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1 引言 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。 [table][/table] 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-2147,483646-+2147 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。 4 應用電路 目前,占據國內數控市場(chǎng)主要份額的經(jīng)濟型數控系統多采用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,但周期指令執行時(shí)間為250ns-1ms,限制了經(jīng)濟型數控系統的進(jìn)一步發(fā)展,尤其是多軸高速聯(lián)動(dòng)、螺紋高速切割和高分辨率控制等功能受到限制,將MCX314As運動(dòng)控制器和MCS-51系列單片機相結合構建高性能經(jīng)濟型數控系統,可以解決傳統經(jīng)濟型數控系統速度慢、功能少、開(kāi)發(fā)難度大等問(wèn)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(xiàn),如造紙廠(chǎng)、印刷廠(chǎng)、紡織漂染廠(chǎng)和食品廠(chǎng)等,這些生產(chǎn)線(xiàn)在處理紙張、薄片、絲、線(xiàn)、布等大尺寸材料的過(guò)程中必須有一定的張力,張力太小會(huì )導致褶皺和套印不準等弊病;張力太大會(huì )無(wú)謂增加機器負荷并容易使材料斷裂,而張力不穩定會(huì )使材料發(fā)生跳動(dòng)也會(huì )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、執行機構及驅動(dòng)器,其中,控制裝置是系統控制的核心,本設計使用MCX314As和89C51型單片機來(lái)實(shí)現系統的張力控制和速度調整。 4軸運動(dòng)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(lái)替代傳統的大部分外圍器件,MCX341As的時(shí)鐘頻率由外部決定,本系統采用了MCX314As默認的16MHz頻率作為時(shí)鐘信號,圖2中,PG1、PG2、PG3、PG4為光電編碼器,M1、M2、 M3、M4是步進(jìn)電機。 MCX314As的片選信號和低位地址A0-A3都由PSD913F2產(chǎn)生,數據線(xiàn)和讀/寫(xiě)信號直接由89C51相應的數據線(xiàn)和讀/寫(xiě)信號控制,中斷信號觸發(fā)89C52的外部中斷端。MCX314As只有一個(gè)中斷信號端口,所有中斷信號必須進(jìn)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(guò)MCX314As上的寫(xiě)/讀寄存器進(jìn)行設置和判斷。 89C52、PSD913F2和MCX314As能夠提供32個(gè)通用輸入端、32個(gè)通用輸出端、13個(gè)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。 系統放卷和收卷電機控制脈沖由MCX314As產(chǎn)生,經(jīng)過(guò)差分輸出驅動(dòng)器產(chǎn)生差分驅動(dòng)輸出,即可以控制數字式交流伺服驅動(dòng)器,也可以控制步進(jìn)電機驅動(dòng)器和直流電機驅動(dòng)器,外部反饋脈沖經(jīng)過(guò)差分輸入驅動(dòng)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(guò)光電隔離,直至驅動(dòng)后才能與MCS314As或PSD913F2相連。 5 結束語(yǔ) 張力控制系統是印刷包裝行業(yè)中的重要環(huán)節。將MCX314As型運動(dòng)控制器應用于凹版印刷機的張力控制系統可以提高系統的穩定性和可靠性,使得更高級和更智能的控制策略得以運用,但該系統的抗干擾能力還需要進(jìn)一步改進(jìn)。 |
