基于MCX314芯片的多軸運動控制平臺

摘    要：本文主要介紹了基于MCX314運動控制芯片搭建的運動控制平臺。重點描述了芯片的寄存器及其命令方式，并闡述了系統能夠實現的位置、速度、加速度等各種控制方式和直線、圓弧、位模式的插補方式，并給出了一個位模式插補方式實現的全過程。
關鍵詞：數字脈沖接口；MCX314；硬件插補；位模式

引言
目前，運動控制主要通過單片機或者計算機實現，這種方法的軟、硬件研制周期長，嚴重影響系統的性能和可靠性。本文介紹的數控系統采用的是硬件插補，縮短了軟件設計周期。另外，原有的插補是根據給定的數學函數，在理想的軌跡或輪廓上的已知點之間確定中間點的一種方法，很難得到復雜的曲線方程，而MCX314中的位模式插補功能就能很好地解決這個問題。本文介紹的算法可以將復雜曲線用一種特殊格式的文件來表示，用位模式實現插補驅動。
圖1為基于ＭCX314芯片的４軸數控系統的硬件平臺，系統的軟件平臺建立在它之上。此硬件平臺通過ISA總線接口實現對4個軸運動的控制，可提供4通道全數字伺服接口和1通道12位的模擬輸出(用于主軸控制), 其中每個軸都可以獨立設定位置或者控制速度,另外還提供了64輸入/48輸出光電隔離接口。它的軸控制器包括脈沖輸出接口、編碼器輸入接口和外部信號輸入接口。脈沖輸出接口直接與步進或數字伺服電機連接，控制電機運動；編碼器輸入接口接收來自電機上編碼器的反饋數據，實現閉環控制。

使用MCX314的運動控制平臺的優勢
基于MCX314芯片的運動控制平臺是一款全數字平臺，因為它完全有別于以前的數控系統，以前的數控系統采用的是模擬信號輸出，在系統內部，CPU以數字形式對信號進行處理，然后通過D/A轉換輸出模擬信號控制伺服電機運動，由輸出的模擬信號的電平高低來控制電機轉動的快慢。它采用的是脈沖形式輸出，在整個處理與輸出的過程中都采用數字信號，由輸出脈沖的頻率來控制電機轉動的快慢，由輸出脈沖的多少來控制電機轉動多少。如圖1所示，4軸控制器與電機之間交換的是數字信號，脈沖輸出和編碼器反饋都是高低電平形式，使用數字信號大大提高了系統的抗干擾性。
平臺具有這樣的優勢是與MCX314芯片的特點分不開的。MCX314四軸運動控制芯片是基于DSP的運動控制專用芯片，接口簡單、編程方便，在數控機床、雕刻機、工業機器人等領域得到廣泛應用，并正在向新的應用領域拓展。MCX314芯片能與8位或者16位總線接口，通過命令、數據和狀態等寄存器實現4軸3聯動，實現位置、速度、加速度的運動控制和實時監控，該芯片具有3種模式插補功能，輸出脈沖頻率最高可達4MHz。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、線性或者S曲線加/減速控制方式，并有2個32位的邏輯、實際位置計數器和狀態比較寄存器，實現位置的閉環控制。
平臺有兩項功能是最能體現它的靈活性和易操作性的，即它的硬件插補功能和位模式插補功能。所謂硬件插補，即不用編寫復雜的插補程序，只需要設定一些參數和發出差補命令即可完成插補任務。

硬件插補功能
在硬件插補當中，不用考慮插補算法，只要給出參數以及插補命令，整個過程就能由芯片自動控制，不需要軟件的任何干預。圖2是硬件插補的應用流程。
本系統可以在4個軸中任意挑選出2個或者3個軸進行 直線插補、圓弧插補和位模式插補驅動，所以在進行插補驅動前應指定插補軸。

位模式插補功能
位模式插補是把CPU計算的插補數據以數據包的方式接收后，以指定的驅動速度連續輸出插補脈沖。簡單地說，位模式插補就是根據+/-方向驅動脈沖的高低電平狀態來進行插補，每一位對應一個脈沖，隨即驅動馬達轉動一步，如果馬達轉動一圈需要2048個脈沖，那么一個脈沖可使馬達轉動1/2048周。利用位模式差補方式可以加工出任意復雜形狀的曲線。
圖3為位模式插補的整個流程圖，直觀地介紹了位模式插補的整個過程，包括各個寄存器使用的時機，各種命令如何搭配使用來完成位模式插補的全過程。
算法實現
本文介紹的這個算法是將插補數據以一種特殊的格式放入一個文件中，算法根據數據的格式讀取插補數據，進行插補驅動，插補驅動的過程如圖3所示，在后面的流程中不作詳解。插補數據根據二維/三維曲線的具體形狀而形成。
1. 舉例構建位模式插補數據結構文件如下：
Bitpattern.bp(文件名)文件數據如下：
BITPATTERN
AXIS 3   ——插補軸的指定
B        ——數據有效，可以讀取
0000 2bff ffd4 0000① ——插補數據
B
f6fe 0000 000f 3fc0
B
1fdb 0000 00ff fc00
B
4000 7ff5 0000 0aff
E  ——后面無數據，文件結束
2. 位模式插補數據結構文件的格式介紹：
?BITPATTERN：表示此文件的格式為位模式數據文件。
?AXIS：表示插補軸。
?3：十六進制數(二進制0011)，表示插補軸的設定，同時表示２軸位模式插補，第一軸X和第二軸Y，全部參數設定參見表1。
當程序從位模式數據文件中讀到此數值時，則根據表1中的規定執行相應的函數子程序。
B：表示下面有一行有效的位模式插補數據，可以讀取。
E：表示下面無數據，位模式插補數據結束，位模式數據文件結束。
其中的每行數據為十六進制數，表示插補數據，以①為例，“0000 2bff ffd4 0000”表示的分別是AX1軸正、負方向，AX2軸正、負方向的低16位數據。

結語
本文介紹的系統采用數字脈沖接口，處理的是數字信號，這在很大程度上提高了系統的抗干擾能力和可靠性，而且采用的是硬件插補方式，系統性能提高了，閉環處理的速度加快了，從而大大降低了數控軟件的編寫難度，縮短了開發周期。位模式插補方式解決了復雜曲線用公式難以描述的問題，文中介紹的算法巧妙地將復雜曲線轉換成一種格式文件，充分發揮出位模式插補的優勢。■

參考文獻
1.The Data Book of MCX314, NOVA
2.葉佩青，汪勁松. MCX314運動控制芯片與數控系統設計. 北京：北京航空航天大學出版社，2002，11
3.畢承恩，丁乃建. 現代數控技術(上、下). 北京：機械工業出版社， 1991