MCX314As型四軸運動控制器的原理及應用

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的負擔。

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。當向wr0寫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)。

4 應用電路

目前，占據(jù)國內(nèi)數(shù)控市場主要份額的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)多采用mcs-51系列單片機或mcs-51系列兼容的單片機，最高頻率為12mhz-40mhz，但周期指令執(zhí)行時間為250ns-1ms，限制了經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的進一步發(fā)展，尤其是多軸高速聯(lián)動、螺紋高速切割和高分辨率控制等功能受到限制，將mcx314as運動控制器和mcs-51系列單片機相結(jié)合構(gòu)建高性能經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，可以解決傳統(tǒng)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)速度慢、功能少、開發(fā)難度大等問題，具有很好的發(fā)展前景。

張力控制廣泛應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程中必須有一定的張力，張力太小會導致褶皺和套印不準等弊病；張力太大會無謂增加機器負荷并容易使材料斷裂，而張力不穩(wěn)定會使材料發(fā)生跳動也會導致套印不準及重影等，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。凹板印刷機的張力控制裝置整體可以分為3部分：張力/速度檢測裝置、控制裝置、執(zhí)行機構(gòu)及驅(qū)動器，其中，控制裝置是系統(tǒng)控制的核心，本設(shè)計使用mcx314as和89c51型單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)的張力控制和速度調(diào)整。

4軸運動控制卡以mcx314as為核心，采用89c52型單片機作為主控制器，并采用psd913f2型可編程外圍器件來替代傳統(tǒng)的大部分外圍器件，mcx341as的時鐘頻率由外部決定，本系統(tǒng)采用了mcx314as默認的16mhz頻率作為時鐘信號，圖2中，pg1、pg2、pg3、pg4為光電編碼器，m1、m2、 m3、m4是步進電機。

mcx314as的片選信號和低位地址a0-a3都由psd913f2產(chǎn)生，數(shù)據(jù)線和讀/寫信號直接由89c51相應的數(shù)據(jù)線和讀/寫信號控制，中斷信號觸發(fā)89c52的外部中斷端。mcx314as只有一個中斷信號端口，所有中斷信號必須進行“或運算”或輸出到中斷信號端口。中斷源的使能和狀態(tài)通過mcx314as上的寫/讀寄存器進行設(shè)置和判斷。

89c52、psd913f2和mcx314as能夠提供32個通用輸入端、32個通用輸出端、13個可編程通用輸入/輸出端。這些端口用于s、m、t功能和各種反饋輸入信號。

系統(tǒng)放卷和收卷電機控制脈沖由mcx314as產(chǎn)生，經(jīng)過差分輸出驅(qū)動器產(chǎn)生差分驅(qū)動輸出，即可以控制數(shù)字式交流伺服驅(qū)動器，也可以控制步進電機驅(qū)動器和直流電機驅(qū)動器，外部反饋脈沖經(jīng)過差分輸入驅(qū)動后輸入mcx314as，張力傳感器信號和速度信號也可以直接輸入mcx314as，通用輸入/輸出信號都要經(jīng)過光電隔離，直至驅(qū)動后才能與mcs314as或psd913f2相連。

5 結(jié)束語

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型運動控制器應用于凹版印刷機的張力控制系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使得更高級和更智能的控制策略得以運用，但該系統(tǒng)的抗干擾能力還需要進一步改進。