MCX314As型四轴运动控制器的原理及应用

ＭＣＸ３１４Ａｓ型四轴运动控制器的原理及应用　－３５－　●新特器件应用　ＭＣＸ３１４Ａｓ型四轴运动控制器的原理及应用　张罐　（杭州电子科技大学自动化学院，浙江杭州３１００１８）　摘要：ＭＣＸ３１４Ａｓ可以同时控制４个伺服系统或步进电机系统。可以进行各轴独立的定位控制、速　度控制，亦可在４轴中的任意２轴或３轴中进行圆弧、直线、位模式插补。能独立地设置为恒速、线　性、非对称Ｓ曲线加／减控制、非对称梯形加／减速控制方式。ＭＣＸ３１４Ａｓ增加了自动搜寻原位、输入　信号滤波器、同步动作、圆弧／直线插补脉冲范围３２位、完全Ｓ曲线加／减速的非对称等功能。在应　用上，ＭＣＸ３１４Ａｓ运动控制器和ＭＣＳ一５１单片机相结合，可以用于实现凹版印刷机的收放卷的张力　控制，以提高产品的质量。　关键词：运动控制：ＭＣＸ３１４Ａｓ；单片机：张力控制　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—６９７７（２００６）０５—００３５—０４　中图分类号：ＴＮ４０９　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｏｕｒ　ａｘｅｓ　ｍｏｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ＭＣＸ３１４Ａｓ　ＺＨＡＮＧ　Ｈａｏ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＨａｎｇｚｈｏｕＤｉａｎｚｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１ＯＯ１８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＭＣＸ３　１４Ａｓ　ｉＳ　ａ　４一ａｘｉｓ　ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ＩＣ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　４　ａｘｅｓ　ｏｆ　ｅｉｄｅｒ　ｓｔｅｐｐｅｒ　ｍｏｔｏｒ　ｏｒ　ｐｕｌｓｅ　ｔｙｐｅ　ｓｅｒｖｅ　ｄｒｉｖｅｒｓ　ｆｏｒ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｓ．ＭＣＸ３　１４Ａｓ　ｃａｌｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｅａｃｈ　ａｘｉｓ　ｆｏｒ　ａｌ—　ｌｅｌｅｒａｔｉｏｎ／ｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｓｐｅｅｄ　ｄｒｉｖｉｎｇ，ｌｉｎｅａｒ　ｉｎｔｅｒｐｅｌａｔｉｏｎ，ｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌ　ａｌｌｅｌｅｒａｔｉｏｎ／ｄｅｃｅｌｅｒａ—　ｔｉｏｎ　ｄｒｉｖｉｎｇ，　ａｎｄ　５一ｓｕｒｖｅ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ／ｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ　ＭＣＸ３　１４Ａｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｈｏｍｅ　ｓｅａｒｃｈ　ｉｎｐｕｔ　ｓｉｇｎａｌ　ｆｉｌｔｅｒ，ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ，ｃｉｒｃｕｉｔ／ｌｉｎｅａｒ　ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ　ｐｕｌｓｅ　ｓｉｎｅｄ　３２－ｂｉｇｔ　ｆｏｒｍａｔ，　ｎｄ　ＳＯ　ｏｎ．