基于MCX314控制器的机床数控系统设计

1 MCX314控制器简介

　　MCX314控制器是一个能同时控制4个脉冲型伺服电动机驱动器或步进电动机驱动器的运动控制集成电路,它以脉冲串形式输出,能对伺服电动机或步进电动机驱动的位置、速度和进给进行控制,可进行4轴3联动,输出速度范围为1～4Mpp s,精度低于011%pps,倍率1～500。MCX314的所有功能都是由特定的寄存器控制的,如命令寄存器、数据寄存器、状态寄存器和配置寄存器。

　　1)MCX314控制器由相同功能的X、Y、Z和U轴的控制部分和插补计数部分组成

　　2)MCX314控制器的数据交换主要通过以WR开头的8个写寄存器和以RR开头的8个读寄存器进行的,其中数字相同的寄存器有相同的映射地址。

　　3)MCX314控制器有定长脉冲输出模式和连续脉冲输出模式,其由主机CPU来设定,改变设置状态可实现线性加/减速,恒速或者是S曲线加/减速变化。

　　4)MCX314控制器的插补方式取决于CPU置寄存器WR的状态,可实现2轴或3轴的直线插补、圆弧插补和位模式插补。插补时的走步计算、过象限判断、终点判定、速度变化都是根据CPU给定数据后,MCX314控制器在工作过程中自动计算完成的。

　　5)MCX314控制器有144个管脚,QEP封装,电源电压极限值为- 013～710V,输入电流可达到±10mA,正常工作电压为4175V。芯片输入高电平可以高达22V,低电平最高为018V,时钟周期最小6215ns,输出脉冲频率达4MHz,输入/输出信号电平为CMOS或TTL。

2　数控系统硬件设计

　　现以经济型数控铣床系统为例,采用步进电动机工作。电动机控制脉冲由MCX314产生,经差分输出驱动器产生差分输出信号,可有效克服步进电动机的低频震荡,实现复杂零件的高精度加工(三个方向的脉冲当量均为01001mm)。

　　1)数控系统的核心部分是MCX314运动控制器。它完成了系统的大部分运动控制功能,其性能直接影响系统的整体性能。当MCX314控制器从CPU得到基本数据(如直线的起点和终点;圆弧的圆心、起点、终点,进给的速度,刀具参数等) ,开始工作时自动在轮廓起点和终点之间计算出若干中间点,将工件轮廓描述出来,并为系统提供运动控制脉冲控制系统的驱动速度、运动轨迹,从而实现直线插补、圆弧插补和位模式插补等功能。结合各种插补,机床可以加工任意形状的零件。主CPU采用单片机8032,其主要完成键盘控制,显示控制,外围编程器件PSD913F2控制等功能。

　　MCX314控制器的时钟频率由外部提供,采用默认的16MHz,片选信号和低位地址A0～A3由PSD913F2产生,数据线和读/写信号直接受8032单片机相应的数据线和读/写信号控制,中断信号触发8032单片机的外部中断端。MCX314控制器、8032单片机、PSD913F2能提供32个通用输入端, 32个通用输出端和13个可编程通用输入端/通用输出端。这些端口用于S、M、T等机床控制的功能和各种反馈输入信号。

　　2)单片机8032发送命令和数据,MCX314控制器接受到命令后,输出相应的脉冲串控制步进电动机进行工作,根据给定数据进行速度调节。如直线的加/减速, S曲线的加/减速等。由功能指令和起点及终点位置进行2轴或3轴的直线插补、圆弧插补和位模式插补。

　　3)MCX314控制器与步进电动机的接口电路,采用光电隔离和RC滤波器构成。

MCX314控制器的脉冲输出功能是通过寄存器设置或通过外部命令来实现的。有两个脉冲输出模式可用于外部控制管脚:一个是固定脉冲输出模式,另一个是连续脉冲输出模式。如在固定脉冲驱动期间,允许输入信号指定的脉冲将被输出。当连续脉冲输出驱动被激活时,驱动脉冲将在低信号内连续输出。

　　输出脉冲有两种形式:一种是正、负脉冲形式,另一种是脉冲方向形式。输出脉冲定义: np + P、np +N、np -P、np - N。脉冲输出形式的缺省设置是正、负形式,使用时可通过写特定的命令寄存器使输出模式变成脉冲方向形式。

　　4)位置控制与软件限位。在MCX314芯片内,每轴都有一个逻辑位置计数器,一个实际位置计数器,两个32位的比较寄存器(CMP +和CMP - )。在本系统中,分别把CMP +、CMP - 的值设置成逻辑计数器某个范围的上限和下限,当逻辑计数器的值超此范围时,引起中断响应,停止进给,达到软件限位的目的。硬件采用光电隔离器和RC滤波器,信号加至MCX314的nLMTP端作为超程限位来保护系统。

3 系统软件设计

　　1)系统运动控制和输入/输出的功能对MCX314的依赖性较强,围绕MCX314的初始化、速度控制、直线插补、圆弧插补、输入/输出和中断信号处理等详细的函数描写是在Windows的环境下用C语言写成的。现以MCX314初始化函数为例。

　　2)具体的实时控制程序和数据处理过程描述采用汇编语言。G00、G01、G02 (G03)、插补功能、位置控制、螺纹插补、加/减速处理模块等功能主要基于MCX314芯片来完成。由于采用了MCX314,大部分与运动控制相关的软件模块都得以简化。如圆弧插补功能实现,系统根据指令的位置和速度,只要向MCX314相应的控制模块中将预定的控制命令和参数写入寄存器即可,非常简单和方便。

4　结语

　　采用MCX314控制器的数控机床的速度、性能得到了很大的提高,而且成本低、效率高,三轴联动的进给速度可达到4m /min (脉冲当量01001mm) ,插补精度低于015脉冲当量值。外围电路采用可编程逻辑器件,提高了接口电路的灵活性和可靠性,抗干扰性能完全满足在工厂的特殊和复杂环境下正常工作。该控制系统通过严格测试,在实际工作中应用情况完全达到设计要求,取得了很好的成效。