基于mcx314步进电机运动控制器设计.docx

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基于mcx314步进电机运动控制器设计

摘要

数控机床在整个现代制造业中处于基础性的、核心的地位。

在现代制造系统朝着集成化、综合化和智能化发展的今天，特别是计算机的发展与普及化，深入研究新一代数控技术具有重要的意义。

目前，以DSP为代表的高速高性能专用微处理器构成的运动控制器的数控系统成为数控技术的发展方向，运动控制器将成为未来数控系统的核心。

在本设计中，我们选用日本NOVA电子有限公司研制的DSP运动控制专用芯片MCX314。

MCX314由硬件来实现复杂的运动控制算法，使得编程方便，接口简单，工作可靠，给运动控制带来极大方便，可广泛应用于数控机床、机器人等领域的运动控制。

在MCX314的基础上，我们拟定了两种运动控制器的实现方案，并选定基于ARM芯片为主控制器的实现方案，即采用AT91FR40162和MCX314作为主要芯片，实现复杂的运动控制功能。

设计完成基于AT91FR40162和MCX314的控制器硬件电路设计；设计了RS232串行接口和CAN总线接口实现与其他设备通信；分析了软件结构特点并完成部分程序编写，主要包含基本的测试操作函数和运动控制函数。

关键字：

MCX314　　AT91FR40162运动控制器　　

TitleDesignofMotionControllerBasedOnMCX314

Abstract

Numericalcontrolmachineisonthebasicandkernelpositioninthemodernmanufacture.Withthemodernmanufacturesystemintegrated,colligatedandintelligent,especialthecomputertechnologydevelopmentanddissemination,studyingthenewgenerationnumericalcontrolanddynamicscontroltechnologyissignificant.Atpresent,thenumericalcontrolsystemwithmotioncontrollerisbecomingtothenumericalcontroltechniquedevelopmenttide,motioncontrollerwillbetokerneloffuturenumericalcontrolsystem.

WeselectDSPdynamicscontrolspecial-purposechipMCX314madeinNOVAelectroncorporationinourdesign.MCX314canrealizethecomplexmotioncontrolallergicwithhardware,soithasadvantageofconvenientprogramming,simpleinterfaceandreliablework.It‘sveryconvenienttomotioncontrolandcanbeappliedtonumericalcontrolmachinetool,robot,etc.

BasedonMCX314,wedesigntwoschemeofmotioncontrollerandselecttheschemewhichbaseonARM,AT91FR40162andMCX314aremainchips,thecomplexmotioncontrolfunctioncanberealized.Inourdesign,thehardwarecircuitofcontrollerwascompleted,theRS232interfaceandCANbusinterfaceweredesignedsothatthecontrollercancommunicatewithotherdevice.Thesoftwarestructurefeatureisdiscussedandsomeprogramwasfinished,includingbasictestfunctionandmotioncontrolfunction.

keywords:

MCX314,AT91FR40162,DynamicsController

目次

目次

1绪论

制造业是国民经济的基础产业，制造业水平的高低是衡量一个国家工业发达程度的重要标志。

大力发展先进的制造技术已成为世界各国最重要的几大技术战略之一，先进制造技术已经是国际竞争与产品革新的一种重要手段。

近年来，世界范围内出现了研究应用先进制造技术的浪潮，以机械制造为代表的先进制造技术己成为当代国际间科技竞争的重点，许多国家制定了相应的计划，其中最具代表性的是美国的先进制造技术计划（AMT）、韩国的高级先进技术国家计划、日本的智能制造计划（IMS）和德国制造2000计划等。

