MCX314As型四軸運動(dòng)控制器工作原理及應用

MCX系列運動(dòng)控制器是日本NOVA公司設計的專(zhuān)用電路，其中MCX314As是NOVA公司最新的推出的4軸運動(dòng)控制器，是對MCX314功能的改進(jìn)和增強。

　　MCX314As以單個(gè)電路同時(shí)控制4個(gè)伺服系統或步進(jìn)電機系統，可進(jìn)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(jìn)行圓弧、直線(xiàn)、位模式插補。MCX314As能與8/16位數據總線(xiàn)接口，通過(guò)命令、數據和狀態(tài)等寄存器實(shí)現4軸3聯(lián)動(dòng)的位置、速度、加速度等的運動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監控、實(shí)現圓弧、直線(xiàn)、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(gè)輸入點(diǎn)和8個(gè)輸出點(diǎn)，能獨立地設置為恒速、線(xiàn)性、非對稱(chēng)S曲線(xiàn)加/減控制、非對稱(chēng)梯形加/減速控制方式，并有2個(gè)32位的邏輯、實(shí)際位置計數器和狀態(tài)比較寄存器，實(shí)現位置的閉環(huán)控制，另外，較MCX314增加了自動(dòng)搜尋原位、輸入信號濾波器、同步動(dòng)作、輸出脈沖32位，圓弧/直線(xiàn)插補脈沖范圍32位、完成S曲線(xiàn)加/減速的非對稱(chēng)、手動(dòng)設定模式、位置計算器的可變環(huán)形、Z相輸入的實(shí)位計數器的清除、實(shí)位計算器的增減反轉等功能，同時(shí)，MCX314As對連續插補最終寫(xiě)入、圓弧插補終點(diǎn)指定、輸入UP/DOWN脈沖的計算出錯等作了相應的改善。

　　2 內部結構和主要功能

　　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)脈沖序列驅動(dòng)控制電機運動(dòng)，4軸運動(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)對于恒速驅動(dòng)、插補或S曲線(xiàn)驅動(dòng)都有相同的操作方法，S曲線(xiàn)加/減速驅動(dòng)等4軸的性能相同。

　　2.2 速度控制

　　對于恒速驅動(dòng)、插補或S曲線(xiàn)加/減速驅動(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，驅動(dòng)脈沖輸出的速度可以在不運行時(shí)自由變化。

　　2.3　加/減速驅動(dòng)

　　MCX314As可以控制每根軸的恒速驅動(dòng)、插補的加/減速驅動(dòng)和S曲線(xiàn)加/減速驅動(dòng)。每個(gè)軸還可以被獨立地位置為S曲線(xiàn)或梯形加/減速，使用S曲線(xiàn)的加/減速命令可以使輸出脈沖按拋物線(xiàn)規律進(jìn)行加/減速。

　　2.4　插補功能

　　直線(xiàn)插補：4軸中的任意2軸或3軸都可以實(shí)現直線(xiàn)插補運動(dòng)，運動(dòng)位置邊界的坐標介于-2147，483　646-+2　147 483

　　646之間，同時(shí)直線(xiàn)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(shí)現圓弧插補，其插補坐標的范圍與直線(xiàn)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：這種插補的數據由上位機CPU進(jìn)行計算，上位機將插補結果寫(xiě)入MCX314As，然后，MCX314As在預置的驅動(dòng)速度下連續輸出插補脈沖，根據上位機CPU的處理能力，MCX314As可以對各種形狀的曲線(xiàn)進(jìn)行插補。

　　連續插補：MCX314As允許不同的插補方式連續使用，例如直線(xiàn)插補→圓弧插補→直線(xiàn)插補→……，不間斷的連續插補時(shí)允許的最大插補速度為2Mp/s。

　　2.5　位置控制

　　每個(gè)軸都有一個(gè)32位的邏輯位置計算器和一個(gè)32位的實(shí)際位置計算器，邏輯位置計算器記錄輸入的位置脈沖，實(shí)際位置計算器記錄從外部編碼器或者線(xiàn)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)為邏輯位置計數器，另一個(gè)為實(shí)際位置機計數器。比較結果可從狀態(tài)寄存器讀出，也可以通過(guò)中斷報出，這些寄存器也可以被用來(lái)實(shí)現軟件限位。

