MCX314As型四軸運動控制器的原理及應(yīng)用
關(guān)鍵詞：運動控制；MCX314As；單片機；張力控制
1 引言
MCX系列運動控制器是日本NOVA公司設(shè)計的專用電路，其中的MCX314As是NOVA公司最新推出的4軸運動控制器，是對MCX314功能的改進和增強。
MCX314As以單個電路同時控制4個伺服系統(tǒng)或步進電機系統(tǒng)，可進行各軸獨立的定位控制、速度控制，亦可在任意2軸或3軸中進行圓弧、直線、位模式插補。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)等寄存器實現(xiàn)4軸3聯(lián)動的位置、速度、加速度等的運動控制和實時監(jiān)控，實現(xiàn)圓弧、直線、位模式3種模式的軌跡插補，輸出脈沖頻率達到4 MHz。每軸都有伺服反饋輸入端、4個輸入點和8個輸出點，能獨立地設(shè)置為恒速、線性、非對稱S曲線加/減控制、非對稱梯形加/減速控制方式，并有2個32位的邏輯、實際位置計數(shù)器和狀態(tài)比較寄存器，實現(xiàn)位置的閉環(huán)控制。另外，較MCX314增加了自動搜尋原位、輸入信號濾波器、同步動作、輸出脈沖32位、圓弧/直線插補脈沖范圍32位、完全S曲線加/減速的非對稱、手動設(shè)定模式、位置計算器的可變環(huán)形、Z相輸入的實位計數(shù)器的清除、實位計算器的增減反轉(zhuǎn)等功能。同時，MCX314As對連續(xù)插補最終寫入、圓弧插補終點指定、輸入UP/DOWN脈沖的計算出錯等做了相應(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計數(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)動控制電機運動。4軸運動控制器中的4個軸都具有相同的功能，允許至多3軸聯(lián)動，同時對于恒速驅(qū)動、插補或S曲線驅(qū)動都有相同的操作方法。S曲線加/減速驅(qū)動等4軸的性能相同。
2.1 速度控制
對于恒速驅(qū)動、插補或S曲線加/減速驅(qū)動，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(時鐘頻率為16 MHz)小于±0.1％。速度倍率為1~500。驅(qū)動脈沖輸出的速度可以在不運行時自由變化。
2.3 加/減速驅(qū)動
MCX314As可以控制每根軸的恒速驅(qū)動、插補的加/減速驅(qū)動和S曲線加/減速驅(qū)動。每個軸還可以被獨立地預(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)律進行加/減速。
2.4 插補功能
直線插補：4軸中的任意2軸或3軸都可以實現(xiàn)直線插補運動。運動位置邊界的坐標介于-2 147，483 646～+2 147 483 646之間，同時直線插補的位置誤差為±0.5 LSB(最小插補單位)。
圓弧插補：任意2軸都能實現(xiàn)圓弧插補，其插補坐標的范圍與直線插補相同，圓弧插補的位置誤差為±1.O LSB(最小插補單位)。
位模式插補：這種插補的數(shù)據(jù)由上位機CPU進行計算，上位機將插補結(jié)果寫入MCX314As，然后，MCX314As在預(yù)置的驅(qū)動速度下連續(xù)輸出插補脈沖。根據(jù)上位機CPU的處理能力，MCX314As可以對各種形狀的曲線進行插補。
連續(xù)插補：MCX314As允許不同的插補方式連續(xù)使用，例如直線插補→圓弧插補→直線插補→………，不間斷的連續(xù)插補時允許的最大插補速度為2 Mp/s。
2.5 位置控制
每個軸都有一個32位的邏輯位置計數(shù)器和一個32位的實際位置計數(shù)器。邏輯位置計數(shù)器記錄輸出的位置脈沖。實際位置計數(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
每個軸都有2個32位比較寄存器，一個為邏輯位置計數(shù)器，另一個為實際位置計數(shù)器。比較結(jié)果可從狀態(tài)寄存器讀出，也可以通過中斷報出。這些寄存器也可以被用來實現(xiàn)軟件限位。
2.7 自動搜索原位功能
MCX314As在不需要CPU干涉下可以完成自動搜索原位的工作。這個過程包括高速原位搜索→低速原位搜索→編碼器Z相搜索→補償驅(qū)動。這種功能減少了CPU的負擔。
2.8 同步運行
同步運行可實現(xiàn)一些特殊功能，例如在每個軸或2個軸或與該電路相連的外部器件產(chǎn)生激勵信號能使運行同步開始或停止。可以使用10種類型的激勵信號，其中包括特殊位置、軸運動時的開始/停止和輸入信號的脈沖上升沿/下降沿。4種運行的響應(yīng)包括軸運動的開始/停止、保存位置的計算值和寫入軸運行的速度等。
2.9 輸入信號過濾
MCX314As具有對每個輸入信號進行濾波的功能，并且可以設(shè)置輸入的信號是否進行濾波還是直接進入電路。濾波的時間常數(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IN3～INO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、反饋計數(shù)器脈沖類型及伺服驅(qū)動的反饋信號。
3.4 模式寄存器3(WR3)
4個軸都有各自的WR3。讀哪個狀態(tài)寄存器取決于已被指定的軸或NOP指令指定的軸。WR3可用于操作手動減速、單獨減速、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nOUT3～nOUT0。它也可以被用作16位的通用輸出。若某位置O，將會輸出低電平；置1將會輸出高電平。
