PCL6143運(yùn)動(dòng)控制器的原理及應(yīng)用

1 引言

　　PCL6143是美國(guó)NPM公司設(shè)計(jì)的一款高性能、低成本的專用運(yùn)動(dòng)控制器。該器件具有智能化、高柔性等特點(diǎn)。用戶通過(guò)簡(jiǎn)單的內(nèi)部控制指令就能實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、梯形加減速和S曲線加減速等控制功能。PCL6143適用于高速數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、紡織包裝機(jī)械等運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，是開(kāi)發(fā)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備的良好選擇。

2 PCL6143功能結(jié)構(gòu)

　　PCL6143內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，PCL6143的主要功能如下：

　　CPU-I／F接口模式：PCL6143內(nèi)部集成有各種不同接口電路，允許與4種類型的CPU連接，分別是Z80、8086、H8和68000。通過(guò)設(shè)置IF0、IF1引腳，便于與CPU相連，實(shí)現(xiàn)8位或16位數(shù)據(jù)傳輸。

　　加減速驅(qū)動(dòng)：每個(gè)軸都能實(shí)現(xiàn)線性加減速驅(qū)動(dòng)和S曲線加減速驅(qū)動(dòng)。在S曲線加減速驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，可插入線性加減速控制。

　　插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)功能：4軸中的任何2軸、3軸或4軸都能實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)，其直線插補(bǔ)的位置精度為+LSB(最小插補(bǔ)單位)。

　　速度與位置控制功能：在單軸控制過(guò)程中，用戶可根據(jù)需要改變當(dāng)前被控軸速度；而在線性插補(bǔ)時(shí)，則不允許改變速度。當(dāng)實(shí)際位置超過(guò)指定位置時(shí)，電機(jī)將減速停止或立即停止，接著反方向進(jìn)給。 多個(gè)計(jì)數(shù)器與比較器電路：每個(gè)軸都有4個(gè)獨(dú)立的28位計(jì)數(shù)器和2個(gè)比較器電路。每個(gè)比較器可實(shí)現(xiàn)邏輯計(jì)數(shù)值與實(shí)際目標(biāo)值相比較。

　　同步啟動(dòng)／停止功能：多軸控制可采用一個(gè)PCL6143或多個(gè)PCL6143實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)相關(guān)指令控制多個(gè)軸同時(shí)啟停。

　　操作模式：具有連續(xù)、位模式、原點(diǎn)返回、線性插補(bǔ)等基本操作。通過(guò)設(shè)置操作模式寄存器(RMD)設(shè)定各個(gè)基本操作，實(shí)現(xiàn)位置、方向、速度等控制。

　　機(jī)械輸入信號(hào)：每個(gè)軸有4個(gè)機(jī)械輸入信號(hào)，即正負(fù)限位信號(hào)、減速信號(hào)和原點(diǎn)信號(hào)。這些信號(hào)可通過(guò)軟件和限位使能信號(hào)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)正負(fù)方向進(jìn)給軸的減速運(yùn)動(dòng)、減速停止運(yùn)動(dòng)以及原點(diǎn)返回。 伺服電機(jī)接口信號(hào)：伺服電機(jī)接口信號(hào)包括到位信號(hào)、計(jì)數(shù)器偏差清除信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。這些接口信號(hào)可由軟件編程設(shè)置，并通過(guò)伺服馬達(dá)控制位置狀態(tài)和清除計(jì)數(shù)器偏差值。當(dāng)報(bào)警信號(hào)有效時(shí)，各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸立即停止。

　　中斷產(chǎn)生功能：9種錯(cuò)誤發(fā)生中斷，14種事件發(fā)生中斷。通過(guò)中斷輸出信號(hào)控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和停止。當(dāng)外部錯(cuò)誤狀態(tài)發(fā)生時(shí)，中斷產(chǎn)生。通過(guò)設(shè)置中斷發(fā)生寄存器(RIRQ)，確定輸出事件是否中斷。

　　前瞻功能：在處理當(dāng)前數(shù)據(jù)時(shí)，下一操作數(shù)據(jù)被提前寫(xiě)入預(yù)置寄存器；在當(dāng)前操作結(jié)束時(shí)，預(yù)置寄存器中的數(shù)據(jù)立即被送往當(dāng)前寄存器。

