MCX314As型四軸運動控制器原理及應(yīng)用

　　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MCX314As是NOVA公司最新的推出的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4MHz，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、完成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。

　　2.2 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1p/s-4mp/s，而輸出脈沖頻率的精度(時鐘頻率為16MHz)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(biāo)介于-2147，483　646-+2　147 483

　　646之間，同時直線插補的位置誤差為±.05LSB(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(biāo)的范圍與直線插補相同，圓弧插補的位置誤差為±1.0LSB(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2Mp/s。

　　2.5　位置控制

　　每個軸都有一個32位的邏輯位置計算器和一個32位的實際位置計算器，邏輯位置計算器記錄輸入的位置脈沖，實際位置計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，另一個為實際位置機計數(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為原位的工作，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(fù)擔(dān)。

　　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)生的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(fù)位命令的各位。在向此寄存器寫入軸設(shè)定字和命令自后，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(WR1)

　　4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，WR1可以控制輸入信號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0，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(RR1、RR2、RR3)

　　每個軸都有狀態(tài)寄存器RR1、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，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 寫數(shù)據(jù)命令

　　設(shè)置驅(qū)動參數(shù)的如加速度、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2B，只需把數(shù)據(jù)寫入WR6，如果數(shù)據(jù)長度大于2B，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。

　　3.11　讀取數(shù)據(jù)指令

　　數(shù)據(jù)讀寫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)是二進制的，負(fù)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(dāng)向WR0寫入命令代碼并制訂控制軸后，該命令被立即執(zhí)行。可以同時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(dāng)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(dāng)向WR0寫入插補命令時，置WR0的D8-D1位為0，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-D0位來指定要插補的軸;設(shè)定主軸的速度參數(shù)。