基于MCX314芯片的多軸運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)

摘    要：本文主要介紹了基于MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片搭建的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)。重點(diǎn)描述了芯片的寄存器及其命令方式，并闡述了系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的位置、速度、加速度等各種控制方式和直線、圓弧、位模式的插補(bǔ)方式，并給出了一個(gè)位模式插補(bǔ)方式實(shí)現(xiàn)的全過程。
關(guān)鍵詞：數(shù)字脈沖接口；MCX314；硬件插補(bǔ)；位模式

引言
目前，運(yùn)動(dòng)控制主要通過單片機(jī)或者計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，這種方法的軟、硬件研制周期長(zhǎng)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能和可靠性。本文介紹的數(shù)控系統(tǒng)采用的是硬件插補(bǔ)，縮短了軟件設(shè)計(jì)周期。另外，原有的插補(bǔ)是根據(jù)給定的數(shù)學(xué)函數(shù)，在理想的軌跡或輪廓上的已知點(diǎn)之間確定中間點(diǎn)的一種方法，很難得到復(fù)雜的曲線方程，而MCX314中的位模式插補(bǔ)功能就能很好地解決這個(gè)問題。本文介紹的算法可以將復(fù)雜曲線用一種特殊格式的文件來表示，用位模式實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)。
圖1為基于ＭCX314芯片的４軸數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，系統(tǒng)的軟件平臺(tái)建立在它之上。此硬件平臺(tái)通過ISA總線接口實(shí)現(xiàn)對(duì)4個(gè)軸運(yùn)動(dòng)的控制，可提供4通道全數(shù)字伺服接口和1通道12位的模擬輸出(用于主軸控制), 其中每個(gè)軸都可以獨(dú)立設(shè)定位置或者控制速度,另外還提供了64輸入/48輸出光電隔離接口。它的軸控制器包括脈沖輸出接口、編碼器輸入接口和外部信號(hào)輸入接口。脈沖輸出接口直接與步進(jìn)或數(shù)字伺服電機(jī)連接，控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)；編碼器輸入接口接收來自電機(jī)上編碼器的反饋數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

使用MCX314的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)
基于MCX314芯片的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)是一款全數(shù)字平臺(tái)，因?yàn)樗耆袆e于以前的數(shù)控系統(tǒng)，以前的數(shù)控系統(tǒng)采用的是模擬信號(hào)輸出，在系統(tǒng)內(nèi)部，CPU以數(shù)字形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，然后通過D/A轉(zhuǎn)換輸出模擬信號(hào)控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，由輸出的模擬信號(hào)的電平高低來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢。它采用的是脈沖形式輸出，在整個(gè)處理與輸出的過程中都采用數(shù)字信號(hào)，由輸出脈沖的頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢，由輸出脈沖的多少來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)多少。如圖1所示，4軸控制器與電機(jī)之間交換的是數(shù)字信號(hào)，脈沖輸出和編碼器反饋都是高低電平形式，使用數(shù)字信號(hào)大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。
平臺(tái)具有這樣的優(yōu)勢(shì)是與MCX314芯片的特點(diǎn)分不開的。MCX314四軸運(yùn)動(dòng)控制芯片是基于DSP的運(yùn)動(dòng)控制專用芯片，接口簡(jiǎn)單、編程方便，在數(shù)控機(jī)床、雕刻機(jī)、工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并正在向新的應(yīng)用領(lǐng)域拓展。MCX314芯片能與8位或者16位總線接口，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)，實(shí)現(xiàn)位置、速度、加速度的運(yùn)動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控，該芯片具有3種模式插補(bǔ)功能，輸出脈沖頻率最高可達(dá)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、線性或者S曲線加/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。
平臺(tái)有兩項(xiàng)功能是最能體現(xiàn)它的靈活性和易操作性的，即它的硬件插補(bǔ)功能和位模式插補(bǔ)功能。所謂硬件插補(bǔ)，即不用編寫復(fù)雜的插補(bǔ)程序，只需要設(shè)定一些參數(shù)和發(fā)出差補(bǔ)命令即可完成插補(bǔ)任務(wù)。