ａ　Ｉｎ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．ＭＣＸ３１４Ａｓ　ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＭＣＳ一５　１　Ｃａｎ　ｕｓｅ　ｉｎ　ｒｅａｌｉｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｇｒａｖｕｒｅ　ｐｒｅｓｓ　ｔｏ　ｔａｋｅ　ｉｎ　ｎｄ　ｐｕｔａ　ａｗａｙ　ｔｈｅ　ｖｏｌｕｍｅ　ｔｈｅ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｏ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ；　ＭＣＸ３　１４Ａｓ；ＭＣＵ；ｔｅｎｓｉｏｎ　ｃｏｎｔｏｌｒ　１　引言　ＭＣＸ系列运动控制器是日本ＮＯＶＡ公司设计　的专用电路，其中的ＭＣＸ３１４Ａｓ是ＮＯＶＡ公司最新　推出的４轴运动控制器．是对ＭＣＸ３１４功能的改进　和增强。　线、位模式３种模式的轨迹插补，输出脉冲频率达到　４　ＭＨｚ。每轴都有伺服反馈输入端、４个输入点和８个　输出点，能独立地设置为恒速、线性、非对称Ｓ曲线　加／减控制、非对称梯形加戚速控制方式，并有２个　３２位的逻辑、实际位置计数器和状态比较寄存器。实　现位置的闭环控制。另外，较ＭＣＸ３１４增加了自动搜　寻原位、输入信号滤波器、同步动作、输出脉冲３２位、　圆弧，直线插补脉冲范围３２位、完全Ｓ曲线加戚速的　非对称、手动设定模式、位置计算器的可变环形、Ｚ相　输入的实位计数器的清除、实位计算器的增减反转等　功能。同时，ＭＣＸ３１４Ａｓ对连续插补最终写入、圆弧插　ＭＣＸ３１４Ａｓ以单个电路同时控制４个伺服系统　或步进电机系统，可进行各轴独立的定位控制、速度　控制，亦可在任意２轴或３轴中进行圆弧、直线、位模　式插补。ＭＣＸ３１４Ａｓ能与８／１６位数据总线接口，通过　命令、数据和状态等寄存器实现４轴３联动的位置、　速度、加速度等的运动控制和实时监控，实现圆弧、直　补终点指定、输入ＵＰ　ＯＷＮ脉冲的计算出错等做了　维普资讯 http://www.cqvip.com

一３６一　《国外电子元器０ｔ｝２００６年第５期　２００６年５月　卫　ｘ以被独立地预置为Ｓ曲线或梯形加／减速。使用　Ｓ曲线的加／减速命令可以使输出脉冲按抛物线　规律进行加／减速。　ＡＸ１Ｐ＋　ＣＳＮ　ＲＤＮ　ＷＲＮ　Ａ　３一Ａ０　Ｄ１５一Ｄ０　ＢＵＳＹＮ　指令／数据　解释／处理　模块　直线插补　计算模块　ＡＸ２Ｐ—　２轴／３轴　ＡＸ　３Ｐ—　ＡＸ　Ｐ—　ＡＸ　Ｐ—　ＡＸ　Ｐ＋　ＡＸ　Ｐ—　ＡＸ１Ｐ—　ＡＸ２Ｐ＋　ＡＸ　３Ｐ＋　ＹＰ＋　Ｚ＿脉　冲　隔　ＹＰ一　２．４插补功能　直线插补：４轴中的任意２轴或３轴都可以　实现直线插补运动。运动位置边界的坐标介于一　２　１４７，４８３　６４６～＋２　１４７　４８３　６４６之间．