在我国，先进制造技术的重要性业已引起各界的认识和重视，被列为“九五”计划和2010年中长期科研发展规划中的主要关键技术和重要发展方向[5][6][44]。

数控机床在整个现代制造系统中处于基础性的、核心的地位[5]。

因此，在现代制造系统朝着集成化、综合化和智能化发展的今天，特别是计算机技术发展与普及化，深入研究新一代数控技术具有重要的意义和实用价值。

1.1数控系统的发展

数控系统（NumericalControlSystem）是一种控制系统，它能自动完成信息的输入、译码、运算，从而控制机床的运动和加工过程。

早期的数控系统采用数字逻辑电路构成。

1952年诞生的第一代为电子管式，1959年发展为第二代晶体管式，1965年出现了第三代的小规模集成电路式数控系统。

这三代数控系统的所有功能均由硬件实现，所以称为硬件数控系统。

这种数控系统没有通用性和灵活性，所以其应用范围受到很大限制，可靠性较低，造价较高。

随着计算机技术的发展，1970年出现了通用小型计算机。

于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，出现了第四代数控系统，即计算机数控（CNC）系统。

1974年，微处理器被应用于数控系统后，发展为第五代数控系统，即现代CNC系统。

CNC系统特别是现代CNC系统的主要功能，如插补运算、刀具补偿、用户数控程序的预处理、刀具加工轨迹仿真等均由软件实现，所以CNC系统又称为软件数控系统。

自从出现了现代CNC系统以后，才从根本上解决了数控系统可靠性低、价格昂贵、应用不便（主要是编程困难）等关键问题。

到70年代末80年代初，现代CNC系统进入成熟期，并在工业化国家形成产业化，数控系统及数控机床开始批量生产和投

放市场，数控技术在其它领域也得到了普及应用。

CNC技术的应用为制造业带来异常深刻的变革，但是，随着现代制造技术的发展，对CNC系统提出了越来越高的要求。

从完成功能上看，一方面CNC系统必须适应DNC、CAD/CAM及CIMS的发展，能提供一个可以集成不同开发商提供的软件并适合联网需要的平台；另一方面，随着数控系统在机械制造、冶金、纺织、印刷、军工等行业的应用日益增多，中小批量生产的趋势日益增强，必须根据不同的用户需求，迅速、高效、低成本地构筑面向用户的数控系统。

这就要求CNC系统具有模块化和重新配置的特点：

从使用的角度看，新型CNC系统应能运用于各种计算机软硬件平台上，并提供统一风格的用户交互环境，以便于用户的操作、维护和更新换代。

还应能在普及型个人计算机的操作系统上，简便地应用系统所配置的软件模块和硬件运动控制插件卡；机床制造商和用户能够方便的进行软件开发，追加功能和实现功能的个性化，使CNC系统具有PC的高速分析运算能力，大容量存储功能，各种软件的支撑，图文显示的优势以及联网的灵活性。

显然，现代的封闭式结构的CNC系统根本无法满足这些要求。

数控系统生产厂商为了保持自己的市场竞争力，必须寻求更好的技术手段，使他们的专用技术能够随着计算机技术的更新换代而顺利的升级，不必为CNC产品换代而自己开发所有的软、硬件功能模块。

在这种情况下，基于PC（国外称为PC-BASED）的第六代数控系统——开放式结构数控系统便成应运而生[7][9][16][17]。

1.2开放式数控系统及其研究现状

进入90年代以来，为了适应时代的要求，世界上一些研究机构和生产厂商先后开展了开放式数控系统的研究。

1.2.1开放式数控系统的概念

根据IEEE关于开放式系统的定义：

能够在多种不同的平台上运行，可以和其他系统的应用互操作，并能给用户提供一种一致风格的交互方式。

开放式体系结构普遍采用模块化、层次化的结构，并通过各种形式向外提供统一的应用程序接口，具有可移植性、可扩展性、互操作性和缩放性等特点，即系统组成的内部开放化和系统组成各部件之间的开放化[15][17]。

开放式系统具有以下基本特征：

（1）开放性。

提供标准化环境的基础平台，允许不同功能和不同开发商的软硬件模块介入。

（2）可互操作性。

通过提供标准化接口、通信和交互机制，使不同的功能模块能与标准的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作能力，协调工作。

（3）可移植性。

系统的功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、交互模型、控制机理，使构成系统的各个功能模块可来源于不同的开发商提供的硬件平台之上。

（4）可扩展性。

CNC系统的功能、模块可以灵活设置，方便修改，既可以增加硬件或软件构成功能更强的系统，也可以裁减其功能以适应低端应用。

（5）可互换性。

不同性能、不同可靠性和不同能力的功能模块可以相互替代，而不影响系统的协调运行。

具有上述基本特征的数控系统可以称为开放式数控系统，这种开放式控制系统体系结构并不是现有控制系统体系结构的简单集合，而是在博采众长的基础上，反映控制系统体系结构未来发展的产物，它将引导开放式控制系统产品的发展，并对技术的发展起一定的指导作用。

在该体系结构中，提供的是概念性和功能性的结构，而不是系统设施和标准细节的精确定义。

1.2.2　开放式数控系统的研究现状

国际上与开放性数控的项目相关的项目比较多，早在80年代，为了拟订并推进关于新一代开放式控制系统的详细分析与规范，美国国防部就开始了名为“下一代控制器（NGC）”的计划。

目前最具影响力的是分别由欧洲各国、美国及日本进行的OSACA、OMAC、OSE，因而这三个计划的发展现状基本上代表了开放性数控的发展现状。

与国际先进水平相比，我国国内的开放式数控系统的研究还处于初级阶段，主要采用在工业PC或普通PC的总线插槽上插入运动控制卡和I/O卡，配以自行开发的控制软件来完成数控系统的基本功能。

