MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片與數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前言

　　隨著微計(jì)算機(jī)、集成電路、傳感器、功率電子等技術(shù)的迅速發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)、辦公和家庭等自動(dòng)化方面日益得到廣泛應(yīng)用；控制形式也由以機(jī)械提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)單啟?？刂?，發(fā)展到對(duì)其位置、速度、加速度、轉(zhuǎn)矩等的精確控制；原先的“電機(jī)拖動(dòng)”、“電氣傳動(dòng)”已經(jīng)發(fā)展到“運(yùn)動(dòng)控制”的新階段?！　‰姍C(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)、功率放大器、位置和速度檢測(cè)傳感器、控制電路等構(gòu)成。控制電路產(chǎn)生的弱電信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，并將位置、速度等信號(hào)反饋給控制電路實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。驅(qū)動(dòng)部分已經(jīng)由分立器件、單元電路，向?qū)Ｓ弥悄芄β黍?qū)動(dòng)模塊發(fā)展。運(yùn)動(dòng)控制部分目前主要通過(guò)單片機(jī)或計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制。這種傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，集成度低，電路復(fù)雜，軟、硬件研制周期長(zhǎng)，產(chǎn)品一致性差，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能和可靠性。高集成度 MCX314運(yùn)動(dòng)控制專(zhuān)用芯片能實(shí)現(xiàn)4軸3聯(lián)運(yùn)動(dòng)的位置、速度、加速度控制和直線、圓弧、位元3種模式的連續(xù)插補(bǔ)和位置環(huán)閉環(huán)控制，其性能優(yōu)良、接口簡(jiǎn)單、編程方便、工作可靠，給運(yùn)動(dòng)控制帶來(lái)極大方便?！　?shù)控機(jī)床既是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)不可缺少的基礎(chǔ)裝備，又是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代的重要手段，對(duì)解決復(fù)雜零件的加工制造，提高產(chǎn)品加工效率和質(zhì)量，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力意義重大。數(shù)控機(jī)床是裝備國(guó)防、航空、航天等工業(yè)的核心，被視為戰(zhàn)略物資和戰(zhàn)備性工業(yè)受到高度重視；而包括位置、速度、加速度、軌跡控制在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制又是數(shù)控技術(shù)的關(guān)鍵，直接決定了工件加工的精度、光潔度和效率。　　本書(shū)共8章：第1～3章介紹了 MCX314芯片的管腳定義、控制功能、電氣和機(jī)械等相關(guān)技術(shù)參數(shù)；第4章闡述了命令、狀態(tài)、輸入、輸出等控制寄存器的功能和操作；第5章解釋了指令系統(tǒng)，給出了加速度、減速度、速度、輸出脈沖數(shù)/插補(bǔ)結(jié)束點(diǎn)等數(shù)據(jù)的設(shè)定，介紹了當(dāng)前邏輯和實(shí)際位置、速度、加/減速度等狀態(tài)的讀取和直線、圓弧、BP等插補(bǔ)命令的啟動(dòng)方法；第6～8章對(duì) MCX314與PC-ISA、PC-PCI、MCS51、68000等的總線和CPU接口及位置控制、通用輸入/輸出、位置反饋等信號(hào)的接口進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，利用C和匯編語(yǔ)言設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件驅(qū)動(dòng)函數(shù)，并分別設(shè)計(jì)了TR008型和TR003型機(jī)床控制系統(tǒng)，探討了數(shù)控系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)以及軟件、硬件設(shè)計(jì)的方法和技巧?！　