同时直线　插补的位置误差为士０．５　ＬＳＢ（最小插补单位）。　圆弧插补　模块２轴　ＡＸ　Ｐ＋　插补控　制模块　离　位模式　ＡＸ　Ｐ＋　Ｄ—　插补模块　２轴／３轴　ＡＸ３Ｐ＋　圆弧插补：任意２轴都能实现圆弧插补．其　插补坐标的范围与直线插补相同．圆弧插补的　位置误差为士１．０　ＬＳＢ（最小插补单位）。　ｘ轴　位模式插补：这种插补的数据由上位机　ＡＸ　３Ｐ一　主轴脉冲ｘ轴控制模块　中断脉冲　主轴脉冲中断脉冲　Ｙ轴控制模块　ＺＰ　ＣＰＵ进行计算．上位机将插补结果写入　Ｙ轴　ＭＣＸ３１４Ａｓ，然后，ＭＣＸ３１４Ａｓ在预置的驱动速　度下连续输出插补脉冲。根据上位机ＣＰＵ的处　理能力，ＭＣＸ３１４Ａｓ可以对各种形状的曲线进行　Ｉ／０　插补。　，蚰　ｔ田　．．　主轴脉冲中断脉冲　ｚ轴控制模块　ＺＰ　中断　信号　发生器　中断脉冲　竺　ｕ轴控制模块　一　连续插补：ＭＣＸ３１４Ａｓ允许不同的插补方式　补　………．不间断的连续插补时允许的最大　Ｉ／ｏ　连续使用，例如直线插补　圆弧插补　直线插　插补速度为２　Ｍｐ／ｓ。　２．５位置控制　图１　ＭＣＸ３１４Ａｓ的功能框图　相应的改善。　２内部结构和主要功能　图ｌ为ＭＣＸ３１４Ａｓ的功能框图。由相同功能的　每个轴都有一个３２位的逻辑位置计数器和一　个３２位的实际位置计数器。逻辑位置计数器记录输　出的位置脉冲。实际位置计数器记录从外部编码器　或者线性比例尺输入的反馈脉冲。　２．６比较寄存器和软件限位　Ｘ、Ｙ、Ｚ和Ｕ轴的控制部分和插补计数部分组成。主　要功能如下：　２．１　４轴控制　每个轴都有２个３２位比较寄存器．一个为逻辑　位置计数器．另一个为实际位置计数器。比较结果可　从状态寄存器读出．也可以通过中断报出。这些寄存　器也可以被用来实现软件限位。　２．７自动搜索原位功能　ＭＣＸ３１４Ａｓ在不需要ＣＰＵ干涉下可以完成自　ＭＣＸ３１４Ａｓ通过脉冲序列驱动控制电机运动。４　轴运动控制器中的４个轴都具有相同的功能，允许　至多３轴联动．同时对于恒速驱动、插补或Ｓ曲线驱　动都有相同的操作方法。Ｓ曲线加／减速驱动等４轴　的性能相同。　２．１速度控制　动搜索原位的工作。这个过程包括高速原位搜索　低速原位搜索　编码器Ｚ相搜索　补偿驱动。这种　功能减少了ＣＰＵ的负担。　２．８同步运行　对于恒速驱动、插补或Ｓ曲线加／减速驱动，输　出脉冲的频率范围是ｌ　ｐ／ｓ～４　Ｍｐ／ｓ，而输出脉冲频　率的精度（时钟频率为１６　ＭＨｚ）ｄ￣于士０．１％。速度倍　率为ｌ～５００。驱动脉冲输出的速度可以在不运行时　自由变化。　２．３加，减速驱动　同步运行可实现一些特殊功能。例如在每个轴　或２个轴或与该电路相连的外部器件产生激励信号　能使运行同步开始或停止。可以使用ｌ０种类型的激　励信号，其中包括特殊位置、轴运动时的开始／停止　和输入信号的脉冲上升沿／下降沿。４种运行的响应　ＭＣＸ３１４Ａｓ可以控制每根轴的恒速驱动、插补　的加／减速驱动和Ｓ曲线加／减速驱动。每个轴还可　维普资讯 http://www.cqvip.com

