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

　　1 引言

　　MCX系列運(yùn)動(dòng)控制器是日本NOVA公司設(shè)計(jì)的專(zhuān)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(chēng)S曲線加/減控制、非對(duì)稱(chēng)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(chēng)、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U(xiǎn)P/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(lèi)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(lèi)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)。