”緯?shū)內(nèi)容立足于工程應(yīng)用，附有大量的電路和軟件例程，并通過(guò)測(cè)試和試驗(yàn)，已經(jīng)用于科研和工程實(shí)踐中；同時(shí)還基于 MCX314開(kāi)發(fā)了與MCS51 CPU接口的仿真控制實(shí)驗(yàn)卡、與PC ISA總線接口的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)卡，可供讀者在解決類(lèi)似問(wèn)題時(shí)參考和實(shí)驗(yàn)。其中大量工作是與課題組老師、研究生共同完成的，如段廣洪、王立平、張輝、尹文生、鄭浩峻、李鐵民、唐曉強(qiáng)等老師和胡波、趙海軍、趙慎良、王慧等研究生。　　日本NOVA電子公司為本書(shū)的編寫(xiě)提供了很多技術(shù)資料，北京航空航天大學(xué)的何立民教授給本書(shū)提出了許多寶貴的意見(jiàn)，在此一并表示誠(chéng)摯的感謝?！　∮捎诰幷咚接邢?，書(shū)中錯(cuò)誤和不妥之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正?！　”緯?shū)得到國(guó)家863先進(jìn)制造與自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，機(jī)器人技術(shù)主題8634022001AA423260項(xiàng)目的支持。

內(nèi)容概要

　　MCX314是日本NOVA電子有限公司研制的DSP運(yùn)動(dòng)控制專(zhuān)用芯片，性能優(yōu)良、接口簡(jiǎn)單、編程方便、工作可靠，可廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)控制。　　芯片能與8位或16位數(shù)據(jù)總線接口，通過(guò)命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等寄存器實(shí)現(xiàn)4軸3聯(lián)動(dòng)的位置、速度、加速度等的運(yùn)動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)直線、圓弧、位元3種模式的軌跡插補(bǔ)，輸出脈沖頻率達(dá)4 MHz。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(dú)立地設(shè)置為恒速、線性或S曲線加/減速控制方式，并有2個(gè)32位的邏輯、實(shí)際位置計(jì)數(shù)器和狀態(tài)比較寄存器，實(shí)現(xiàn)位置的閉環(huán)控制?！　　禡CX314運(yùn)動(dòng)控制芯片與數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)》詳細(xì)介紹了 MCX314的控制原理，它與MCS51、PC機(jī)ISA、PCI總線等的接口電路，用匯編和C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的控制軟件和相關(guān)技術(shù)，以及基于它設(shè)計(jì)的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的軟、硬件方法?！禡CX314運(yùn)動(dòng)控制芯片與數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)》內(nèi)容詳實(shí)，通俗易懂，書(shū)中所有電路和軟件例程都通過(guò)測(cè)試?！禡CX314運(yùn)動(dòng)控制芯片與數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)》適于從事數(shù)控系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制開(kāi)發(fā)的技術(shù)人員閱讀。

書(shū)籍目錄

第1章　概述1.1 MCX314功能分析(1)1.2 MCX314工作方式分析(4)1.3 MCX314芯片管腳定義(5)第2章　 MCX314功能和相關(guān)技術(shù)參數(shù)2.1 脈沖輸出命令(10)2.1.1 定長(zhǎng)脈沖輸出驅(qū)動(dòng)(10)2.1.2 連續(xù)脈沖驅(qū)動(dòng)輸出(11)2.2 速度曲線(12)2.2.1 恒速驅(qū)動(dòng)(12)2.2.2 線性加/減速驅(qū)動(dòng)(12)2.2.3 S曲線方式加/減驅(qū)動(dòng)(13)2.2.4 脈沖寬度和速度的精度(17)2.3 位置管理(18)2.3.1 邏輯位置計(jì)數(shù)器和實(shí)際位置計(jì)數(shù)器(19)2.3.2 