ＭＣＸ３１４Ａｓ型四轴运动控制器的原理及应用　一３７一　包括轴运动的开始／停止、保存位置的计算值和写入　轴运行的速度等。　２．９输入信号过滤　位为０，则输出为低电平；若数据位为１，则输出为高　电平。　３．９数据寄存器（剐Ｒ６，Ｉ　７）　ＭＣＸ３１４Ａｓ具有对每个输人信号进行滤波的功　ＲＲ６和ＲＲ７是数据寄存器并对相应的数据读　取命令。ＲＲ６存放低１６位（Ｄ１５一ＤＯ），ＲＲ７存放高　１６位（Ｄ３１￣Ｄ１６）。　３．１０写数据命令　能，并且可以设置输入的信号是否进行滤波还是直　接进人电路。滤波的时间常数可以选择。　３主要控制寄存器及指令系统　设置驱动参数如加速度、驱动速度、输出脉冲数　３．１命令寄存器（ＷＲ０）　ＭＣＸ３１４Ａｓ中各轴的ＷＲ０寄存器用来进行各　轴设定和命令寄存，它包括轴设定的各位、命令字设　定的各位以复位命令的各位。在向此寄存器写人轴　设定字和命令字后，它将立即执行。某些命令在写　人ＷＲ０之前应先写人ＷＲ６和ＷＲ７。　３．２模式寄存器１（ＷＲ１）　４轴都有各自的状态寄存器１，写哪个寄存器取　决于ＮＯＰ指令的指定或写前的情况。ＷＲ１可以控　制输人信号ＩＮ３　ＩＮ０的使能，并用于设定减速状态　和比较结果寄存器。　３．３模式寄存器２（ＷＲ２）　ＷＲ２设定外部限位开关输人、反馈计数器脉冲　类型及伺服驱动的反馈信号。　３．４模式寄存器３（ＷＲ３）　４个轴都有各自的ＷＲ３。读哪个状态寄存器取　决于已被指定的轴或ＮＯＰ指令指定的轴。ＷＲ３可　用于操作手动减速、单独减速、Ｓ曲线加／减速、外部　操作模式设定和通用输出ＯＵＴ７　ＯＵＴ４的设定。　３．５输出寄存器（ＷＲ４）　该寄存器用于设定４轴的输出信号ｎＯＵＴ３　ｎＯＵｒｍ。它也可以被用作１６位的通用输出。若某位　置０，将会输出低电平；置１将会输出高电平。　３．６主状态寄存器（ＲＲ０）　该寄存器用来显示各轴驱动和错误的状态。此　外，它还显示插补、连续插补的就绪信号、圆插补的　象限和ＢＰ插补的栈计数。　３．７状态寄存器１（ＲＲ１、ＲＩＯ，、ＲＲ３）　每个轴都有状态寄存器ＲＲ１、ＲＲ２和ＲＲ３。读　取哪个状态寄存器，取决于写人ＭＣＸ３１４Ａｓ的命　令。命令１０ＦＨ表示Ｘ轴．２０ＦＨ表示Ｙ轴．４０ＦＨ表　示Ｚ轴，８０ＦＨ表示Ｕ轴。　３．８输入寄存器（ＲＲ４／ＲＲ５）　ＲＲ４和ＲＲ５为通用寄存器。如果寄存器的数据　时．要用写数据命令，以将这些参数，数据写入　ＭＣＸ３１４Ａｓ。如果同时指定多轴，可以对不同的轴同　时写人相同的数据。如果数据长度是２　Ｂ，只需把数　据写人ＷＲ６。如果数据长度大于２　Ｂ，则高１６位写　人ＷＲ７，低１６位写人ＷＲ６。数据写入数据寄存器　后，向ＷＲ０写人命令设定轴，然后执行命令。　３．１ｌ读取数据指令　数据读取命令用来读取各轴寄存器的值。当向　ＷＲ０写人读命令后，数据将出现在ＲＲ６和ＲＲ７中，　要读取的数据是二进制的，负值为二进制补码形式。　３．１２驱动命令　驱动命令将控制ＭＣＸ３１４Ａｓ以不同的方式输　出驱动脉冲。当向ＷＲ０写人命令代码并指定控制　轴后，该命令被立即执行。可以同时用同一命令指定　多轴。运行时，每个轴的ＲＲ０的ｎＤＲＶ位将置为１，　当运行结束时，ｎＤＲＶ位置０。　３．１３插补命令　插补命令由２轴或３轴直线插补、顺时针／逆时　针圆弧插补、２轴或３轴位模式插补和其他有关命　令组成。当向ＷＲ０写入插补命令时，置ＷＲ０的　Ｄ８　Ｄ１位为０，因为对插补命令没有必要指定轴。　在执行插补命令之前，必须先执行以下２步：通　过设置ＷＲ５的Ｄ５　ＤＯ位来指定要插补的轴；设定　主轴的速度参数。　４应用电路　目前．占据国内数控市场主要分额的经济型数　控系统多采用ＭＣＳ一５１系列单片机或ＭＣＳ一５１系列　兼容的单片机，最高频率为１２　ＭＨｚ　４０　ＭＨｚ，单周　期指令执行时间为２５０　１３８　１　ｍｓ．限制了经济型数控　系统的进一步发展．尤其是多轴高速联动、螺纹高速　切割和高分辨率控制等功能受到限制。将　ＭＣＸ３１４Ａｓ运动控制器和ＭＣＳ一５１系列单片机相结　合构建高性能经济型数控系统．可以解决传统经济　维普资讯 http://www.cqvip.com

