MCX314运动控制芯片与数控系统设计

内容简介

　　＇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，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、加速度等的运动控制和实时监控，实现直线、圆弧、位元3种模式的轨迹插补，输出脉冲频率达4MHz。每轴都有伺服反馈输入端、4个输入点和8个输出点，能独立地设置为恒速、线性或S曲线加/减速控制方式，并有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。本书详细介绍了MCX314的控制原理，它与MCS51、PC机ISA、PCI总线等的接口电路，用汇编和C语言实现的控制软件和相关技术，以及基于它设计的机床数控系统的软、硬件方法。本书内容详实，通俗易懂，书中所有电路和软件例程都通过测试。本书适于从事数控系统和运动控制开发的技术人员阅读。＇随着微计算机.集成电路.传感器.功率电子等技术的迅速发展，运动控制技术在工业.办公和家庭等自动化方面日益得到广泛应用，控制形式也由以机械提供动力驱动的简单启停控制，发展到对其位置.速度.加速度.转矩等的精确控制，原先的"电机拖动"."电气传动"已经发展到"运动控制"的新阶段.电机伺服驱动系统主要由伺服电机.功率放大器.位置和速度检测传感器.控制电路等构成.控制电路产生的弱电信号经过功率放大，？欧缁？，并将位置.速度等信号反馈给控制电路实现闭环控制.驱动部分已经由分立器件.单元电路，向专用智能功率驱动模块发展.运动控制部分目前主要通过单片机或计算机实现控制.这种传统的实现方法，集成度低，电路复杂，软.硬件研制周期长，产品一致性差，严重影响系统的性能和可靠性.高集成度MCX314运动控制专用芯片能实现4轴3联运动的位置.速度.加速度控制和直线.圆弧.位元3种模式的连续插补和位置环闭环控制，其性能优良.接口简单.编程方便.工作可靠，给运动控制带来极大方便.数控机床既是高新技术产业不可缺少的基础装备，又是传统产业更新换代的重要手段，对解决复杂零件的加工制造，提高产品加工效率和质量，增强企业竞争能力意义重大.数控机床是装备国防.航空.航天等工业的核心，被视为战略物资和战备性工业受到高度重视，而包括位置.速度.加速度.轨迹控制在内的运动控制又是数控技术的关键，直接决定了工件加工的精度.光洁度和效率.本书共8章：第1～3章介绍了MCX314芯片的管脚定义.控制功能.电气和机械等相关技术参数，第4章阐述了命令.状态.输入.输出等控制寄存器的功能和操作，第5章解释了指令系统，给出了加速度.减速度.速度.输出脉冲数/插补结束点等数据的设定，介绍了当前逻辑和实际位置.速度.加/减速度等状态的读取和直线.圆弧.BP等插补命令的启动方法，第6～8章对MCX314与PC-ISA.PC-PCI.MCS51.68000等的总线和CPU接口及位置控制.通用输入/输出.位置反馈等信号的接口进行了详细设计，利用C和汇编语言设计了相应的软件驱动函数，并分别设计了TR008型和TR003型机床控制系统，探讨了数控系统的功能.结构以及软件.硬件设计的方法和技巧.本书内容立足于工程应用，附有大量的电路和软件例程，并通过测试和试验，已经用于科研和工程实践中，同时还基于MCX314开发了与MCS51CPU接口的仿真控制实验卡.与PCISA总线接口的运动控制实验卡，可供读者在解决类似问题时参考和实验.其中大量工作是与课题组老师.研究生共同完成的，如段广洪.王立平.张辉.尹文生.郑浩峻.李铁民.唐晓强等老师和胡波.赵海军.赵慎良.王慧等研究生.日本NOVA电子公司为本书的编写提供了很多技术资料，北京航空航天大学的何立民教授给本书提出了许多宝贵的意见，在此一并表示诚挚的感谢.由于编者水平有限，书中错误和不妥之处，恳请读者批评指正.本书得到国家863先进制造与自动化技术领域，机器人技术主题8634022001AA423260项目的支持.

