PCL6143運動(dòng)控制器的原理及應用

1 引言

　　PCL6143是美國NPM公司設計的一款高性能、低成本的專(zhuān)用運動(dòng)控制器。該器件具有智能化、高柔性等特點(diǎn)。用戶(hù)通過(guò)簡(jiǎn)單的內部控制指令就能實(shí)現直線(xiàn)插補、圓弧插補、梯形加減速和S曲線(xiàn)加減速等控制功能。PCL6143適用于高速數控機床、機器人、紡織包裝機械等運動(dòng)控制領(lǐng)域，是開(kāi)發(fā)運動(dòng)控制系統設備的良好選擇。

2 PCL6143功能結構

　　PCL6143內部結構框圖如圖1所示，PCL6143的主要功能如下：

　　CPU-I／F接口模式：PCL6143內部集成有各種不同接口電路，允許與4種類(lèi)型的CPU連接，分別是Z80、8086、H8和68000。通過(guò)設置IF0、IF1引腳，便于與CPU相連，實(shí)現8位或16位數據傳輸。

　　加減速驅動(dòng)：每個(gè)軸都能實(shí)現線(xiàn)性加減速驅動(dòng)和S曲線(xiàn)加減速驅動(dòng)。在S曲線(xiàn)加減速驅動(dòng)過(guò)程中，可插入線(xiàn)性加減速控制。

　　插補驅動(dòng)功能：4軸中的任何2軸、3軸或4軸都能實(shí)現直線(xiàn)插補，其直線(xiàn)插補的位置精度為+LSB(最小插補單位)。

　　速度與位置控制功能：在單軸控制過(guò)程中，用戶(hù)可根據需要改變當前被控軸速度；而在線(xiàn)性插補時(shí)，則不允許改變速度。當實(shí)際位置超過(guò)指定位置時(shí)，電機將減速停止或立即停止，接著(zhù)反方向進(jìn)給。 多個(gè)計數器與比較器電路：每個(gè)軸都有4個(gè)獨立的28位計數器和2個(gè)比較器電路。每個(gè)比較器可實(shí)現邏輯計數值與實(shí)際目標值相比較。

　　同步啟動(dòng)／停止功能：多軸控制可采用一個(gè)PCL6143或多個(gè)PCL6143實(shí)現，并通過(guò)相關(guān)指令控制多個(gè)軸同時(shí)啟停。

　　操作模式：具有連續、位模式、原點(diǎn)返回、線(xiàn)性插補等基本操作。通過(guò)設置操作模式寄存器(RMD)設定各個(gè)基本操作，實(shí)現位置、方向、速度等控制。

　　機械輸入信號：每個(gè)軸有4個(gè)機械輸入信號，即正負限位信號、減速信號和原點(diǎn)信號。這些信號可通過(guò)軟件和限位使能信號設置，實(shí)現正負方向進(jìn)給軸的減速運動(dòng)、減速停止運動(dòng)以及原點(diǎn)返回。 伺服電機接口信號：伺服電機接口信號包括到位信號、計數器偏差清除信號和報警信號。這些接口信號可由軟件編程設置，并通過(guò)伺服馬達控制位置狀態(tài)和清除計數器偏差值。當報警信號有效時(shí)，各個(gè)運動(dòng)軸立即停止。

　　中斷產(chǎn)生功能：9種錯誤發(fā)生中斷，14種事件發(fā)生中斷。通過(guò)中斷輸出信號控制電機的運動(dòng)和停止。當外部錯誤狀態(tài)發(fā)生時(shí)，中斷產(chǎn)生。通過(guò)設置中斷發(fā)生寄存器(RIRQ)，確定輸出事件是否中斷。