一３８一　《国外电子元器ａ￣）２ｏｏ６年第５期　２００６年５月　ＭＣＸ３１４Ａｓ的片选信号和低　位地址Ａ０一Ａ３都由ＰＳＤ９１３Ｆ２产　生．数据线和读／写信号直接由　８９Ｃ５２相应的数据线和读／写信号　控制，中断信号触发８９Ｃ５２的外　部中断端。ＭＣＸ３１４Ａｓ只有一个　中断信号端口，所有中断源信号　必须进行“或运算”后输出到中断　信号端口。中断源的使能和状态　通过ＭＣＸ３１４Ａｓ上的写／读寄存　器进行设置和判断。　８９Ｃ５２、ＰＳＤ９１３Ｆ２　和　ＭＣＸ３１４Ａｓ能够提供３２个通用　输入端、３２个通用输出端、１３个　可编程通用输入／输出端。这些端　口用于Ｓ、Ｍ、Ｔ功能和各种反馈　输入信号。　系统放卷和收卷电机控制脉　图２　４轴运动控制卡及其带料／ｊｎ－ｒ生产过程　冲由ＭＣＸ３１４Ａｓ产生，经过差分　型数控系统速度慢、功能少、开发难度大等问题，具　有很好的发展前景。　输出驱动器产生差分驱动输出，既可以控制数字式　交流伺服驱动器．也可以控制步进电机驱动器和直　流电机驱动器。外部反馈脉冲经过差分输入驱动后　张力控制广泛应用于各种卷壳及滚筒组成的　加工生产线，如造纸厂、印刷厂、纺织漂染厂和食品　厂等。这些生产线在处理纸张、薄片、丝、线、布等大　尺寸材料的过程中必须有一定的张力。张力太小会　导致褶皱和套印不准等弊病：张力太大会无谓增加　输入ＭＣＸ３１４Ａｓ．张力传感器信号和速度信号也可　以直接输入ＭＣＸ３１４Ａｓ。通用输入／输出信号都要经　过光电隔离．直至驱动后才能与ＭＣＸ３１４Ａｓ或　ＰＳＤ９１３Ｆ２相连　机器负荷并容易使材料断裂；而张力不稳定会使材　料发生跳动也会导致套印不准及重影等。为了保持　５结束语　张力控制系统是印刷包装行业中的重要环节。　将ＭＣＸ３１４Ａｓ型运动控制器应用于凹版印刷机的　产品的品质、效率及可靠性．一套功能完备的张力　控制系统是必需的。如图２所示，凹版印刷机的张　力控制装置整体可以分为３部分：张力／速度检测　装置、控制装置、执行机构及驱动器。其中，控制装　张力控制系统可以提高系统的稳定性和可靠性，使　得更高级和更智能的控制策略得以运用。但该系统　的抗干扰能力还需要进一步改进。　参考文献：　置是系统控制的核心．本设计使用ＭＣＸ３１４Ａｓ和　８９Ｃ５２型单片机来实现系统的张力控制和速度调　整。　ｆ１１叶佩青，汪劲松．ＭＣＸ３１４运动控制芯片与数控系　统设计ｆＭ１．北京：北京航空航天大学出版社，２００２．　ｆ２１ＭＣＸ３　１４Ａｓ　Ｕｓｅｒ＇ｓ　Ｍａｎｕａｌ［Ｚ］．Ｎ０ＶＡ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，　作者简介：张雌（１９８２一），男，浙江杭州人，现为杭　州电子科技大学控制理论与控制工程专业２００４级　硕士研究生．研究方向为生产过程综合自动化。　收稿日期：２ｏ０５—１０—１８　咨询编号：０６ｏ５１２　４轴运动控制卡以ＭＣＸ３１４Ａｓ为核心．采用　８９Ｃ５２型单片机作为主控制器，并采用ＰＳＤ９１３Ｆ２　型可编程外围器件替代传统的大部分外围器件。　ＭＣＸ３１４Ａｓ的时钟频率由外部决定．本系统采用了　ＭＣＸ３１４Ａｓ默认的１６　ＭＨｚ频率作为时钟信号。图　２中．ＰＧ１、ＰＧ２、ＰＧ３、ＰＧ４为光电编码器，Ｍ１、Ｍ２、　Ｍ３、Ｍ４是步进电机。