硬件插補(bǔ)功能
在硬件插補(bǔ)當(dāng)中，不用考慮插補(bǔ)算法，只要給出參數(shù)以及插補(bǔ)命令，整個(gè)過程就能由芯片自動(dòng)控制，不需要軟件的任何干預(yù)。圖2是硬件插補(bǔ)的應(yīng)用流程。
本系統(tǒng)可以在4個(gè)軸中任意挑選出2個(gè)或者3個(gè)軸進(jìn)行 直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)和位模式插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)，所以在進(jìn)行插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)前應(yīng)指定插補(bǔ)軸。

位模式插補(bǔ)功能
位模式插補(bǔ)是把CPU計(jì)算的插補(bǔ)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的方式接收后，以指定的驅(qū)動(dòng)速度連續(xù)輸出插補(bǔ)脈沖。簡(jiǎn)單地說，位模式插補(bǔ)就是根據(jù)+/-方向驅(qū)動(dòng)脈沖的高低電平狀態(tài)來進(jìn)行插補(bǔ)，每一位對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖，隨即驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)一步，如果馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈需要2048個(gè)脈沖，那么一個(gè)脈沖可使馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)1/2048周。利用位模式差補(bǔ)方式可以加工出任意復(fù)雜形狀的曲線。
圖3為位模式插補(bǔ)的整個(gè)流程圖，直觀地介紹了位模式插補(bǔ)的整個(gè)過程，包括各個(gè)寄存器使用的時(shí)機(jī)，各種命令如何搭配使用來完成位模式插補(bǔ)的全過程。
算法實(shí)現(xiàn)
本文介紹的這個(gè)算法是將插補(bǔ)數(shù)據(jù)以一種特殊的格式放入一個(gè)文件中，算法根據(jù)數(shù)據(jù)的格式讀取插補(bǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)，插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)的過程如圖3所示，在后面的流程中不作詳解。插補(bǔ)數(shù)據(jù)根據(jù)二維/三維曲線的具體形狀而形成。
1. 舉例構(gòu)建位模式插補(bǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)文件如下：
Bitpattern.bp(文件名)文件數(shù)據(jù)如下：
BITPATTERN
AXIS 3   ——插補(bǔ)軸的指定
B        ——數(shù)據(jù)有效，可以讀取
0000 2bff ffd4 0000① ——插補(bǔ)數(shù)據(jù)
B
f6fe 0000 000f 3fc0
B
1fdb 0000 00ff fc00
B
4000 7ff5 0000 0aff
E  ——后面無數(shù)據(jù)，文件結(jié)束
2. 位模式插補(bǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)文件的格式介紹：
?BITPATTERN：表示此文件的格式為位模式數(shù)據(jù)文件。
?AXIS：表示插補(bǔ)軸。
?3：十六進(jìn)制數(shù)(二進(jìn)制0011)，表示插補(bǔ)軸的設(shè)定，同時(shí)表示２軸位模式插補(bǔ)，第一軸X和第二軸Y，全部參數(shù)設(shè)定參見表1。
當(dāng)程序從位模式數(shù)據(jù)文件中讀到此數(shù)值時(shí)，則根據(jù)表1中的規(guī)定執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù)子程序。
B：表示下面有一行有效的位模式插補(bǔ)數(shù)據(jù)，可以讀取。
E：表示下面無數(shù)據(jù)，位模式插補(bǔ)數(shù)據(jù)結(jié)束，位模式數(shù)據(jù)文件結(jié)束。
其中的每行數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制數(shù)，表示插補(bǔ)數(shù)據(jù)，以①為例，“0000 2bff ffd4 0000”表示的分別是AX1軸正、負(fù)方向，AX2軸正、負(fù)方向的低16位數(shù)據(jù)。

結(jié)語
本文介紹的系統(tǒng)采用數(shù)字脈沖接口，處理的是數(shù)字信號(hào)，這在很大程度上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性，而且采用的是硬件插補(bǔ)方式，系統(tǒng)性能提高了，閉環(huán)處理的速度加快了，從而大大降低了數(shù)控軟件的編寫難度，縮短了開發(fā)周期。位模式插補(bǔ)方式解決了復(fù)雜曲線用公式難以描述的問題，文中介紹的算法巧妙地將復(fù)雜曲線轉(zhuǎn)換成一種格式文件，充分發(fā)揮出位模式插補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)?！?/P>

參考文獻(xiàn)
1.The Data Book of MCX314, NOVA
2.葉佩青，汪勁松. MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片與數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002，11
3.畢承恩，丁乃建. 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)(上、下). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1991