3.6 主狀態(tài)寄存器(RR0)
該寄存器用來顯示各軸驅(qū)動和錯誤的狀態(tài)。此外，它還顯示插補、連續(xù)插補的就緒信號、圓插補的象限和BP插補的棧計數(shù)。
3.7 狀態(tài)寄存器1(RRl、RR2、RR3)
每個軸都有狀態(tài)寄存器RRl、RR2和RR3。讀取哪個狀態(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)動參數(shù)如加速度、驅(qū)動速度、輸出脈沖數(shù)時，要用寫數(shù)據(jù)命令,以將這些參數(shù)/數(shù)據(jù)寫入MCX314As。如果同時指定多軸，可以對不同的軸同時寫入相同的數(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)是二進制的,負值為二進制補碼形式。
3.12 驅(qū)動命令
驅(qū)動命令將控制MCX314As以不同的方式輸出驅(qū)動脈沖。當向WR0寫入命令代碼并指定控制軸后,該命令被立即執(zhí)行?？梢酝瑫r用同一命令指定多軸。運行時，每個軸的RR0的nDRV位將置為1，當運行結(jié)束時．nDRV位置0。
3.13 插補命令
插補命令由2軸或3軸直線插補、順時針/逆時針圓弧插補、2軸或3軸位模式插補和其他有關(guān)命令組成。當向WR0寫入插補命令時,置WR0的D8~Dl位為O,因為對插補命令沒有必要指定軸。
在執(zhí)行插補命令之前,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)控市場主要分額的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)多采用MCS~5l系列單片機或MCS~51系列兼容的單片機,最高頻率為12 MHz～40 MHz,單周期指令執(zhí)行時間為250 ns~1 ms,限制了經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的進一步發(fā)展，尤其是多軸高速聯(lián)動、螺紋高速切割和高分辨率控制等功能受到限制。將MCX314As運動控制器和MCS-51系列單片機相結(jié)合構(gòu)建高性能經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng),可以解決傳統(tǒng)經(jīng)濟型數(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。張力太小會導致褶皺和套印不準等弊??；張力太大會無謂增加機器負荷并容易使材料斷裂;而張力不穩(wěn)定會使材料發(fā)生跳動也會導致套印不準及重影等。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，凹版印刷機的張力控制裝置整體可以分為3部分;張力/速度檢測裝置、控制裝置、執(zhí)行機構(gòu)及驅(qū)動器。其中，控制裝置是系統(tǒng)控制的核心，本設(shè)計使用MCX314As和89C52型單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)的張力控制和速度調(diào)整。
4軸運動控制卡以MCX314As為核心，采用89C52型單片機作為主控制器，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的時鐘頻率由外部決定，本系統(tǒng)采用了MCX314As默認的16 MHz頻率作為時鐘信號。圖2中，PGl、PG2、PG3、PG4為光電編碼器。Ml、M2、M3、M4是步進電機。
MCX314As的片選信號和低位地址AO~A3都由PSD913F2產(chǎn)生，數(shù)據(jù)線和讀/寫信號直接由89C52相應(yīng)的數(shù)據(jù)線和讀/寫信號控制，中斷信號觸發(fā)89C52的外部中斷端。MCX314As只有一個中斷信號端口，所有中斷源信號必須進行“或運算”后輸出到中斷信號端口。中斷源的使能和狀態(tài)通過MCX314As上的寫/讀寄存器進行設(shè)置和判斷。
89C52、PSD913F2 和MCX314As能夠提供32個通用輸入端、32個通用輸出端、13個可編程通用輸入/輸出端。這些端口用于S、M、T功能和各種反饋輸入信號。
系統(tǒng)放卷和收卷電機控制脈沖由MCX314As產(chǎn)生，經(jīng)過差分輸出驅(qū)動器產(chǎn)生差分驅(qū)動輸出，既可以控制數(shù)字式交流伺服驅(qū)動器，也可以控制步進電機驅(qū)動器和直流電機驅(qū)動器。外部反饋脈沖經(jīng)過差分輸入驅(qū)動后輸入MCX314As，張力傳感器信號和速度信號也可以直接輸入MCX314As。通用輸入/輸出信號都要經(jīng)過光電隔離，直至驅(qū)動后才能與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型運動控制器應(yīng)用于凹版印刷機的張力控制系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使得更高級和更智能的控制策略得以運用。但該系統(tǒng)的抗干擾能力還需要進一步改進。
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