MCX314As型四軸運(yùn)動(dòng)控制器的原理及應(yīng)用

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mcx314as是nova公司最新的推出的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(guò)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4mhz，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、完成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(xiě)入、圓弧插補(bǔ)終點(diǎn)指定、輸入up/down脈沖的計(jì)算出錯(cuò)等作了相應(yīng)的改善。

2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和主要功能

圖1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(guò)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。

2.2 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1p/s-4mp/s，而輸出脈沖頻率的精度(時(shí)鐘頻率為16mhz）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)立地位置為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-2147，483　646-+2　147 483 646之間，同時(shí)直線插補(bǔ)的位置誤差為±.05lsb（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±1.0lsb（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(xiě)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2mp/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)算器和一個(gè)32位的實(shí)際位置計(jì)算器，邏輯位置計(jì)算器記錄輸入的位置脈沖，實(shí)際位置計(jì)算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)際位置機(jī)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(guò)中斷報(bào)出，這些寄存器也可以被用來(lái)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)搜索為原位的工作，這個(gè)過(guò)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)生的激勵(lì)信號(hào)能使運(yùn)行同步開(kāi)始或停止，可以使用10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(kāi)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(kāi)始/停止、保存位置的計(jì)算值和寫(xiě)入軸運(yùn)行的速度等。

2.9　輸入信號(hào)過(guò)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(lái)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(xiě)入軸設(shè)定字和命令自后，它將立即執(zhí)行，某些命令在寫(xiě)入wr0之前應(yīng)先寫(xiě)入wr6和wr7。

3.2　模式寄存器（wr1）

4都有各自的狀態(tài)寄存器1，寫(xiě)哪個(gè)寄存器取決于nop指令的指定或?qū)懬暗那闆r，wr1可以控制輸入信號(hào)in3-in0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(kāi)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0，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(lái)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（rr1、rr2、rr3）

每個(gè)軸都有狀態(tài)寄存器rr1、rr2和rr3。讀取哪個(gè)狀態(tài)寄存器，取決于寫(xiě)入mcx314as的命令，命令10fh表示x軸，20fx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0，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-d0），rr7存放高16位（d31-d16）。

3.10 寫(xiě)數(shù)據(jù)命令

設(shè)置驅(qū)動(dòng)參數(shù)的如加速度、驅(qū)動(dòng)速度、輸出脈沖數(shù)時(shí)，要用寫(xiě)數(shù)據(jù)命令，以將這些參數(shù)/數(shù)據(jù)寫(xiě)入mcx314as，如果同時(shí)指定多軸，可以對(duì)不同的軸同時(shí)寫(xiě)入相同的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是2b，只需把數(shù)據(jù)寫(xiě)入wr6，如果數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于2b，則高16位寫(xiě)入wr7，低16位寫(xiě)入wr6。數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)寄存器后，向wr0寫(xiě)入命令設(shè)定軸，然后執(zhí)行命令。

3.11　讀取數(shù)據(jù)指令

數(shù)據(jù)讀寫(xiě)命令用來(lái)讀取各軸寄存器的值。當(dāng)向wr0寫(xiě)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(xiě)入命令代碼并制訂控制軸后，該命令被立即執(zhí)行?？梢酝瑫r(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(xiě)入插補(bǔ)命令時(shí)，置wr0的d8-d1位為0，因?yàn)閷?duì)插補(bǔ)命令沒(méi)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(guò)設(shè)置wr5的d5-d0位來(lái)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(guó)內(nèi)數(shù)控市場(chǎng)主要份額的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)多采用mcs-51系列單片機(jī)或mcs-51系列兼容的單片機(jī)，最高頻率為12mhz-40mhz，但周期指令執(zhí)行時(shí)間為250ns-1ms，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(kāi)發(fā)難度大等問(wèn)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(guò)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??；張力太大會(huì)無(wú)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。凹板印刷機(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89c51型單片機(jī)來(lái)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型可編程外圍器件來(lái)替代傳統(tǒng)的大部分外圍器件，mcx341as的時(shí)鐘頻率由外部決定，本系統(tǒng)采用了mcx314as默認(rèn)的16mhz頻率作為時(shí)鐘信號(hào)，圖2中，pg1、pg2、pg3、pg4為光電編碼器，m1、m2、 m3、m4是步進(jìn)電機(jī)。

mcx314as的片選信號(hào)和低位地址a0-a3都由psd913f2產(chǎn)生，數(shù)據(jù)線和讀/寫(xiě)信號(hào)直接由89c51相應(yīng)的數(shù)據(jù)線和讀/寫(xiě)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，所有中斷信號(hào)必須進(jìn)行“或運(yùn)算”或輸出到中斷信號(hào)端口。中斷源的使能和狀態(tài)通過(guò)mcx314as上的寫(xiě)/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(guò)差分輸出驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生差分驅(qū)動(dòng)輸出，即可以控制數(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(guò)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(guò)光電隔離，直至驅(qū)動(dòng)后才能與mcs314as或psd913f2相連。

5 結(jié)束語(yǔ)

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)。