基于MCX314芯片的多軸運動(dòng)控制平臺

摘    要：本文主要介紹了基于MCX314運動(dòng)控制芯片搭建的運動(dòng)控制平臺。重點(diǎn)描述了芯片的寄存器及其命令方式，并闡述了系統能夠實(shí)現的位置、速度、加速度等各種控制方式和直線(xiàn)、圓弧、位模式的插補方式，并給出了一個(gè)位模式插補方式實(shí)現的全過(guò)程。
關(guān)鍵詞：數字脈沖接口；MCX314；硬件插補；位模式

引言
目前，運動(dòng)控制主要通過(guò)單片機或者計算機實(shí)現，這種方法的軟、硬件研制周期長(cháng)，嚴重影響系統的性能和可靠性。本文介紹的數控系統采用的是硬件插補，縮短了軟件設計周期。另外，原有的插補是根據給定的數學(xué)函數，在理想的軌跡或輪廓上的已知點(diǎn)之間確定中間點(diǎn)的一種方法，很難得到復雜的曲線(xiàn)方程，而MCX314中的位模式插補功能就能很好地解決這個(gè)問(wèn)題。本文介紹的算法可以將復雜曲線(xiàn)用一種特殊格式的文件來(lái)表示，用位模式實(shí)現插補驅動(dòng)。
圖1為基于ＭCX314芯片的４軸數控系統的硬件平臺，系統的軟件平臺建立在它之上。此硬件平臺通過(guò)ISA總線(xiàn)接口實(shí)現對4個(gè)軸運動(dòng)的控制，可提供4通道全數字伺服接口和1通道12位的模擬輸出(用于主軸控制), 其中每個(gè)軸都可以獨立設定位置或者控制速度,另外還提供了64輸入/48輸出光電隔離接口。它的軸控制器包括脈沖輸出接口、編碼器輸入接口和外部信號輸入接口。脈沖輸出接口直接與步進(jìn)或數字伺服電機連接，控制電機運動(dòng)；編碼器輸入接口接收來(lái)自電機上編碼器的反饋數據，實(shí)現閉環(huán)控制。

使用MCX314的運動(dòng)控制平臺的優(yōu)勢
基于MCX314芯片的運動(dòng)控制平臺是一款全數字平臺，因為它完全有別于以前的數控系統，以前的數控系統采用的是模擬信號輸出，在系統內部，CPU以數字形式對信號進(jìn)行處理，然后通過(guò)D/A轉換輸出模擬信號控制伺服電機運動(dòng)，由輸出的模擬信號的電平高低來(lái)控制電機轉動(dòng)的快慢。它采用的是脈沖形式輸出，在整個(gè)處理與輸出的過(guò)程中都采用數字信號，由輸出脈沖的頻率來(lái)控制電機轉動(dòng)的快慢，由輸出脈沖的多少來(lái)控制電機轉動(dòng)多少。如圖1所示，4軸控制器與電機之間交換的是數字信號，脈沖輸出和編碼器反饋都是高低電平形式，使用數字信號大大提高了系統的抗干擾性。
平臺具有這樣的優(yōu)勢是與MCX314芯片的特點(diǎn)分不開(kāi)的。MCX314四軸運動(dòng)控制芯片是基于DSP的運動(dòng)控制專(zhuān)用芯片，接口簡(jiǎn)單、編程方便，在數控機床、雕刻機、工業(yè)機器人等領(lǐng)域得到廣泛應用，并正在向新的應用領(lǐng)域拓展。MCX314芯片能與8位或者16位總線(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)，實(shí)現位置、速度、加速度的運動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監控，該芯片具有3種模式插補功能，輸出脈沖頻率最高可達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)性或者S曲線(xiàn)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。
平臺有兩項功能是最能體現它的靈活性和易操作性的，即它的硬件插補功能和位模式插補功能。所謂硬件插補，即不用編寫(xiě)復雜的插補程序，只需要設定一些參數和發(fā)出差補命令即可完成插補任務(wù)。

