(1)以固定速度或加／減速度輸出指定數(shù)量的脈沖達(dá)到定量驅(qū)動(dòng)；連續(xù)輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，直至高位的停止命令或外部的停止信號(hào)有效時(shí)停止實(shí)現(xiàn)連續(xù)驅(qū)動(dòng)。用于快速歸零原點(diǎn)開關(guān)搜尋、掃描操作、控制馬達(dá)旋轉(zhuǎn)連續(xù)驅(qū)動(dòng)速度等。
(2)設(shè)定各線段的加／減速曲線為定速、直線(梯形)加／減速或S曲線加／減速，使用S曲線加／減速可使運(yùn)動(dòng)更平滑，但降低了總速度。
(3) 每個(gè)控制軸都有2個(gè)用于控制當(dāng)前位置的32位可逆計(jì)數(shù)器，一個(gè)是在器件內(nèi)部管理驅(qū)動(dòng)脈沖輸出的邏輯位置計(jì)算器，另一個(gè)是管理來自外部編碼器脈沖的實(shí)際位置計(jì)數(shù)器；另外每個(gè)軸還有2個(gè)32位比較寄存器，用于比較邏輯位置計(jì)數(shù)器和實(shí)際位置計(jì)數(shù)器的位置大小，可作為軟件限位控制。
(4) 可以任選2軸或3軸，進(jìn)行直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、位模式插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)。插補(bǔ)坐標(biāo)范圍是從當(dāng)前位置到一8，388，608～+8，388，608之間，在整個(gè)指定的直線插補(bǔ)范圍內(nèi)的插補(bǔ)精度是+0.5LSB．插補(bǔ)速度范圍是1pps～4Mpps；位插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)可以產(chǎn)生任何插補(bǔ)曲線；同時(shí)可以進(jìn)行直線插補(bǔ)→圓弧插補(bǔ)→ 直線插補(bǔ)的連續(xù)插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)，連續(xù)插補(bǔ)時(shí)最高達(dá)2Mpos。
(5)加／減速驅(qū)動(dòng)的定速開始時(shí)、定速完畢時(shí)、驅(qū)動(dòng)完畢時(shí)、位置計(jì)數(shù)器和比較器之間的大小關(guān)系變化時(shí)均會(huì)產(chǎn)生中斷。此外，連續(xù)插補(bǔ)、位模式插補(bǔ)發(fā)生下一個(gè)數(shù)據(jù)請求時(shí)位置限制也會(huì)產(chǎn)生中斷。
其他功能主要有外部信號(hào)控制的驅(qū)動(dòng)操作、脈沖輸出／輸入方式的選擇、硬件限制信號(hào)輸入、緊急停止、每軸具有8個(gè)通用輸出信號(hào)和4個(gè)通用輸入信號(hào)、驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的輸出[3]。
4 控制卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1控制卡硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
控制卡硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。PCI端的主要信號(hào)有地址、數(shù)據(jù)多路復(fù)用的輸入／輸出信號(hào)(AD[3l-O])、總線命令和字節(jié)使能多路復(fù)用信號(hào)(CBE[3 -O])、奇偶校驗(yàn)信號(hào)(PAR)、幀周期信號(hào)(FRAME)、發(fā)起設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào)(IRDY)、目標(biāo)設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào)(TRDY)、初始化設(shè)備選擇信號(hào) (IDSEL)、設(shè)備選擇信號(hào)(I)EVSEL)、時(shí)鐘輸入信號(hào)(CLK)、復(fù)位信號(hào)(RST)和中斷信號(hào)(INTA)。這些信號(hào)完全符合：PCI規(guī)范的要求。
控制卡本地端使用的信號(hào)主要有雙向數(shù)據(jù)信號(hào)(D[7-0])，地址信號(hào)(A[14—0])，獨(dú)立輸出控制信號(hào)A15，I／O端口讀／寫控制信號(hào) (IOP_RD，IOP_WR)及中斷信號(hào)(INTA)。CH365在I／O讀寫控制時(shí)只用到8根地址線A[7—0]。在本系統(tǒng)中，低4位地址信號(hào)A[3 —0]作為MCX314As中寄存器的地址信號(hào)直接連到MCX314As，高4位A[7—4]作為譯碼電路的輸入信號(hào)來產(chǎn)生MCX314As的片選信號(hào)， A[14—8]空閑不用，獨(dú)立輸出控制信號(hào)A15作為控制是否啟用電子齒輪電路的選通開關(guān)信號(hào)。
