MCX314運動控制芯片與數(shù)控系統(tǒng)設計

前言

　　隨著微計算機、集成電路、傳感器、功率電子等技術(shù)的迅速發(fā)展，運動控制技術(shù)在工業(yè)、辦公和家庭等自動化方面日益得到廣泛應用；控制形式也由以機械提供動力驅(qū)動的簡單啟?？刂疲l(fā)展到對其位置、速度、加速度、轉(zhuǎn)矩等的精確控制；原先的“電機拖動”、“電氣傳動”已經(jīng)發(fā)展到“運動控制”的新階段?！　‰姍C伺服驅(qū)動系統(tǒng)主要由伺服電機、功率放大器、位置和速度檢測傳感器、控制電路等構(gòu)成?？刂齐娐樊a(chǎn)生的弱電信號經(jīng)過功率放大，驅(qū)動伺服電機，并將位置、速度等信號反饋給控制電路實現(xiàn)閉環(huán)控制。驅(qū)動部分已經(jīng)由分立器件、單元電路，向?qū)Ｓ弥悄芄β黍?qū)動模塊發(fā)展。運動控制部分目前主要通過單片機或計算機實現(xiàn)控制。這種傳統(tǒng)的實現(xiàn)方法，集成度低，電路復雜，軟、硬件研制周期長，產(chǎn)品一致性差，嚴重影響系統(tǒng)的性能和可靠性。高集成度 MCX314運動控制專用芯片能實現(xiàn)4軸3聯(lián)運動的位置、速度、加速度控制和直線、圓弧、位元3種模式的連續(xù)插補和位置環(huán)閉環(huán)控制，其性能優(yōu)良、接口簡單、編程方便、工作可靠，給運動控制帶來極大方便。　　數(shù)控機床既是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)不可缺少的基礎裝備，又是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代的重要手段，對解決復雜零件的加工制造，提高產(chǎn)品加工效率和質(zhì)量，增強企業(yè)競爭能力意義重大。數(shù)控機床是裝備國防、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)的運動控制又是數(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?！　”緯?章：第1～3章介紹了 MCX314芯片的管腳定義、控制功能、電氣和機械等相關(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)/插補結(jié)束點等數(shù)據(jù)的設定，介紹了當前邏輯和實際位置、速度、加/減速度等狀態(tài)的讀取和直線、圓弧、BP等插補命令的啟動方法；第6～8章對 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、位置反饋等信號的接口進行了詳細設計，利用C和匯編語言設計了相應的軟件驅(qū)動函數(shù)，并分別設計了TR008型和TR003型機床控制系統(tǒng)，探討了數(shù)控系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)以及軟件、硬件設計的方法和技巧?！　”緯鴥?nèi)容立足于工程應用，附有大量的電路和軟件例程，并通過測試和試驗，已經(jīng)用于科研和工程實踐中；同時還基于 MCX314開發(fā)了與MCS51 CPU接口的仿真控制實驗卡、與PC ISA總線接口的運動控制實驗卡，可供讀者在解決類似問題時參考和實驗。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、唐曉強等老師和胡波、趙海軍、趙慎良、王慧等研究生?！　∪毡綨OVA電子公司為本書的編寫提供了很多技術(shù)資料，北京航空航天大學的何立民教授給本書提出了許多寶貴的意見，在此一并表示誠摯的感謝。　　由于編者水平有限，書中錯誤和不妥之處，懇請讀者批評指正?！　”緯玫絿?63先進制造與自動化技術(shù)領域，機器人技術(shù)主題8634022001AA423260項目的支持。

內(nèi)容概要

　　MCX314是日本NOVA電子有限公司研制的DSP運動控制專用芯片，性能優(yōu)良、接口簡單、編程方便、工作可靠，可廣泛應用于數(shù)控機床、機器人等領域的運動控制?！　⌒酒芘c8位或16位數(shù)據(jù)總線接口，通過命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等寄存器實現(xiàn)4軸3聯(lián)動的位置、速度、加速度等的運動控制和實時監(jiān)控，實現(xiàn)直線、圓弧、位元3種模式的軌跡插補，輸出脈沖頻率達4 MHz。每軸都有伺服反饋輸入端、4個輸入點和8個輸出點，能獨立地設置為恒速、線性或S曲線加/減速控制方式，并有2個32位的邏輯、實際位置計數(shù)器和狀態(tài)比較寄存器，實現(xiàn)位置的閉環(huán)控制?！　　禡CX314運動控制芯片與數(shù)控系統(tǒng)設計》詳細介紹了 MCX314的控制原理，它與MCS51、PC機ISA、PCI總線等的接口電路，用匯編和C語言實現(xiàn)的控制軟件和相關(guān)技術(shù)，以及基于它設計的機床數(shù)控系統(tǒng)的軟、硬件方法?！禡CX314運動控制芯片與數(shù)控系統(tǒng)設計》內(nèi)容詳實，通俗易懂，書中所有電路和軟件例程都通過測試?！禡CX314運動控制芯片與數(shù)控系統(tǒng)設計》適于從事數(shù)控系統(tǒng)和運動控制開發(fā)的技術(shù)人員閱讀。