硬件插補功能
在硬件插補當中，不用考慮插補算法，只要給出參數以及插補命令，整個(gè)過(guò)程就能由芯片自動(dòng)控制，不需要軟件的任何干預。圖2是硬件插補的應用流程。
本系統可以在4個(gè)軸中任意挑選出2個(gè)或者3個(gè)軸進(jìn)行 直線(xiàn)插補、圓弧插補和位模式插補驅動(dòng)，所以在進(jìn)行插補驅動(dòng)前應指定插補軸。

位模式插補功能
位模式插補是把CPU計算的插補數據以數據包的方式接收后，以指定的驅動(dòng)速度連續輸出插補脈沖。簡(jiǎn)單地說(shuō)，位模式插補就是根據+/-方向驅動(dòng)脈沖的高低電平狀態(tài)來(lái)進(jìn)行插補，每一位對應一個(gè)脈沖，隨即驅動(dòng)馬達轉動(dòng)一步，如果馬達轉動(dòng)一圈需要2048個(gè)脈沖，那么一個(gè)脈沖可使馬達轉動(dòng)1/2048周。利用位模式差補方式可以加工出任意復雜形狀的曲線(xiàn)。
圖3為位模式插補的整個(gè)流程圖，直觀(guān)地介紹了位模式插補的整個(gè)過(guò)程，包括各個(gè)寄存器使用的時(shí)機，各種命令如何搭配使用來(lái)完成位模式插補的全過(guò)程。
算法實(shí)現
本文介紹的這個(gè)算法是將插補數據以一種特殊的格式放入一個(gè)文件中，算法根據數據的格式讀取插補數據，進(jìn)行插補驅動(dòng)，插補驅動(dòng)的過(guò)程如圖3所示，在后面的流程中不作詳解。插補數據根據二維/三維曲線(xiàn)的具體形狀而形成。
1. 舉例構建位模式插補數據結構文件如下：
Bitpattern.bp(文件名)文件數據如下：
BITPATTERN
AXIS 3   ——插補軸的指定
B        ——數據有效，可以讀取
0000 2bff ffd4 0000① ——插補數據
B
f6fe 0000 000f 3fc0
B
1fdb 0000 00ff fc00
B
4000 7ff5 0000 0aff
E  ——后面無(wú)數據，文件結束
2. 位模式插補數據結構文件的格式介紹：
?BITPATTERN：表示此文件的格式為位模式數據文件。
?AXIS：表示插補軸。
?3：十六進(jìn)制數(二進(jìn)制0011)，表示插補軸的設定，同時(shí)表示２軸位模式插補，第一軸X和第二軸Y，全部參數設定參見(jiàn)表1。
當程序從位模式數據文件中讀到此數值時(shí)，則根據表1中的規定執行相應的函數子程序。
B：表示下面有一行有效的位模式插補數據，可以讀取。
E：表示下面無(wú)數據，位模式插補數據結束，位模式數據文件結束。
其中的每行數據為十六進(jìn)制數，表示插補數據，以①為例，“0000 2bff ffd4 0000”表示的分別是AX1軸正、負方向，AX2軸正、負方向的低16位數據。

結語(yǔ)
本文介紹的系統采用數字脈沖接口，處理的是數字信號，這在很大程度上提高了系統的抗干擾能力和可靠性，而且采用的是硬件插補方式，系統性能提高了，閉環(huán)處理的速度加快了，從而大大降低了數控軟件的編寫(xiě)難度，縮短了開(kāi)發(fā)周期。位模式插補方式解決了復雜曲線(xiàn)用公式難以描述的問(wèn)題，文中介紹的算法巧妙地將復雜曲線(xiàn)轉換成一種格式文件，充分發(fā)揮出位模式插補的優(yōu)勢?！?/P>

參考文獻
1.The Data Book of MCX314, NOVA
2.葉佩青，汪勁松. MCX314運動(dòng)控制芯片與數控系統設計. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002，11
3.畢承恩，丁乃建. 現代數控技術(shù)(上、下). 北京：機械工業(yè)出版社， 1991