對于MCX314As，其RSq、端與CH365共用，該輸入把：MCX314As的RESETN置為低電平且大于4周期以上時(shí)，執(zhí)行復(fù)位。CS端為 MCX314As的片選信號(hào)，由CPLD中的譯碼電路模塊產(chǎn)生。H16L8端接地，設(shè)置電路處于8位數(shù)據(jù)總線訪問方式，這是因?yàn)镃H365的數(shù)據(jù)傳輸是8 位。也正因?yàn)檫@樣，本系統(tǒng)只用到MCX314As的16位數(shù)據(jù)總線D[15：0]中的D[7：0]，而D[15：8]要經(jīng)高電阻接至+5V。RD和WR分別為MCX314As的讀、寫信號(hào)線，當(dāng)它們?yōu)榈碗娖綍r(shí)，可以對MCX314As進(jìn)行寄存器的讀寫操作。需要特別注意的是由于本系統(tǒng)采用8位數(shù)據(jù)傳輸，所以對于MCX314As中的16位寄存器分為高8位和低8位地址，讀寫操作必須訪問2次。A[3：0]用來選擇MCX314As的寄存器地址。 BLTSYN連接MCX314As忙信號(hào)，處于低電平時(shí)不能執(zhí)行寫入命令。MCX-314As只有一個(gè)中斷INTN，所有中斷源都需進(jìn)行“或運(yùn)算”后輸出到中斷信號(hào)端口。與其他運(yùn)動(dòng)控制卡相比，本運(yùn)動(dòng)控制卡的最大特色是具有位插補(bǔ)功能、自動(dòng)原位搜尋功能及電子齒輪設(shè)計(jì)。
與直線、圓弧插補(bǔ)相比，位插補(bǔ)不是由幾個(gè)參數(shù)和指令來產(chǎn)生任一特定的運(yùn)動(dòng)控制(如直線、圓弧等)，它需要由上位機(jī)提供所有的插補(bǔ)數(shù)據(jù)。而這種插補(bǔ)模式卻有很大的適應(yīng)性，它對插補(bǔ)數(shù)據(jù)沒有任何形式的限制，這無疑為實(shí)現(xiàn)樣條插補(bǔ)、特殊函數(shù)曲線插補(bǔ)提供了方便，使得本運(yùn)動(dòng)控制卡在加工復(fù)雜輪廓曲線的工件時(shí)有很大的優(yōu)越性，尤其適用于仿形機(jī)上的應(yīng)用。由于位插補(bǔ)需要大量的插補(bǔ)數(shù)據(jù)，因此如何生成和管理這些數(shù)據(jù)就成為位插補(bǔ)模式應(yīng)用的關(guān)鍵。一般來講，插補(bǔ)數(shù)據(jù)都是由上位機(jī)提前生成的，這樣，如何管理這些數(shù)據(jù)使其能及時(shí)寫入而讓插補(bǔ)連續(xù)進(jìn)行就成為本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵。針對這些數(shù)據(jù)“先進(jìn)先出”的特點(diǎn)．本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用隊(duì)列管理機(jī)制，并結(jié)合MCX314As中的堆棧計(jì)數(shù)器(SC)，利用中斷不斷地將插補(bǔ)數(shù)據(jù)寫入MCX314As中的4個(gè)(正反向各2個(gè))數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，從而保證了位插補(bǔ)的連續(xù)性。位插補(bǔ)的終止有2種方式：向正反方向各2個(gè)緩沖區(qū)都寫入l；上位機(jī)停止寫入數(shù)據(jù)。
自動(dòng)原位搜尋功能有助于機(jī)床快速歸零到機(jī)床參考點(diǎn)。在此功能下，設(shè)計(jì)系統(tǒng)按選定軸負(fù)方向高速驅(qū)動(dòng)至原點(diǎn)附近，然后以低速驅(qū)動(dòng)直到原點(diǎn)信號(hào)或編碼器Z信號(hào)激活而停止。再以設(shè)定的驅(qū)動(dòng)速度往正方向快速歸零到機(jī)床參考點(diǎn)。與其他控制系統(tǒng)的通過程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)制相比，該功能更為簡單方便。
在3軸極坐標(biāo)螺旋仿形加工中，要求其中2軸(極徑、極角)按工件外形輪廓曲線聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)。第三軸按設(shè)定的螺距跟隨極角坐標(biāo)軸進(jìn)給。在一般三軸加工中，上位機(jī)發(fā)送來的加工數(shù)據(jù)都為3維增量坐標(biāo)，這里的第三軸增量坐標(biāo)數(shù)據(jù)由設(shè)定的螺距決定，而M(2X314As的速度是按合成速度來控制的，這樣就會(huì)出現(xiàn)下述情況：當(dāng)粗加工螺距設(shè)定很大時(shí)。第三軸數(shù)據(jù)值就大，速度分量也很大，導(dǎo)致其它2軸速度分量大大降低，影響加工效率與質(zhì)量�？紤]到這種情況，本系統(tǒng)基于電子隨動(dòng)原理設(shè)計(jì)了電子齒輪，1軸可以按設(shè)定的比率從動(dòng)于其他3軸中的任意l軸(類似機(jī)械齒輪傳動(dòng))，也可以解除這種從動(dòng)關(guān)系的設(shè)定。在電子齒輪關(guān)系機(jī)制下，上述的3軸極坐標(biāo)螺旋仿形加工就只需2軸數(shù)據(jù)，而第三軸按設(shè)定的傳動(dòng)比率跟隨前者中的某一軸，從而理想地解決了這個(gè)難題。