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图书目录

第1章　概述
1.1 MCX314功能分析(1)
1.2 MCX314工作方式分析(4)
1.3 MCX314芯片管脚定义(5)

第2章　 MCX314功能和相关技术参数
2.1 脉冲输出命令(10)
2.1.1 定长脉冲输出驱动(10)
2.1.2 连续脉冲驱动输出(11)
2.2 速度曲线(12)
2.2.1 恒速驱动(12)
2.2.2 线性加/减速驱动(12)
2.2.3 S曲线方式加/减驱动(13)
2.2.4 脉冲宽度和速度的精度(17)
2.3 位置管理(18)
2.3.1 逻辑位置计数器和实际位置计数器(19)
2.3.2 比较寄存器和软件极限(software limit)(19)
2.4 插补(20)
2.4.1 2轴或3轴的直线插补(20)
2.4.2 圆弧插补(22)
2.4.3 位模式插补(25)
2.4.4 恒定线速度(30)
2.4.5 连续插补(31)
2.4.6 插补的加/减速控制(34)
2.4.7 单步插补(36)
2.5 中断(37)
2.6 其他功能(39)
2.6.1 由外部脉冲进行驱动(39)
2.6.2 脉冲输出类型选择(40)
2.6.3 输入脉冲的类型选择(40)
2.6.4 硬件限位信号(41)
2.6.5 伺服电机驱动器接口(41)
2.6.6 紧急停止(41)
2.6.7 状态输出(41)
2.6.8 通用输出(42)

第3章　 MCX314芯片电气和机械特性
3.1 直流特性(43)
3.2 交流特性(44)
3.2.1 时钟信号(44)
3.2.2 读/写周期(45)
3.2.3 BUSYN信号(46)
3.2.4 SCLK/同步输出信号(46)
3.2.5 反馈输入脉冲(46)
3.2.6 通用输入/输出信号(47)
3.3 输入信号/输出信号的同步(48)
3.3.1 通电重置(48)
3.3.2 定长脉冲或连续驱动(48)
3.3.3 插补(49)
3.3.4 保持命令后开始驱动(49)
3.3.5 急停（立即停止）(49)
3.3.6 减速停止(50)
3.4 机械特性(50)
3.5 性能指标(51)
3.5.1 插补功能(51)
3.5.2 轴的共同说明(51)
3.5.3 编码器输入脉冲(52)
3.5.4 通用输出信号(52)

第4章　MCX314控制寄存器
4.1 16 位数据总线的寄存器地址映射(53)
4.2 8 位数据总线的寄存器地址映射(54)
4.3 命令寄存器：WR0(56)
4.4 模式寄存器1：WR1(56)
4.5 模式寄存器2：WR2(57)
4.6 模式寄存器3：WR3(59)
4.7 输出寄存器：WR4(60)
4.8 插补模式寄存器：WR5(60)
4.9 数据寄存器：WR6/WR7(62)
4.10 主状态寄存器：RR0(62)
4.11 状态寄存器1：RR1(63)
4.12 状态寄存器2：RR2(65)
4.13 状态寄存器3：RR3(65)
4.14 输入寄存器：RR4/RR5(66)
4.15 数据寄存器：RR6/RR7(67)