目前己有的开放性数控系统主要有四种：

华中I型、中华I型、航天I型和蓝天I型。

控制系统的开放式结构的出现将导致新一代控制器的产生，并成为未来制造业的一大支柱。

控制器结构的开放性为数控技术能持续不断地吸收日新月异的计算机硬软件最新成果创造了条件，有利于数控产品自身的更新换代，提高性能，增强竞争力，这正是开放式NC控制器之所以被各发达国家视为重要的战略技术、纷纷投入研究的重要原因。

制造业第三次革命的开放式控制系统的研究，为我国数控产业的发展带来了新的契机。

我们应该抓住这一大好时机，迅速开

展并深化我国的开放性控制系统的研究，缩小我国制造业水平与发达国家之间的差距[18][19][36]。

1.3　论文主要工作

目前，由于以DSP为代表的高速高性能专用微处理器的出现和PC机的广泛普及，采用运动控制器的数控系统将成为新一代数控技术发展潮流，运动控制器将成为未来数控系统的核心。

在本设计中，我们选用日本NOVA电子有限公司研制的DSP运动控制专用芯片MCX314。

MCX314由硬件来实现复杂的运动控制算法，使得编程方便，接口简单，工作可靠，给运动控制带来极大方便，可广泛应用于数控机床、机器人等领域的运动控制。

基于MCX314运动控制器具有处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。

论文的内容包括：

（1）数控技术的研究现状与发展趋势，确定课题方案。

（2）AT91FR40162+MCX314运动控制器的硬件设计。

（3）运动控制器的测试软件设计，包括一些基本的功能函数和测试例程。

（4）总结和后期展望。

2运动控制关键技术分析及方案制定

2.1运动控制系统

运动控制的实质是根据预定的方案，将上位控制系统做出的决策命令变成某种期望的机械运动，以得到确定的位置、速度、加速度或特定的运动形式。

一个完整的运动控制系统通常由上位控制器、驱动器、执行电机、机械传动机构和位置检测元件等组成，其结构框图如图2-1所示[26][35]。

图2-1　运动控制系统结构框图

上位控制器将分析、计算所得出的决策命令以数字脉冲信号或模拟电压信号的形式送到电机驱动器中，驱动器进行功率变换，并驱动伺服电机根据上位指令转动。

电机通过传动机构带动机械结构运动，便可以得到预期的运动参数和运动形式。

上位控制器通常是运动控制卡、具有运动控制功能的PLC、数控系统（CNC）或单片机系统等。

数字化执行电机的受控性能较好，已在运动控制系统中普遍应用，如步进电机或数字式交流伺服电机等。

位置检测装置有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅、磁尺及激光干涉仪等。

基于以上对运动控制系统的简要分析，可对其作如下定义：

运动控制系统是集机械、电子、计算机技术于一体的软硬件系统，它根据预定的方案，将上位控制系统做出的命令变成某种期望的机械运动，使控制目标得到精确的位置、速度、加速度，或具有特定规律的运动形式。

2.2步进电机运动控制系统

不管是那一种类型的步进电机，其运动控制系统都是相似的。

如图2-2是典型的步进电机开环控制系统结构框图，主要由步进电机运动控制器、步进电机驱动器和步进电机三部分组成[35][39][40]。

图2-2　步进电机控制系统原理结构图

步进电机驱动器主要包括环形分配器和功率放大器两部分。

其中环形分配器又称脉冲分配器，它根据运行指令按一定的逻辑关系分配脉冲，通过功率放大器加到步进电机的各相绕组，使步进电机按一定的方式运行；并实现正、反转控制和定位控制。

由于输出的功率极小，只有几毫安电流，而步进电机相绕组一般需要几安至十几安的电流（脉冲电流幅值直接影响步进电机的转矩大小），所以脉冲分配器不能直接驱动步进电机工作，必须通过功率放大器进行放大，才能给步进电机各相绕组提供足够的电流。

此外，步进电机驱动器在相数、通电状态、电压、电流上要符合所控制的步进电机的技术参数要求。

步进电机运动控制器则是控制系统的核心部分，它根据控制要求提供给步进电机驱动控制信号，该控制信号包括脉冲信号、脉冲方向信号、控制方式信号。

运动控制器提供给步进电机的驱动信号是标准的信号，不论哪种驱动器都接受这样的标准信号，从而为开放式的控制提供了标准接口。

这样为步进电机设计的运动控制器就可根据不同的需要与不同的驱动器连接使用。

为了控制的方便，步进电机一般可以有两种不同的控制模式可供选择。

控制模式就是由控制方式信号来设置的。

一种是方向/脉冲模式，在这种控制模式下，脉冲信号控制的是步进电机的运动，脉冲方向信号控制的是步进电机的运动方向（即正、反

转）；另一种是脉冲模式，此时这两路信号分别控制步进电机的正转和反转运动，这样对于某些只需要一个方向运动的应用场合，可以省去一路信号，简化设计。

2.3方案的制定

在本课题的总体方案中，我们首先选定的是日本NOVA电子有限公司研制的DSP运动控制专用芯片MCX314。

高集成度MCX314运动控制专用芯片能实现4轴3联动的位置、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。