為了提高反饋脈沖的分辨率，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)還采用了4倍頻電路設(shè)計(jì)，對電動(dòng)機(jī)的編碼反饋脈沖進(jìn)行4倍頻處理。
為了提高板卡的集成度，本系統(tǒng)使用VHDL硬件描述語言在(2PLD(MAX7000)中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的一些外圍電路。如地址譯碼(用于產(chǎn)生M(2X314As的片選信號(hào))、4倍頻電路、電子齒輪電路、速度倍率手輪譯碼等，限于篇幅，不再介紹。
系統(tǒng)對電機(jī)的控制脈沖由MCX314As產(chǎn)生，并根據(jù)需要選擇是否采用電子齒輪傳動(dòng)方式，然后經(jīng)差分驅(qū)動(dòng)輸出驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生差分驅(qū)動(dòng)輸出，既可以控制數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)器，也可以控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)編碼器反饋信號(hào)(A、B、Z)經(jīng)過高速光電隔離后輸入CPLD，經(jīng)過4倍頻后傳輸給MCX314As的實(shí)際位置寄存器，用于位置顯示和軟件限位。通用輸出信號(hào)經(jīng)過74LS06型輸出緩沖器輸出。外部反饋脈沖(如超程限位信號(hào)、原位搜索信號(hào)等)及外部手動(dòng)控制信號(hào)要經(jīng)過光電隔離才能輸入MCX314As。
本系統(tǒng)采用MCX314As默認(rèn)的16MHz頻率作為時(shí)鐘信號(hào)。該時(shí)鐘決定了每個(gè)軸的正／負(fù)方向的驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)間周期。圖2示出MCX314As的時(shí)鐘電路[4]。
4.2控制卡系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
控制卡系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是板卡驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、CPLD硬件語言描述程序和MCX314As功能驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序主要是圍繞(2H365來實(shí)現(xiàn)該板卡與PC的接口功能，選用DriverStudio 2.6開發(fā)工具，快速有效地開發(fā)了在Windows環(huán)境下用戶級(jí)的WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，向該板卡的運(yùn)用程序提供I／O基址、中斷號(hào)等。CPLD硬件語言描述程序是用VHDL編寫的，主要實(shí)現(xiàn)M(2X314As的片選信號(hào)、4倍頻電路、電子齒輪電路、速度倍率手輪譯碼等外圍電路功能。MCX314As的功能驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)計(jì)是用于MCX314As的初始化、速度和加速度設(shè)置、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、歸零搜索(1IOME)、硬件限位、位插補(bǔ)、數(shù)字信號(hào)的輸入／輸出和中斷信號(hào)處理等功能函數(shù)設(shè)計(jì)。限于篇幅，這里只給出位插補(bǔ)的程序流程，如圖3所示。
5 結(jié)束語
使用高集成度的MCX314As型運(yùn)動(dòng)控制器能實(shí)現(xiàn)4軸控制或3軸聯(lián)動(dòng)的位置、速度、加速度控制，并能實(shí)現(xiàn)直線、圓弧、位3種模式的連續(xù)插補(bǔ)，具有接口簡單、易于編程、工作可靠的特點(diǎn)。采用CH365作為PCI—ISA的橋接口，大大簡化了PCI接口的設(shè)計(jì)。與其他以DSP或微控制器為控制核心的運(yùn)動(dòng)控制器相比，本設(shè)計(jì)雖然在功能多樣性和靈活性上不如后者，但具有可靠性高、實(shí)時(shí)性好、適合列表曲線仿型加工時(shí)犬?dāng)?shù)據(jù)量快速連續(xù)加工的特點(diǎn)。