第5章　 MCX314指令系统解释与分析
5.1 写数据命令(70)
5.1.1 量程设定(70)
5.1.2 S曲线加速度变化率设定(70)
5.1.3 加速度设定(71)
5.1.4 减速度设定(71)
5.1.5 初始速度设定(72)
5.1.6 驱动速度设定(72)
5.1.7 输出脉冲数/插补结束点命令(72)
5.1.8 手动减速点设定(73)
5.1.9 圆心设定(73)
5.1.10 逻辑位置计数器设定(73)
5.1.11 实际位置计数器设定(73)
5.1.12 COMP+寄存器设定(74)
5.1.13 COMP-寄存器设定(74)
5.1.14 加速度计数器进位设定(74)
5.1.15 NOP(用作轴切换)(74)
5.2 读取数据命令(75)
5.2.1 读取逻辑位置计数器的值(75)
5.22 读取实际位置计数器的值(75)
5.2.3 读取当前驱动速度(75)
5.2.4 读取当前加/减速度(76)
5.3 驱动命令(76)
5.3.1 正方向定长脉冲驱动(76)
5.3.2 负方向定长脉冲驱动(76)
5.3.3 正方向连续驱动(77)
5.3.4 负方向连续驱动(77)
5.3.5 暂停(77)
5.3.6 暂停禁止和开始运行/清除停止状态(78)
5.3.7 减速至停止(78)
5.3.8 快速停止（即停）(78)
5.4 插补命令(78)
5.4.1 2轴直线插补(79)
5.4.2 3轴直线插补(79)
5.4.3 顺时针圆弧插补(79)
5.4.4 逆时针圆弧插补(79)
5.4.5 2轴离散点（BP）插补(80)
5.4.6 3轴离散点（BP）插补(80)
5.4.7 启动BP寄存器(80)
5.4.8 禁止BP寄存器(81)
5.4.9 把数据从BP寄存器压入BP堆栈(81)
5.4.10 清除BP数据(81)
5.4.11 单步插补(81)
5.4.12 允许减速模式(81)
5.4.11 禁止减速模式(82)
5.4.14 清除插补中断(82)

第6章　硬件接口设计例程
6.1 MCX314与PC-ISA BUS的接口设计(83)
6.1.1 ISA总线信号描述及其功能模块接口(84)
6.1.2 输入/输出口基地址设置和读/写寄存器(85)
6.1.3输入/输出接口(88)
6.1.4PCISA中断设置(90)
6.1.5输入/输出信号的时序(90)
6.2 MCX314与PC-PCI BUS的接口设计(93)
6.2.1 PCPCI BUS概述(93)
6.2.2 基于PCI总线的接口电路设计与编程(95)
6.3 MCX314与MCS51 CPU的接口设计(101)
6.4 MCX314与Z80 CPU的接口设计(103)
6.5 MCX314与68000 CPU的接口设计(104)
6.6 信号驱动接口(105)
6.7 驱动脉冲输出类型与接口(105)
6.7.1 输出脉冲定义(nP+P. nP+N. nP-P. nP-N)
6.7.2 伺服驱动器的通用输入(nINPOS. nALARM)
6.7.3 外部脉冲控制输入(nEXOP+. nEXOP-)(106)
6.8 与限位开关或者传感器通用信号接口(107)
6.8.1 通用输出(nOUT7～nOUT4)(107)
6.8.2 超程限位开关输入(nLMT+. nLMT-)(108)
6.8.3 减速停止/立即停止开关输入(nIN1. nIN2. nIN3)(108)
6.8.4 急停输入(EMG)(108)
6.9 编码器信号的接口(109)

第7章　软件接口设计例程
7.1 C语言接口设计(110)
7.1.1 初始化设置函数(110)
7.1.2 加/减速规律设置函数(126)
7.1.3 直线插补驱动函数(137)
7.1.4 圆弧插补驱动函数(143)
7.1.5 位插补驱动函数(146)
7.1.6 反馈位置信号的输入函数(157)
7.1.7 输入信号的输入函数(159)
7.1.8 输出信号的驱动函数(160)
7.1.9 中断信号驱动函数(163)
7.2 MCS51 CPU的汇编语言接口设计(164)
7.2.1 功能实现方式(165)
7.2.2 MCS51与 MCX314接口函数例程(169)

第8章　基于 MCX314的数控系统设计
8.1 TR008数控系统的主要功能组织与结构(176)
8.2 TR008数控系统硬件设计(178)
8.3 TR008数控系统软件设计(179)
8.3.1 软件基础(179)
8.3.2 直线插补(179)
8.3.3 圆弧插补(183)
8.3.4 螺纹插补(185)
8.3.5 位模式插补(186)
8.3.6 输入/输出(188)
8.3.7 其他功能(189)

附录
附录1　 MCX314的MCS51平台仿真开发套件(190)
附录2　 MCX314的PC平台仿真开发套件(191)

参考文献