3主要寄存器及相關(guān)系統(tǒng)指令

3.1主要寄存器

　　預(yù)置寄存器：指令在當(dāng)前執(zhí)行過(guò)程中，寄存器預(yù)先處理接下來(lái)的操作指令，PCL6143有11個(gè)預(yù)置寄存器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)位置、速度狀態(tài)、速度放大率、加減速率、減速啟動(dòng)、操作模式、主軸進(jìn)給脈沖數(shù)、S曲線加減速范圍等各種操作控制。

　　環(huán)境設(shè)置寄存器(RENV1、RENV2、RENV3)：PCL6143有3個(gè)環(huán)境設(shè)置寄存器。主要用于設(shè)置輸入／輸出端口、指定通用I／O端口、A／B編碼器、外部脈沖信號(hào)功能以及計(jì)數(shù)功能、鎖存功能和同步啟動(dòng)功能。

　　數(shù)據(jù)比較寄存器(RCMP1、RCMP2)：PCL6143有2個(gè)數(shù)據(jù)比較寄存器，用于設(shè)定比較值的大小，實(shí)現(xiàn)比較器1和比較器2的比較。設(shè)置范圍為：

　　-1 3421 7728～+1 3421 7 727。

　　中斷寄存器(RIRQ、REST、RIST)：中斷寄存器為事件中斷發(fā)生寄存器(RIRQ)、錯(cuò)誤中斷狀態(tài)寄存器(REST)和事件中斷狀態(tài)寄存器(RIST)。這些中斷寄存器是用于使能事件產(chǎn)生中斷、檢查錯(cuò)誤產(chǎn)生中斷和事件產(chǎn)生中斷。當(dāng)中斷產(chǎn)生時(shí)，寄存器的相應(yīng)位置為1。

　　自動(dòng)計(jì)算減速開(kāi)始寄存器(RSDC)：該寄存器用于檢查位置操作時(shí)自動(dòng)計(jì)算減速開(kāi)始位置值。

3.2操作指令

　　設(shè)置軸狀態(tài)控制寄存器(COMB1)實(shí)現(xiàn)各個(gè)軸的選取。向?qū)懣刂浦噶罴拇嫫?COMB0)寫(xiě)入實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)或停止PCL6143以及改變其輸出脈沖的速度。操作指令包含啟動(dòng)指令(直接啟動(dòng)指令、脈沖啟動(dòng)指令、同步啟動(dòng)指令)、速度變化指令以及停止指令(直接停止指令、同步停止指令、急停指令)。

3.3控制指令

　　PCL6143提供各種控制指令，實(shí)現(xiàn)PCL6143的軟件復(fù)位、計(jì)數(shù)器復(fù)位、計(jì)數(shù)器偏差清零輸出控制、寄存器預(yù)置控制、位置啟動(dòng)輸入、計(jì)數(shù)器鎖存輸入、寄存器控制、通用輸出端口控制及通用輸出位控制。

4應(yīng)用電路

4.1運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件設(shè)計(jì)

　　4軸運(yùn)動(dòng)控制卡是以PCL6143為核心，選用PC104總線作為運(yùn)動(dòng)控制卡與PC機(jī)之間的通訊方式。PCL6143的16位數(shù)據(jù)通過(guò)74LS245與PC104總線連接，這樣便于實(shí)現(xiàn)與各種PC104總線標(biāo)準(zhǔn)的主控制板連接。為提高系統(tǒng)的可靠性、集成化與柔性化，PC104總線的地址譯碼、數(shù)據(jù)指令的讀寫(xiě)、中斷信號(hào)以及復(fù)位信號(hào)都可利用CPLD可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)。PC機(jī)經(jīng)過(guò)地址譯碼選中PCL6143片選信號(hào)，通過(guò)讀寫(xiě)信號(hào)和數(shù)據(jù)總線，設(shè)置PCL6143內(nèi)部寄存器，以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)控制。4軸運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件框圖如圖2所示。

　　PCL6143控制每個(gè)軸的方向與脈沖輸出信號(hào)、通用I／O端口輸出信號(hào)、正負(fù)方向限位信號(hào)、減速停止信號(hào)、原點(diǎn)信號(hào)、伺服報(bào)警信號(hào)、編碼器輸入信號(hào)及外部手輪正負(fù)方向信號(hào)等。

