖范圍32位、完全S曲線加/減速的非對(duì)稱、手動(dòng)設(shè)定模式、位置計(jì)算器的可變環(huán)形、Z相輸入的實(shí)位計(jì)數(shù)器的清除、實(shí)位計(jì)算器的增減反轉(zhuǎn)等功能。同時(shí)，MCX314As對(duì)連續(xù)插補(bǔ)最終寫入、圓弧插補(bǔ)終點(diǎn)指定、輸入U(xiǎn)P/DOWN脈沖的計(jì)算出錯(cuò)等做了相應(yīng)的改善。
2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和主要功能
圖l為MCX314As的功能框圖。由相同功能的X、Y、Z和U軸的控制部分和插補(bǔ)計(jì)數(shù)部分組成。主要功能如下：
2.1 4軸控制
MCX314As通過脈沖序列驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。4軸運(yùn)動(dòng)控制器中的4個(gè)軸都具有相同的功能，允許至多3軸聯(lián)動(dòng)，同時(shí)對(duì)于恒速驅(qū)動(dòng)、插補(bǔ)或S曲線驅(qū)動(dòng)都有相同的操作方法。S曲線加/減速驅(qū)動(dòng)等4軸的性能相同。
2.1 速度控制
對(duì)于恒速驅(qū)動(dòng)、插補(bǔ)或S曲線加/減速驅(qū)動(dòng)，輸出脈沖的頻率范圍是1 p/s～4 Mp/s，而輸出脈沖頻率的精度(時(shí)鐘頻率為16 MHz)小于±0.1％。速度倍率為1~500。驅(qū)動(dòng)脈沖輸出的速度可以在不運(yùn)行時(shí)自由變化。
2.3 加/減速驅(qū)動(dòng)
MCX314As可以控制每根軸的恒速驅(qū)動(dòng)、插補(bǔ)的加/減速驅(qū)動(dòng)和S曲線加/減速驅(qū)動(dòng)。每個(gè)軸還可以被獨(dú)立地預(yù)置為S曲線或梯形加/減速。使用S曲線的加/減速命令可以使輸出脈沖按拋物線規(guī)律進(jìn)行加/減速。
2.4 插補(bǔ)功能
直線插補(bǔ)：4軸中的任意2軸或3軸都可以實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)位置邊界的坐標(biāo)介于-2 147，483 646～+2 147 483 646之間，同時(shí)直線插補(bǔ)的位置誤差為±0.5 LSB(最小插補(bǔ)單位)。
圓弧插補(bǔ)：任意2軸都能實(shí)現(xiàn)圓弧插補(bǔ)，其插補(bǔ)坐標(biāo)的范圍與直線插補(bǔ)相同，圓弧插補(bǔ)的位置誤差為±1.O LSB(最小插補(bǔ)單位)。
位模式插補(bǔ)：這種插補(bǔ)的數(shù)據(jù)由上位機(jī)CPU進(jìn)行計(jì)算，上位機(jī)將插補(bǔ)結(jié)果寫入MCX314As，然后，MCX314As在預(yù)置的驅(qū)動(dòng)速度下連續(xù)輸出插補(bǔ)脈沖。根據(jù)上位機(jī)CPU的處理能力，MCX314As可以對(duì)各種形狀的曲線進(jìn)行插補(bǔ)。
連續(xù)插補(bǔ)：MCX314As允許不同的插補(bǔ)方式連續(xù)使用，例如直線插補(bǔ)→圓弧插補(bǔ)→直線插補(bǔ)→………，不間斷的連續(xù)插補(bǔ)時(shí)允許的最大插補(bǔ)速度為2 Mp/s。
2.5 位置控制
每個(gè)軸都有一個(gè)32位的邏輯位置計(jì)數(shù)器和一個(gè)32位的實(shí)際位置計(jì)數(shù)器。邏輯位置計(jì)數(shù)器記錄輸出的位置脈沖。實(shí)際位置計(jì)數(shù)器記錄從外部編碼器或者線性比例尺輸入的反饋脈沖。
2.6 比較寄存器和軟件限位
每個(gè)軸都有2個(gè)32位比較寄存器，一個(gè)為邏輯位置計(jì)數(shù)器，另一個(gè)為實(shí)際位置計(jì)數(shù)器。比較結(jié)果可從狀態(tài)寄存器讀出，也可以通過中斷報(bào)出。這些寄存器也可以被用來實(shí)現(xiàn)軟件限位。
2.7 自動(dòng)搜索原位功能
MCX314As在不需要CPU干涉下可以完成自動(dòng)搜索原位的工作。這個(gè)過程包括高速原位搜索→低速原位搜索→編碼器Z相搜索→補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)。這種功能減少了CPU的負(fù)擔(dān)。
2.8 同步運(yùn)行
同步運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)一些特殊功能，例如在每個(gè)軸或2個(gè)軸或與該電路相連的外部器件產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)能使運(yùn)行同步開始或停止?？梢允褂?0種類型的激勵(lì)信號(hào)，其中包括特殊位置、軸運(yùn)動(dòng)時(shí)的開始/停止和輸入信號(hào)的脈沖上升沿/下降沿。4種運(yùn)行的響應(yīng)包括軸運(yùn)動(dòng)的開始/停止、保存位置的計(jì)算值和寫入軸運(yùn)行的速度等。
2.9 輸入信號(hào)過濾
