引言

本文引用地址： http://www.21ic.com/app/control/200904/39426.htm

運動控制系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，而嵌入式技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用還不太成熟，近年來，工業(yè)控制對運動控制系統(tǒng)的要求越來越高，為了滿足新一代運動控制系統(tǒng)的各項性能要求，嵌入式運動控制器應(yīng)運而生。基于ARM與DSP運動控制芯片相結(jié)合的新一代運動控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮ARM微控器與專業(yè)運動控制芯片MCX314As的各自特點，可方便的構(gòu)成高性能的嵌入式運動控制系統(tǒng)。

運動控制芯片MCX314As

MCX314As是日本NOVA電子有限公司的DSP運動控制專用芯片，它是控制4軸的脈沖序列輸出驅(qū)動伺服電機、步進電機的運動控制芯片，可用于工業(yè)自動化設(shè)備、工業(yè)機器人、測量設(shè)備、辦公設(shè)備和家用電器等。可以進行各軸獨立的定位控制、速度控制，另一方面亦可在4軸中任意的選擇2軸或是3軸來進行圓弧、直線、位模式插補。輸出脈沖頻率高達4MHZ，誤差低于±0.5最小插補單元，倍率1～500。每軸都有伺服反饋輸入端、四個輸入點和8個輸出點，能獨立地設(shè)置為恒速、線性、非對稱S曲線加/減控制、非對稱梯形加/減控制，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［1］。

MCX314As運動控制芯片能與8/16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、加速度等運動控制和實時監(jiān)視。在實際運用時可以把所有極其復(fù)雜的實時運動控制工作交給MCX314As芯片來處理，而主機CPU只需要向MCX314As芯片發(fā)出一系列的控制指令便能實現(xiàn)各種復(fù)雜的運動。

2 ARM微處理器S3C2410

S3C2410 是韓國三星公司的32位RISC嵌入式處理器。該處理器為手持設(shè)備和一般性應(yīng)用提供了一個高性價比、低功耗、高性能的解決方案。該芯片基于ARM920T內(nèi)核，采用五級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，主頻高達200MHz［3］。ARM920T具有全性能的內(nèi)存管理單元MMU、獨立的16KB指令和數(shù)據(jù)Cache以及高速AMBA總線接口。為了減少應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的成本，S3C2410集成了眾多的常用資源，例如：LCD控制器、NANDFlash控制器、SDRAM控制器、系統(tǒng)片選邏輯以及一些常用的通訊接口等資源，使它廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

運動控制器的基本構(gòu)成

由S3C2410和MCX314As構(gòu)成運動控制器。在開發(fā)板S3C2410上設(shè)計有系統(tǒng)總線預(yù)留接口，預(yù)留了S3C2410芯片上的基于通用IO口的信號線，包括16位數(shù)據(jù)線、12位地址線、片選信號和一些讀寫控制信號線，以方便用戶擴展應(yīng)用電路。運動控制芯片MCX314As與S3C2410處理器的連接就是通過這個標準的系統(tǒng)總線接口電路，把兩者的數(shù)據(jù)線、地址線、讀寫控制線、片選信號和中斷等信號連接起來。在兩者信號連接連接之間加入SN74ALVC164245的芯片來實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，同時驅(qū)動信號。另外還需要注意的是，我們使用的是16位數(shù)據(jù)線的傳輸，所以MCX314As芯片的H16L8引腳必須接上高電平。

圖1 S3C2410與MCX314As的接口電路框圖

嵌入式運動控制系統(tǒng)系統(tǒng)進行加工的過程實際上就是從ARM上位機傳輸數(shù)據(jù)到MCX314As下位機的過程。其控制流程如下：

（1）加工程序運行開始，首先對MCX314As芯片進行初始化。對MCX314As芯片進行設(shè)置初始速度、加速度、減加速度、加速度變化率、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)方式、邏輯位置計數(shù)器清零、實際位置計數(shù)器清零等。

（2）選擇需要進行加工的軸，MCX314As芯片有X、Y、Z、U四個軸，都有著相同的功能能力，能實現(xiàn)四軸三聯(lián)動。

（3）設(shè)置所選軸模式和運行參數(shù)，包括直線定速模式、單步插補輸出模式和中斷請求。

（4）初始化位置計數(shù)器，即將數(shù)據(jù)庫中的行號寫入此計數(shù)器進行減法計算，每處理完一行數(shù)據(jù)進行減一處理。

（5）進行命令和數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)出數(shù)據(jù)后對狀態(tài)寄存器進行檢查，加工完一段后發(fā)出信號然后再發(fā)送下一組數(shù)據(jù)，一直到加工完成為止。在加工過程中一旦出現(xiàn)中斷，首先讀取各寄存器數(shù)據(jù)進行保存，等待恢復(fù)加工后再讀寫出來。整個數(shù)據(jù)庫文件輸出結(jié)束后，保存運行系統(tǒng)完成后的數(shù)據(jù)信息和系統(tǒng)所處的狀態(tài)信息，以備下個零件加工，由此加工結(jié)束。

運動控制器在XY兩軸數(shù)控伺服工作臺中的應(yīng)用

XY兩軸工作臺是采用滾珠絲桿和滾動導(dǎo)軌傳動的十字工作臺（X、Y兩軸垂直）。X、Y兩軸兩端各有1個限位開關(guān)。采用松下交流伺服電機（型號MSMA022A1C，功率200W，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定轉(zhuǎn)矩0.64Nm）驅(qū)動工作臺運動，電機驅(qū)動器采用松下伺服驅(qū)動器MSDA023A1A。采用光電編碼器作為位置反饋器件（伺服電機同軸安裝11線2500P/r增量編碼器）［3］

圖2是該平臺的X軸驅(qū)動原理圖［1］，Y軸驅(qū)動與X軸驅(qū)動電路相同。圖中M為伺服電機，EC是編碼器。將伺服驅(qū)動器的“控制模式”設(shè)置為“位置控制”，把指令脈沖設(shè)置為CW/CCW方式。S3C2410按流程圖操作MCX314As，設(shè)置相應(yīng)的運動參數(shù)，寫入功能命令，即可完成對平臺的運動軌跡控制。

圖2 單軸信號驅(qū)動系統(tǒng)的接口示意框圖

結(jié)語

運動控制系統(tǒng)在工業(yè)控制中的應(yīng)用比較廣泛，MCX314As是高集成度的運動控制專用芯片能實現(xiàn)四軸三聯(lián)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)插補和位置閉環(huán)控制。而ARM處理器具有強大的32位RISC性能，體積小、功耗低。用ARM與專業(yè)運動控制芯片設(shè)計運動控制器能大大減輕研發(fā)任務(wù)，加快研發(fā)速度，可以在較短時間內(nèi)得到控制性能優(yōu)異的嵌入式運動控制系統(tǒng)。