書籍目錄

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 定長脈沖輸出驅(qū)動(10)2.1.2 連續(xù)脈沖驅(qū)動輸出(11)2.2 速度曲線(12)2.2.1 恒速驅(qū)動(12)2.2.2 線性加/減速驅(qū)動(12)2.2.3 S曲線方式加/減驅(qū)動(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 邏輯位置計數(shù)器和實際位置計數(shù)器(19)2.3.2 比較寄存器和軟件極限(software limit)(19)2.4 插補(20)2.4.1 2軸或3軸的直線插補(20)2.4.2 圓弧插補(22)2.4.3 位模式插補(25)2.4.4 恒定線速度(30)2.4.5 連續(xù)插補(31)2.4.6 插補的加/減速控制(34)2.4.7 單步插補(36)2.5 中斷(37)2.6 其他功能(39)2.6.1 由外部脈沖進行驅(qū)動(39)2.6.2 脈沖輸出類型選擇(40)2.6.3 輸入脈沖的類型選擇(40)2.6.4 硬件限位信號(41)2.6.5 伺服電機驅(qū)動器接口(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芯片電氣和機械特性3.1 直流特性(43)3.2 交流特性(44)3.2.1 時鐘信號(44)3.2.2 讀/寫周期(45)3.2.3 BUSYN信號(46)3.2.4 SCLK/同步輸出信號(46)3.2.5 反饋輸入脈沖(46)3.2.6 通用輸入/輸出信號(47)3.3 輸入信號/輸出信號的同步(48)3.3.1 通電重置(48)3.3.2 定長脈沖或連續(xù)驅(qū)動(48)3.3.3 插補(49)3.3.4 保持命令后開始驅(qū)動(49)3.3.5 急停（立即停止）(49)3.3.6 減速停止(50)3.4 機械特性(50)3.5 性能指標(51)3.5.1 插補功能(51)3.5.2 軸的共同說明(51)3.5.3 編碼器輸入脈沖(52)3.5.4 通用輸出信號(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 寫數(shù)據(jù)命令(70)5.1.1 量程設定(70)5.1.2 S曲線加速度變化率設定(70)5.1.3 加速度設定(71)5.1.4 減速度設定(71)5.1.5 初始速度設定(72)5.1.6 驅(qū)動速度設定(72)5.1.7 輸出脈沖數(shù)/插補結(jié)束點命令(72)5.1.8 手動減速點設定(73)5.1.9 圓心設定(73)5.1.10 邏輯位置計數(shù)器設定(73)5.1.11 實際位置計數(shù)器設定(73)5.1.12 COMP+寄存器設定(74)5.1.13 COMP-寄存器設定(74)5.1.14 加速度計數(shù)器進位設定(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 讀取邏輯位置計數(shù)器的值(75)5.22 讀取實際位置計數(shù)器的值(75)5.2.3 讀取當前驅(qū)動速度(75)5.2.4 讀取當前加/減速度(76)5.3 驅(qū)動命令(76)5.3.1 正方向定長脈沖驅(qū)動(76)5.3.2 負方向定長脈沖驅(qū)動(76)5.3.3 正方向連續(xù)驅(qū)動(77)5.3.4 負方向連續(xù)驅(qū)動(77)5.3.5 暫停(77)5.3.6 暫停禁止和開始運行/清除停止狀態(tài)(78)5.3.7 減速至停止(78)5.3.8 快速停止（即停）(78)5.4 插補命令(78)5.4.1 2軸直線插補(79)5.4.2 3軸直線插補(79)5.4.3 順時針圓弧插補(79)5.4.4 逆時針圓弧插補(79)5.4.5 2軸離散點（BP）插補(80)5.4.6 3軸離散點（BP）插補(80)5.4.7 啟動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(81)5.4.12 允許減速模式(81)5.4.11 禁止減速模式(82)5.4.14 清除插補中斷(82)第6章　硬件接口設計例程6.1 MCX314與PC-ISA BUS的接口設計(83)6.1.1 ISA總線信號描述及其功能模塊接口(84)6.1.2 輸入/輸出口基地址設置和讀/寫寄存器(85)6.1.3輸入/輸出接口(88)6.1.4PCISA中斷設置(90)6.1.5輸入/輸出信號的時序(90)6.2 MCX314與PC-PCI BUS的接口設計(93)6.2.1 PCPCI BUS概述(93)6.2.2 基于PCI總線的接口電路設計與編程(95)6.3 MCX314與MCS51 CPU的接口設計(101)6.4 MCX314與Z80 CPU的接口設計(103)6.5 MCX314與68000 CPU的接口設計(104)6.6 信號驅(qū)動接口(105)6.7 驅(qū)動脈沖輸出類型與接口(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 與限位開關(guān)或者傳感器通用信號接口(107)6.8.1 通用輸出(nOUT7～nOUT4)(107)6.8.2 超程限位開關(guān)輸入(nLMT+、nLMT-)(108)6.8.3 減速停止/立即停止開關(guān)輸入(nIN1、nIN2、nIN3)(108)6.8.4 急停輸入(EMG)(108)6.9 編碼器信號的接口(109)第7章　軟件接口設計例程7.1 C語言接口設計(110)7.1.1 初始化設置函數(shù)(110)7.1.2 加/減速規(guī)律設置函數(shù)(126)7.1.3 直線插補驅(qū)動函數(shù)(137)7.1.4 圓弧插補驅(qū)動函數(shù)(143)7.1.5 位插補驅(qū)動函數(shù)(146)7.1.6 反饋位置信號的輸入函數(shù)(157)7.1.7 輸入信號的輸入函數(shù)(159)7.1.8 輸出信號的驅(qū)動函數(shù)(160)7.1.9 中斷信號驅(qū)動函數(shù)(163)7.2 MCS51 CPU的匯編語言接口設計(164)7.2.1 功能實現(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)設計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)硬件設計(178)8.3 TR008數(shù)控系統(tǒng)軟件設計(179)8.3.1 軟件基礎(179)8.3.2 直線插補(179)8.3.3 圓弧插補(183)8.3.4 螺紋插補(185)8.3.5 位模式插補(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平臺仿真開發(fā)套件(190)附錄2　 MCX314的PC平臺仿真開發(fā)套件(191)參考文獻

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