　　PCL6143的方向脈沖輸出信號(hào)分為正負(fù)脈沖方式和脈沖方向方式，方向脈沖輸出信號(hào)經(jīng)高速光電耦合器進(jìn)行信號(hào)隔離，最后通過(guò)AM26LS31輸出差分信號(hào)來(lái)控制外部電機(jī)。通用I／O端口信號(hào)由內(nèi)部寄存器進(jìn)行輸人／輸出設(shè)置，作為輸出使能控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器誤差清除、報(bào)警復(fù)位等功能，或作為加減速、位置計(jì)數(shù)器和比較寄存器狀態(tài)設(shè)置。正負(fù)方向限位信號(hào)、減速停止信號(hào)、原點(diǎn)信號(hào)和伺服報(bào)警信號(hào)通過(guò)光電耦合器與內(nèi)部信號(hào)隔離，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)停止、系統(tǒng)原點(diǎn)確認(rèn)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)異常的控制。A／B相和Z相編碼器信號(hào)通過(guò)高速光電耦合器與內(nèi)部線路隔離；編碼器A／B相檢測(cè)電機(jī)的實(shí)際位置，并通過(guò)位置計(jì)數(shù)器增減計(jì)數(shù)；在原點(diǎn)返回操作模式中，Z相編碼器信號(hào)用于輸入一個(gè)標(biāo)志信號(hào)，該信號(hào)還能改善原點(diǎn)返回操作精度。外部手輪正負(fù)方向信號(hào)通過(guò)光電耦合器與內(nèi)部電路隔離，該信號(hào)還可通過(guò)手動(dòng)脈沖或外部開(kāi)關(guān)信號(hào)產(chǎn)生外部脈沖信號(hào)。急停輸入信號(hào)通過(guò)光電耦合器與內(nèi)部電路隔離，有效時(shí)，各個(gè)軸立即停止工作。

4.2功能函數(shù)庫(kù)的編寫(xiě)

　　PCL6143具有靈活強(qiáng)大的控制模塊，按照一定的序列操作內(nèi)部寄存器，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制功能。為方便用戶二次開(kāi)發(fā)，需將一系列內(nèi)部寄存器的操作序列封裝成各個(gè)函數(shù)，這些函數(shù)就構(gòu)成了運(yùn)動(dòng)控制卡的功能函數(shù)庫(kù)。用戶通過(guò)調(diào)用功能函數(shù)庫(kù)中相應(yīng)的函數(shù)就可對(duì)PCL6143內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

　　功能函數(shù)庫(kù)編寫(xiě)好后，用Visual C++編程工具編寫(xiě)上層應(yīng)用軟件，與功能函數(shù)庫(kù)鏈接，開(kāi)發(fā)獨(dú)立的控制系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制卡的操作流程如圖3所示。

　　由此可見(jiàn)，功能函數(shù)庫(kù)在控制系統(tǒng)中非常重要。作者采用C語(yǔ)言編寫(xiě)4軸運(yùn)動(dòng)控制卡的功能函數(shù)庫(kù)，按功能可分為：

　　初始化函數(shù)：定義PCL6143輸入／輸出引腳、相關(guān)寄存器地址、常用變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)置控制軸數(shù)和操作模式。

　　運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)函數(shù)：包含獨(dú)立運(yùn)動(dòng)函數(shù)和插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)函數(shù)。獨(dú)立運(yùn)動(dòng)函數(shù)用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)獨(dú)立軸的連續(xù)控制、越限控制和回原點(diǎn)等操作；插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)函數(shù)用于實(shí)現(xiàn)4軸中的任意2軸、3軸或4軸的直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)；

　　I／O端口操作函數(shù)：包含輸入信號(hào)的輸入函數(shù)、輸出信號(hào)的輸出函數(shù)以及反饋位置信號(hào)的輸入函數(shù)，用以獲取邏輯位置、輸入／輸出點(diǎn)狀態(tài)的控制。 加／減速控制函數(shù)：包括線性加減速函數(shù)和S曲線加減速函數(shù)。

　　中斷信號(hào)驅(qū)動(dòng)函數(shù)：管理內(nèi)部中斷寄存器以及控制外部異常情況。

　　其他輔助函數(shù)：包括位置、狀態(tài)的查詢與設(shè)置等相關(guān)函數(shù)。

　　需要注意的是，不同的操作模式和運(yùn)動(dòng)控制，其寄存器的讀寫(xiě)參數(shù)也不相同，具體操作步驟也有相應(yīng)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　詳細(xì)介紹了PCL6143的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、主要寄存器以及相關(guān)指令系統(tǒng)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)一款4軸運(yùn)動(dòng)控制卡，并給出了相關(guān)運(yùn)動(dòng)庫(kù)函數(shù)，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)推廣前景。