基于PC104与MCX314运动控制芯片的数控系统的研究

基于PC104与MCX314运动控制芯片的数控系统的研究指导老师：皮佑国学生：梁伟林1.研究目标本课题提出一种基于PC104与运动控制芯片的开放式数控系统方案。阐述了该方案的硬件和软件的设计原理，为经济型数控系统提供了实现方法。2.国内外研究现状1956年－1974年，专用硬件NC时代1975年－1989年，专用计算机数控时代1996年至今，开始全PC开放式智能化数控新阶段3.现代数控技术的发展趋势加工控制的高速化、高精度化智能化、开放化、网络化、柔性化和集成化4.存在的问题：从数控技术的发展趋势看，数控技术在现代制造业中得到了广泛的应用，当前制造技术正在向高速度、高精度、柔性化和智能化方向发展，而传统的数控系统大多采取封闭式设计，故存在系统兼容性差、功能不易扩展、人机界面不灵活等问题，从而难以满足用户的需要。开放式数控系统解决了以上传统封闭式数控存在的问题，正是现代数控系统的发展方向。5.解决问题的思路基于PC104和运动控制芯片MCX314的数控系统该方案以PC104作为主CPU，采用了MCX314来实现运动控制的功能，使软硬件系统具备更强的模块化，减少了软硬件设计，提高可靠性和性能，并减少了开发周期。为经济型数控系统提供了更新更优的控制方案，解决了传统数控系统兼容性差、功能不易扩展、人机界面不灵活等问题。这将为嵌入式控制系统的研究与开发提供有价值的参考，对开放式数控系统的发展与应用起到一定的推动作用。6.数控系统一般方案比较单片机系统ARM+FPGA系统PC机和专业运动控制卡7.运动控制卡常见解决方案基于大规模集成电路，如8253,8254；基于单片机，如8031，8098；基于数字信号处理器(DSP)型；基于专用运动控制芯片的运动控制器,如MCX314，PMAC.8.MCX314运动控制芯片的功能运动控制器基于MCX314芯片，MCX314是日本NOVA电子有限公司研制的DSP运动控制专用芯片，性能优良、接口简单、编程方便、工作可靠，可广泛应用于数控机床、机器人等领域的运动控制。芯片能与8位或16位数据总线接口相连，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、加速度等参数的运动控制和实时监控，实现直线、圆弧和位元三种模式的轨迹插补，输出脉冲频率达4MHz。系统每轴都有伺服反馈输入端、4个输入点和8个输出点，能独立设置为恒速、线性或S曲线加/减速控制方式，并具有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。9.MCX314专用运动控制芯片的原因插补算法、运动控制和位置控制主要由硬件来实现，不需要PC机的干预就能自动完成从起点到终点的插补运动控制，减少了运行过程中与主控制PC机频繁的数据交换，提高系统的运行速度；芯片上集成有专用于运动控制的I/O接口，如硬件限位、急停等，可简化数控系统的硬件设计，提高系统运行的稳定性；与主控制PC机之间的通讯简单，易于协调，对主控制PC机来说，MCX314更像是一个外围功能芯片，通过设置一定的地址和读写控制字就能实现对MCX314的控制。缩短开发周期。软件开发简单、快速，使用运动控制芯片使我们不再需要研发运动控制部分，可以由更少的软件研发人员花更少的时间完成复杂的运动控制编程，能够大大缩短项目的研发时间和工作量。提高控制性能。用专业高性能运动控制芯片控制，可使电机运动更快、更平稳、更安静、更精确。提高系统可靠性。成熟的运动控制芯片中各项软硬件功能均己相当成熟，比用户自己开发的更为可靠。同时采用此芯片后，控制器的硬件器件大为减少，软件程序大为缩短，均有助提高可靠性。10.选择MCX314运动控制芯片的优点11.数控系统功能描述数控系统的硬件部分采用了主从式双结构模式。主CPU为PC机，从CPU为运动控制芯片。采用PC104+运动控制芯片MCX314这种结构的数控系统灵活性好、功能稳定、可共享计算机的资源。以通用微机为计算平台，运动控制器的指令输入、译码、运动指令、粗插补以及输入输出等都是由PC机产生。在系统运动控制的过程中，通过PC机实现运动的粗插补、实时控制和管理规划，由MCX314实现简单多轴硬件精插补、伺服控制和位置反馈等功能。PC104运动控制器MCX314I/O辅助控制PC104总线伺服驱动器X伺服驱动器Y伺服驱动器Z伺服驱动器U12.PC104与运动控制芯片MCX314之间的通讯及接口数控系统硬件采用了主从式双CPU结构模式。PC机与运动控制器之间通过PC/104总线传递信息。主要有：数据总线：D15~D0;地址总线：A2~A1;控制总线：IOR、IOW和RST等。13.运动控制芯片MCX314与伺服驱动的通讯及接口MCX314输出驱动脉冲经过差分驱动后输出给伺服驱动；编码器信号、手轮脉冲信号及外部反馈信号经差分接收器输入。定位完成报警信号编码器输入脉冲/方向输出伺服驱动器nP+PnP+NnP-PnP-NnEAPnECANnECBPnINBNnINOPnINONnINPOSnALARMPULS+PULS-SIGN+SIGN-A+A-B+B-C+C-COINALMMCX314与伺服驱动器的输入与输出信号I/O辅助控制信号超程限位开关输入回零信号急停输入EMGnLMT+nLMT-ZERO光栅尺信号输入G+G-减速停止开关输入nIN1nIN2nIN3I/O辅助控制输入与输出信号（1）输出脉冲定义：来自MCX314芯片的输出脉冲有两种形式，一个是正/负脉冲形式，另一个是脉冲/方向形式。（2）编码器信号接口：反馈的编码器信号，将nECAP，nECAN，nECBP，nECBN，nINOP，nINON分别连接到编码器的A，/A，B，/B，Z，/Z信号输出。差动脉冲反馈在设置输入脉冲模式后有效。本论文主要内容：1.对上位机控制、运动控制卡及其行业现状进行调研，资料搜集和深入研究。2.在对运动控制技术深入学习的基础上，比较几种常用的运动控制方案，确定采用PC104总线和运动控制芯片MCX314的设计方案，并规划系统的总体结构。3.设计基于运动控制芯片MCX314运动控制卡的硬件电路。针对本系统的情况和需要设计外围电路。设计PC/104与MCX314的接口电路；根据光电隔离原理设计数字输入/输出电路。4.对整个嵌入式运动控制系统进行系统测试。5.最后总结研制过程中的得失，并展望数控的发展趋势。谢谢大家！