　　前瞻功能：在處理當前數據時(shí)，下一操作數據被提前寫(xiě)入預置寄存器；在當前操作結束時(shí)，預置寄存器中的數據立即被送往當前寄存器。

3主要寄存器及相關(guān)系統指令

3.1主要寄存器

　　預置寄存器：指令在當前執行過(guò)程中，寄存器預先處理接下來(lái)的操作指令，PCL6143有11個(gè)預置寄存器，能夠實(shí)現對目標位置、速度狀態(tài)、速度放大率、加減速率、減速啟動(dòng)、操作模式、主軸進(jìn)給脈沖數、S曲線(xiàn)加減速范圍等各種操作控制。

　　環(huán)境設置寄存器(RENV1、RENV2、RENV3)：PCL6143有3個(gè)環(huán)境設置寄存器。主要用于設置輸入／輸出端口、指定通用I／O端口、A／B編碼器、外部脈沖信號功能以及計數功能、鎖存功能和同步啟動(dòng)功能。

　　數據比較寄存器(RCMP1、RCMP2)：PCL6143有2個(gè)數據比較寄存器，用于設定比較值的大小，實(shí)現比較器1和比較器2的比較。設置范圍為：

　　-1 3421 7728～+1 3421 7 727。

　　中斷寄存器(RIRQ、REST、RIST)：中斷寄存器為事件中斷發(fā)生寄存器(RIRQ)、錯誤中斷狀態(tài)寄存器(REST)和事件中斷狀態(tài)寄存器(RIST)。這些中斷寄存器是用于使能事件產(chǎn)生中斷、檢查錯誤產(chǎn)生中斷和事件產(chǎn)生中斷。當中斷產(chǎn)生時(shí)，寄存器的相應位置為1。

　　自動(dòng)計算減速開(kāi)始寄存器(RSDC)：該寄存器用于檢查位置操作時(shí)自動(dòng)計算減速開(kāi)始位置值。

3.2操作指令

　　設置軸狀態(tài)控制寄存器(COMB1)實(shí)現各個(gè)軸的選取。向寫(xiě)控制指令寄存器(COMB0)寫(xiě)入實(shí)現啟動(dòng)或停止PCL6143以及改變其輸出脈沖的速度。操作指令包含啟動(dòng)指令(直接啟動(dòng)指令、脈沖啟動(dòng)指令、同步啟動(dòng)指令)、速度變化指令以及停止指令(直接停止指令、同步停止指令、急停指令)。

3.3控制指令

　　PCL6143提供各種控制指令，實(shí)現PCL6143的軟件復位、計數器復位、計數器偏差清零輸出控制、寄存器預置控制、位置啟動(dòng)輸入、計數器鎖存輸入、寄存器控制、通用輸出端口控制及通用輸出位控制。

4應用電路

4.1運動(dòng)控制卡的硬件設計

　　4軸運動(dòng)控制卡是以PCL6143為核心，選用PC104總線(xiàn)作為運動(dòng)控制卡與PC機之間的通訊方式。PCL6143的16位數據通過(guò)74LS245與PC104總線(xiàn)連接，這樣便于實(shí)現與各種PC104總線(xiàn)標準的主控制板連接。為提高系統的可靠性、集成化與柔性化，PC104總線(xiàn)的地址譯碼、數據指令的讀寫(xiě)、中斷信號以及復位信號都可利用CPLD可編程邏輯器件實(shí)現。PC機經(jīng)過(guò)地址譯碼選中PCL6143片選信號，通過(guò)讀寫(xiě)信號和數據總線(xiàn)，設置PCL6143內部寄存器，以實(shí)現各種運動(dòng)控制。4軸運動(dòng)控制卡的硬件框圖如圖2所示。

　　PCL6143控制每個(gè)軸的方向與脈沖輸出信號、通用I／O端口輸出信號、正負方向限位信號、減速停止信號、原點(diǎn)信號、伺服報警信號、編碼器輸入信號及外部手輪正負方向信號等。