比較寄存器和軟件極限(software limit)(19)2.4 插補(bǔ)(20)2.4.1 2軸或3軸的直線插補(bǔ)(20)2.4.2 圓弧插補(bǔ)(22)2.4.3 位模式插補(bǔ)(25)2.4.4 恒定線速度(30)2.4.5 連續(xù)插補(bǔ)(31)2.4.6 插補(bǔ)的加/減速控制(34)2.4.7 單步插補(bǔ)(36)2.5 中斷(37)2.6 其他功能(39)2.6.1 由外部脈沖進(jìn)行驅(qū)動(dòng)(39)2.6.2 脈沖輸出類(lèi)型選擇(40)2.6.3 輸入脈沖的類(lèi)型選擇(40)2.6.4 硬件限位信號(hào)(41)2.6.5 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口(41)2.6.6 緊急停止(41)2.6.7 狀態(tài)輸出(41)2.6.8 通用輸出(42)第3章　 MCX314芯片電氣和機(jī)械特性3.1 直流特性(43)3.2 交流特性(44)3.2.1 時(shí)鐘信號(hào)(44)3.2.2 讀/寫(xiě)周期(45)3.2.3 BUSYN信號(hào)(46)3.2.4 SCLK/同步輸出信號(hào)(46)3.2.5 反饋輸入脈沖(46)3.2.6 通用輸入/輸出信號(hào)(47)3.3 輸入信號(hào)/輸出信號(hào)的同步(48)3.3.1 通電重置(48)3.3.2 定長(zhǎng)脈沖或連續(xù)驅(qū)動(dòng)(48)3.3.3 插補(bǔ)(49)3.3.4 保持命令后開(kāi)始驅(qū)動(dòng)(49)3.3.5 急停（立即停止）(49)3.3.6 減速停止(50)3.4 機(jī)械特性(50)3.5 性能指標(biāo)(51)3.5.1 插補(bǔ)功能(51)3.5.2 軸的共同說(shuō)明(51)3.5.3 編碼器輸入脈沖(52)3.5.4 通用輸出信號(hào)(52)第4章　MCX314控制寄存器4.1 16 位數(shù)據(jù)總線的寄存器地址映射(53)4.2 8 位數(shù)據(jù)總線的寄存器地址映射(54)4.3 命令寄存器：WR0(56)4.4 模式寄存器1：WR1(56)4.5 模式寄存器2：WR2(57)4.6 模式寄存器3：WR3(59)4.7 輸出寄存器：WR4(60)4.8 插補(bǔ)模式寄存器：WR5(60)4.9 數(shù)據(jù)寄存器：WR6/WR7(62)4.10 主狀態(tài)寄存器：RR0(62)4.11 狀態(tài)寄存器1：RR1(63)4.12 狀態(tài)寄存器2：RR2(65)4.13 狀態(tài)寄存器3：RR3(65)4.14 輸入寄存器：RR4/RR5(66)4.15 數(shù)據(jù)寄存器：RR6/RR7(67)第5章　 MCX314指令系統(tǒng)解釋與分析5.1 寫(xiě)數(shù)據(jù)命令(70)5.1.1 量程設(shè)定(70)5.1.2 S曲線加速度變化率設(shè)定(70)5.1.3 加速度設(shè)定(71)5.1.4 減速度設(shè)定(71)5.1.5 初始速度設(shè)定(72)5.1.6 驅(qū)動(dòng)速度設(shè)定(72)5.1.7 輸出脈沖數(shù)/插補(bǔ)結(jié)束點(diǎn)命令(72)5.1.8 手動(dòng)減速點(diǎn)設(shè)定(73)5.1.9 圓心設(shè)定(73)5.1.10 邏輯位置計(jì)數(shù)器設(shè)定(73)5.1.11 實(shí)際位置計(jì)數(shù)器設(shè)定(73)5.1.12 COMP+寄存器設(shè)定(74)5.1.13 COMP-寄存器設(shè)定(74)5.1.14 加速度計(jì)數(shù)器進(jìn)位設(shè)定(74)5.1.15 NOP(用作軸切換)(74)5.2 讀取數(shù)據(jù)命令(75)5.2.1 讀取邏輯位置計(jì)數(shù)器的值(75)5.22 讀取實(shí)際位置計(jì)數(shù)器的值(75)5.2.3 讀取當(dāng)前驅(qū)動(dòng)速度(75)5.2.4 讀取當(dāng)前加/減速度(76)5.3 驅(qū)動(dòng)命令(76)5.3.1 正方向定長(zhǎng)脈沖驅(qū)動(dòng)(76)5.3.2 負(fù)方向定長(zhǎng)脈沖驅(qū)動(dòng)(76)5.3.3 正方向連續(xù)驅(qū)動(dòng)(77)5.3.4 負(fù)方向連續(xù)驅(qū)動(dòng)(77)5.3.5 暫停(77)5.3.6 暫停禁止和開(kāi)始運(yùn)行/清除停止?fàn)顟B(tài)(78)5.3.7 減速至停止(78)5.3.8 快速停止（即停）(78)5.4 插補(bǔ)命令(78)5.4.1 2軸直線插補(bǔ)(79)5.4.2 3軸直線插補(bǔ)(79)5.4.3 順時(shí)針圓弧插補(bǔ)(79)5.4.4 逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)(79)5.4.5 2軸離散點(diǎn)（BP）插補(bǔ)(80)5.4.6 3軸離散點(diǎn)（BP）插補(bǔ)(80)5.4.7 啟動(dòng)BP寄存器(80)5.4.8 禁止BP寄存器(81)5.4.9 把數(shù)據(jù)從BP寄存器壓入BP堆棧(81)5.4.10 清除BP數(shù)據(jù)(81)5.4.11 單步插補(bǔ)(81)5.4.12 允許減速模式(81)5.4.11 禁止減速模式(82)5.4.14 清除插補(bǔ)中斷(82)第6章　硬件接口設(shè)計(jì)例程6.1 MCX314與PC-ISA BUS的接口設(shè)計(jì)(83)6.1.1 ISA總線信號(hào)描述及其功能模塊接口(84)6.1.2 輸入/輸出口基地址設(shè)置和讀/寫(xiě)寄存器(85)6.1.3輸入/輸出接口(88)6.1.4PCISA中斷設(shè)置(90)6.1.5輸入/輸出信號(hào)的時(shí)序(90)6.2 MCX314與PC-PCI BUS的接口設(shè)計(jì)(93)6.2.1 PCPCI BUS概述(93)6.2.2 基于PCI總線的接口電路設(shè)計(jì)與編程(95)6.3 MCX314與MCS51 CPU的接口設(shè)計(jì)(101)6.4 MCX314與Z80 CPU的接口設(shè)計(jì)(103)6.5 MCX314與68000 CPU的接口設(shè)計(jì)(104)6.6 信號(hào)驅(qū)動(dòng)接口(105)6.7 驅(qū)動(dòng)脈沖輸出類(lèi)型與接口(105)6.7.1 輸出脈沖定義(nP+P、nP+N、nP-P、nP-N)6.7.2 伺服驅(qū)動(dòng)器的通用輸入(nINPOS、nALARM)6.7.3 外部脈沖控制輸入(nEXOP+、nEXOP-)(106)6.8 與限位開(kāi)關(guān)或者傳感器通用信號(hào)接口(107)6.8.1 通用輸出(nOUT7～nOUT4)(107)6.8.2 超程限位開(kāi)關(guān)輸入(nLMT+、nLMT-)(108)6.8.3 減速停止/立即停止開(kāi)關(guān)輸入(nIN1、nIN2、nIN3)(108)6.8.4 急停輸入(EMG)(108)6.9 編碼器信號(hào)的接口(109)第7章　軟件接口設(shè)計(jì)例程7.1 C語(yǔ)言接口設(shè)計(jì)(110)7.1.1 初始化設(shè)置函數(shù)(110)7.1.2 加/減速規(guī)律設(shè)置函數(shù)(126)7.1.3 直線插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)函數(shù)(137)7.1.4 圓弧插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)函數(shù)(143)7.1.5 位插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)函數(shù)(146)7.1.6 反饋位置信號(hào)的輸入函數(shù)(157)7.1.7 輸入信號(hào)的輸入函數(shù)(159)7.1.8 輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)(160)7.1.9 中斷信號(hào)驅(qū)動(dòng)函數(shù)(163)7.2 MCS51 CPU的匯編語(yǔ)言接口設(shè)計(jì)(164)7.2.1 功能實(shí)現(xiàn)方式(165)7.2.2 MCS51與 MCX314接口函數(shù)例程(169)第8章　基于 MCX314的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)8.1 TR008數(shù)控系統(tǒng)的主要功能組織與結(jié)構(gòu)(176)8.2 TR008數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)(178)8.3 TR008數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)(179)8.3.1 軟件基礎(chǔ)(179)8.3.2 直線插補(bǔ)(179)8.3.3 圓弧插補(bǔ)(183)8.3.4 螺紋插補(bǔ)(185)8.3.5 位模式插補(bǔ)(186)8.3.6 輸入/輸出(188)8.3.7 其他功能(189)附錄附錄1　 MCX314的MCS51平臺(tái)仿真開(kāi)發(fā)套件(190)附錄2　 MCX314的PC平臺(tái)仿真開(kāi)發(fā)套件(191)參考文獻(xiàn)

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