MCX314As具有對(duì)每個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波的功能，并且可以設(shè)置輸入的信號(hào)是否進(jìn)行濾波還是直接進(jìn)入電路。濾波的時(shí)間常數(shù)可以選擇。
3 主要控制寄存器及指令系統(tǒng)
3.1 命令寄存器(WR0)
MCX314As中各軸的WR0寄存器用來進(jìn)行各軸設(shè)定和命令寄存，它包括軸設(shè)定的各位、命令字設(shè)定的各位以復(fù)位命令的各位。在向此寄存器寫入軸設(shè)定字和命令字后，它將立即執(zhí)行。某些命令在寫入WR0之前應(yīng)先寫入WR6和WR7。
3.2 模式寄存器1(WRl)
4軸都有各自的狀態(tài)寄存器1，寫哪個(gè)寄存器取決于NOP指令的指定或?qū)懬暗那闆r。WRl可以控制輸入信號(hào)IN3～I(xiàn)NO的使能，并用于設(shè)定減速狀態(tài)和比較結(jié)果寄存器。
3.3 模式寄存器2(WR2)
WR2設(shè)定外部限位開關(guān)輸入、反饋計(jì)數(shù)器脈沖類型及伺服驅(qū)動(dòng)的反饋信號(hào)。
3.4 模式寄存器3(WR3)
4個(gè)軸都有各自的WR3。讀哪個(gè)狀態(tài)寄存器取決于已被指定的軸或NOP指令指定的軸。WR3可用于操作手動(dòng)減速、單獨(dú)減速、S曲線加/減速、外部操作模式設(shè)定和通用輸出OUT7～OUT4的設(shè)定。
3.5 輸出寄存器(WR4)
該寄存器用于設(shè)定4軸的輸出信號(hào)nOUT3～nOUT0。它也可以被用作16位的通用輸出。若某位置O，將會(huì)輸出低電平；置1將會(huì)輸出高電平。
3.6 主狀態(tài)寄存器(RR0)
該寄存器用來顯示各軸驅(qū)動(dòng)和錯(cuò)誤的狀態(tài)。此外，它還顯示插補(bǔ)、連續(xù)插補(bǔ)的就緒信號(hào)、圓插補(bǔ)的象限和BP插補(bǔ)的棧計(jì)數(shù)。
3.7 狀態(tài)寄存器1(RRl、RR2、RR3)
每個(gè)軸都有狀態(tài)寄存器RRl、RR2和RR3。讀取哪個(gè)狀態(tài)寄存器，取決于寫入MCX314As的命令。命令10FH表示X軸，20FH表示Y軸，40FH表示z軸，80FH表示U軸。
3.8 輸入寄存器(RR4/RR5)
RR4和RR5為通用寄存器。如果寄存器的數(shù)據(jù)位為O，則輸出為低電平；若數(shù)據(jù)位為1，則輸出為高電平。
3.9 數(shù)據(jù)寄存器(RR6/RR7)
RR6和RR7是數(shù)據(jù)寄存器并對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)讀取命令。RR6存放低16位(D15～DO)，RR7存放高16位(D31～D16)。
3.10 寫數(shù)據(jù)命令
設(shè)置驅(qū)動(dòng)參數(shù)如加速度、驅(qū)動(dòng)速度、輸出脈沖數(shù)時(shí)，要用寫數(shù)據(jù)命令,以將這些參數(shù)/數(shù)據(jù)寫入MCX314As。如果同時(shí)指定多軸，可以對(duì)不同的軸同時(shí)寫入相同的數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)長度是2 B，只需把數(shù)據(jù)寫入WR6。如果數(shù)據(jù)長度大于2 B，則高16位寫入WR7，低16位寫入WR6。數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)寄存器后，向WR0寫入命令設(shè)定軸，然后執(zhí)行命令。
3.1l 讀取數(shù)據(jù)指令
數(shù)據(jù)讀取命令用來讀取各軸寄存器的值。當(dāng)向WR0寫入讀命令后,數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在RR6和RR7中,要讀取的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制的,負(fù)值為二進(jìn)制補(bǔ)碼形式。
3.12 驅(qū)動(dòng)命令
驅(qū)動(dòng)命令將控制MCX314As以不同的方式輸出驅(qū)動(dòng)脈沖。當(dāng)向WR0寫入命令代碼并指定控制軸后,該命令被立即執(zhí)行。可以同時(shí)用同一命令指定多軸。運(yùn)行時(shí)，每個(gè)軸的RR0的nDRV位將置為1，當(dāng)運(yùn)行結(jié)束時(shí)．nDRV位置0。
3.13 插補(bǔ)命令
插補(bǔ)命令由2軸或3軸直線插補(bǔ)、順時(shí)針/逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)、2軸或3軸位模式插補(bǔ)和其他有關(guān)命令組成。當(dāng)向WR0寫入插補(bǔ)命令時(shí),置WR0的D8~Dl位為O,因?yàn)閷?duì)插補(bǔ)命令沒有必要指定軸。
在執(zhí)行插補(bǔ)命令之前,必須先執(zhí)行以下2步：通過設(shè)置WR5的D5~DO位來指定要插補(bǔ)的軸；設(shè)定主軸的速度參數(shù)。