　　PCL6143的方向脈沖輸出信號分為正負脈沖方式和脈沖方向方式，方向脈沖輸出信號經(jīng)高速光電耦合器進(jìn)行信號隔離，最后通過(guò)AM26LS31輸出差分信號來(lái)控制外部電機。通用I／O端口信號由內部寄存器進(jìn)行輸人／輸出設置，作為輸出使能控制電機驅動(dòng)器，實(shí)現計數器誤差清除、報警復位等功能，或作為加減速、位置計數器和比較寄存器狀態(tài)設置。正負方向限位信號、減速停止信號、原點(diǎn)信號和伺服報警信號通過(guò)光電耦合器與內部信號隔離，實(shí)現系統保護、電機驅動(dòng)停止、系統原點(diǎn)確認以及電機驅動(dòng)異常的控制。A／B相和Z相編碼器信號通過(guò)高速光電耦合器與內部線(xiàn)路隔離；編碼器A／B相檢測電機的實(shí)際位置，并通過(guò)位置計數器增減計數；在原點(diǎn)返回操作模式中，Z相編碼器信號用于輸入一個(gè)標志信號，該信號還能改善原點(diǎn)返回操作精度。外部手輪正負方向信號通過(guò)光電耦合器與內部電路隔離，該信號還可通過(guò)手動(dòng)脈沖或外部開(kāi)關(guān)信號產(chǎn)生外部脈沖信號。急停輸入信號通過(guò)光電耦合器與內部電路隔離，有效時(shí)，各個(gè)軸立即停止工作。

4.2功能函數庫的編寫(xiě)

　　PCL6143具有靈活強大的控制模塊，按照一定的序列操作內部寄存器，實(shí)現各種復雜的運動(dòng)控制功能。為方便用戶(hù)二次開(kāi)發(fā)，需將一系列內部寄存器的操作序列封裝成各個(gè)函數，這些函數就構成了運動(dòng)控制卡的功能函數庫。用戶(hù)通過(guò)調用功能函數庫中相應的函數就可對PCL6143內部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

　　功能函數庫編寫(xiě)好后，用Visual C++編程工具編寫(xiě)上層應用軟件，與功能函數庫鏈接，開(kāi)發(fā)獨立的控制系統。運動(dòng)控制卡的操作流程如圖3所示。

　　由此可見(jiàn)，功能函數庫在控制系統中非常重要。作者采用C語(yǔ)言編寫(xiě)4軸運動(dòng)控制卡的功能函數庫，按功能可分為：

　　初始化函數：定義PCL6143輸入／輸出引腳、相關(guān)寄存器地址、常用變量和數據結構，設置控制軸數和操作模式。

　　運動(dòng)驅動(dòng)函數：包含獨立運動(dòng)函數和插補驅動(dòng)函數。獨立運動(dòng)函數用于實(shí)現各個(gè)獨立軸的連續控制、越限控制和回原點(diǎn)等操作；插補驅動(dòng)函數用于實(shí)現4軸中的任意2軸、3軸或4軸的直線(xiàn)插補和圓弧插補；

　　I／O端口操作函數：包含輸入信號的輸入函數、輸出信號的輸出函數以及反饋位置信號的輸入函數，用以獲取邏輯位置、輸入／輸出點(diǎn)狀態(tài)的控制。 加／減速控制函數：包括線(xiàn)性加減速函數和S曲線(xiàn)加減速函數。

　　中斷信號驅動(dòng)函數：管理內部中斷寄存器以及控制外部異常情況。

　　其他輔助函數：包括位置、狀態(tài)的查詢(xún)與設置等相關(guān)函數。

　　需要注意的是，不同的操作模式和運動(dòng)控制，其寄存器的讀寫(xiě)參數也不相同，具體操作步驟也有相應要求。

5 結束語(yǔ)

　　詳細介紹了PCL6143的內部結構、主要寄存器以及相關(guān)指令系統，結合實(shí)際應用，設計一款4軸運動(dòng)控制卡，并給出了相關(guān)運動(dòng)庫函數，具有實(shí)際的應用價(jià)值和市場(chǎng)推廣前景。