　　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→補償驅動(dòng)。這種功能減少了CPU的負擔。

　　2.8　同步運行

　　同步運行可實(shí)現一些特殊功能，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)生的激勵信號能使運行同步開(kāi)始或停止，可以使用10種類(lèi)型的激勵信號，其中包括特殊位置、軸運動(dòng)時(shí)的開(kāi)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(dòng)的開(kāi)始/停止、保存位置的計算值和寫(xiě)入軸運行的速度等。

　　2.9　輸入信號過(guò)濾

　　MCX314As具有對每個(gè)輸入信號進(jìn)行濾波的功能，并且可以設置輸入的信號是否進(jìn)行濾波還是直接進(jìn)入電路，濾波的時(shí)間常數可以選擇。

　　3　主要控制寄存器及指令系統

　　3.1　命令寄存器(WR0)

　　MCX314As中各軸的WR0寄存器用來(lái)進(jìn)行各軸設定和命令寄存，它包括軸設定的各位、命令字設定的各位以復位命令的各位。在向此寄存器寫(xiě)入軸設定字和命令自后，它將立即執行，某些命令在寫(xiě)入WR0之前應先寫(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指令的指定或寫(xiě)前的情況，WR1可以控制輸入信號IN3-IN0的使能，并用于設定減速狀態(tài)和比較結果寄存器。

　　3.3 模式寄存器2(WR2)

　　WR2設定外部限位開(kāi)關(guān)輸入、反饋計數器脈沖類(lèi)型及伺服驅動(dòng)的反饋信號。

　　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、單獨減速、S曲線(xiàn)加/減速、外部操作模式設定和通用輸出OUT7-OUT4的設定。

　　3.5 輸出寄存器(WR4)

　　該寄存器用于設定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(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)顯示各軸驅動(dòng)和錯誤的狀態(tài)，此外，它還顯示插補、連續插補的就緒信號、圓插補的象限和BP插補的棧計數。

　　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，如果寄存器的數據位為0，則輸出為低電平，若數據位為1，則輸出為高電平。

　　3.9 數據寄存器(RR6/RR7)

　　RR6和RR7是數據寄存器并對相應的數據讀取命令。RR6存放低16位(D15-D0)，RR7存放高16位(D31-D16)。

　　3.10 寫(xiě)數據命令

　　設置驅動(dòng)參數的如加速度、驅動(dòng)速度、輸出脈沖數時(shí)，要用寫(xiě)數據命令，以將這些參數/數據寫(xiě)入MCX314As，如果同時(shí)指定多軸，可以對不同的軸同時(shí)寫(xiě)入相同的數據，如果數據長(cháng)度是2B，只需把數據寫(xiě)入WR6，如果數據長(cháng)度大于2B，則高16位寫(xiě)入WR7，低16位寫(xiě)入WR6。數據寫(xiě)入數據寄存器后，向WR0寫(xiě)入命令設定軸，然后執行命令。

　　3.11　讀取數據指令

　　數據讀寫(xiě)命令用來(lái)讀取各軸寄存器的值。當向WR0寫(xiě)入讀命令后，數據將出現在RR6和RR7中，要讀取的數據是二進(jìn)制的，負值為二進(jìn)制補碼形式。

　　3.12　驅動(dòng)命令

　　驅動(dòng)命令將控制MCX314As以不同的方式輸出驅動(dòng)脈沖。當向WR0寫(xiě)入命令代碼并制訂控制軸后，該命令被立即執行?？梢酝瑫r(shí)用同一命令指定多軸，運行時(shí)，每個(gè)軸的RR0的nDRV位將置為1，當運行結束時(shí)，nDRV位置0。

　　3.13 插補命令

　　插補命令由2軸或3軸直線(xiàn)插補、順時(shí)針/逆時(shí)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(xiě)入插補命令時(shí)，置WR0的D8-D1位為0，因為對插補命令沒(méi)有必要指定軸。

　　在執行插補命令之前，必須先執行以下2步：通過(guò)設置WR5的D5-D0位來(lái)指定要插補的軸;設定主軸的速度參數。