4 應(yīng)用電路
目前，占據(jù)國內(nèi)數(shù)控市場(chǎng)主要分額的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)多采用MCS~5l系列單片機(jī)或MCS~51系列兼容的單片機(jī),最高頻率為12 MHz～40 MHz,單周期指令執(zhí)行時(shí)間為250 ns~1 ms,限制了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，尤其是多軸高速聯(lián)動(dòng)、螺紋高速切割和高分辨率控制等功能受到限制。將MCX314As運(yùn)動(dòng)控制器和MCS-51系列單片機(jī)相結(jié)合構(gòu)建高性能經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng),可以解決傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)速度慢、功能少、開發(fā)難度大等問題，具有很好的發(fā)展前景。
張力控制廣泛應(yīng)用于各種卷殼及滾筒組成的加工生產(chǎn)線,如造紙廠、印刷廠、紡織漂染廠和食品廠等。這些生產(chǎn)線在處理紙張、薄片、絲、線、布等大尺寸材料的過程中必須有一定的張力。張力太小會(huì)導(dǎo)致褶皺和套印不準(zhǔn)等弊病；張力太大會(huì)無謂增加機(jī)器負(fù)荷并容易使材料斷裂;而張力不穩(wěn)定會(huì)使材料發(fā)生跳動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致套印不準(zhǔn)及重影等。為了保持產(chǎn)品的品質(zhì)、效率及可靠性，一套功能完備的張力控制系統(tǒng)是必需的。如圖2所示，凹版印刷機(jī)的張力控制裝置整體可以分為3部分;張力/速度檢測(cè)裝置、控制裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)器。其中，控制裝置是系統(tǒng)控制的核心，本設(shè)計(jì)使用MCX314As和89C52型單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的張力控制和速度調(diào)整。
4軸運(yùn)動(dòng)控制卡以MCX314As為核心，采用89C52型單片機(jī)作為主控制器，并采用PSD913F2型可編程外圍器件替代傳統(tǒng)的大部分外圍器件。MCX314As的時(shí)鐘頻率由外部決定，本系統(tǒng)采用了MCX314As默認(rèn)的16 MHz頻率作為時(shí)鐘信號(hào)。圖2中，PGl、PG2、PG3、PG4為光電編碼器。Ml、M2、M3、M4是步進(jìn)電機(jī)。
MCX314As的片選信號(hào)和低位地址AO~A3都由PSD913F2產(chǎn)生，數(shù)據(jù)線和讀/寫信號(hào)直接由89C52相應(yīng)的數(shù)據(jù)線和讀/寫信號(hào)控制，中斷信號(hào)觸發(fā)89C52的外部中斷端。MCX314As只有一個(gè)中斷信號(hào)端口，所有中斷源信號(hào)必須進(jìn)行“或運(yùn)算”后輸出到中斷信號(hào)端口。中斷源的使能和狀態(tài)通過MCX314As上的寫/讀寄存器進(jìn)行設(shè)置和判斷。
89C52、PSD913F2 和MCX314As能夠提供32個(gè)通用輸入端、32個(gè)通用輸出端、13個(gè)可編程通用輸入/輸出端。這些端口用于S、M、T功能和各種反饋輸入信號(hào)。
系統(tǒng)放卷和收卷電機(jī)控制脈沖由MCX314As產(chǎn)生，經(jīng)過差分輸出驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生差分驅(qū)動(dòng)輸出，既可以控制數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)器，也可以控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。外部反饋脈沖經(jīng)過差分輸入驅(qū)動(dòng)后輸入MCX314As，張力傳感器信號(hào)和速度信號(hào)也可以直接輸入MCX314As。通用輸入/輸出信號(hào)都要經(jīng)過光電隔離，直至驅(qū)動(dòng)后才能與MCX314As或PSD913F2相連。
5 結(jié)束語
張力控制系統(tǒng)是印刷包裝行業(yè)中的重要環(huán)節(jié)。將MCX314As型運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)用于凹版印刷機(jī)的張力控制系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使得更高級(jí)和更智能的控制策略得以運(yùn)用。但該系統(tǒng)的抗干擾能力還需要進(jìn)一步改進(jìn)。
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