可广泛应用于数控机床、机器人等领域的运动控制[1][13][14]。

然后，在MCX314的基础上，我们做了两种方式的运动控制器的研究和探讨。

具体来说：

第一种方式是做成外置式的独立运动控制器，通常采用微处理器或单片机构成控制系统，这种方法的软，硬件设计相对简单。

传统的运动控制装置采用单片机为控制器，由于单片机处理速度较低，计算速度慢，在进行复杂运动控制中，系统的实时性能和可靠性受到制约，控制精度不理想。

本方案拟采用ARM7芯片作为核心处理器来控制MCX314，ARM实现与PC机的通信，控制器还包含CAN总线接口来与其他设备通讯。

第二种方式是做成PCI总线的控制卡，可以直接嵌入到PC机内部。

PC机通过PCI总线来访问和控制MCX314。

整个板卡的结构如图2-3所示。

图2-3板卡结构图

该方案是采用日本NOVA电子有限公司研制的DSP运动控制专用芯片MCX314，基于MCX314做成PCI总线接口的运动控制卡。

有了相应的PCI驱动程序,运动控制卡便成为可以让PC机操作系统识别的一部分。

主体是PC机通过PCI总线实现对

MCX314的控制，中间是一个PCI桥芯片PCI9052。

还有输入输出电路和MCX314的基本外围电路。

在第二种方案中，由于MCX314是8/16位总线结构，属低端总线，方便与ISA总线连接。

而要实现与PC机PCI总线的接口设计，就必须有接口芯片作PCI总线到ISA总线的转换，相当于在PCI总线和ISA总线之间架设了一座桥梁，可以选用PCI9052芯片实现PCI总线与MCX314芯片的接口。

由PC机通过PCI总线接口直接对MCX314进行控制，但设计的硬件和软件的复杂性加大，系统的可扩展性和开放性受到限制，系统的响应速度在很大程度上依赖于CPU，受处理器的影响比较大，成本也较高，系统升级较为困难，所以综合考虑本设计选用第一种方案。

采用ARM7系列中的AT91FR40162具有以下的好处[21][22][23]：

（1）提高控制性能，采用成熟32位的ARM处理器来控制，可以提高系统可测的反映类型和相应的项目。

（2）提高系统可靠性，AT91FR40162是一款基于ARM内核的32位RISC构架的处理器，其体积小，低功耗，低成本，性能高，支持Thumb（16位）、ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件,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[21]。

（3）提高系统实时性。

（4）降低软件研发成本，软件开发简单，快捷，可以有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。

因此采用AT91FR40162作为中央处理器，能够提高系统性能，得到更优秀的控制特性，采用运动控制芯片MCX314,由其来完成复杂的运动控制算法，控制器具有精度高，运行稳定，实时性好，抗干扰能力强，性价比高的特点。

该控制器包含CAN总线和RS232串行接口来与其他设备通讯。

功能更专、成本更低，另可实现基于操作系统的数控系统。

加上嵌入式实时操作系统具有实时性、小型化、专用化和高可靠性，从而克服了传统的基于单片机控制系统功能不足。

本系统采用的是第一种方案，下面的章节对其作了详细地介绍，这里我们先分别谈一下课题总体方案中的几个重点部分：

MCX314芯片，CAN总线，ARM微处理器。

2.4MCX314芯片

MCX314是一个用于实现4轴运动控制的集成电路。

通过这个集成电路可以控制由步进电机驱动器或由脉冲型伺服电机驱动的4轴的位置、速度、和插补。

MCX314的所有功能都是由特定的寄存器控制的，例如命令寄存器、数据寄存器、状态寄存器和配置寄存器等[1][13][14]。

结构图见图2-4。

图2-4　MCX314结构框图

2.4.1　MCX314功能分析

（1）4轴控制

4轴都有着相同的功能能力，并且允许至多3轴联动，对于恒速驱动、线形或S曲线驱动都有着相同的操作方法。

（2）脉冲输出

MCX314不仅可以输出固定的脉冲数，也可以连续不断地输出脉冲。

输出脉冲的模式有两种：

一种是脉冲/方向电平模式，另一种是正向脉冲/负向脉冲模式。

（3）恒速控制

恒速控制功能允许在不同的插补进行改换时保持运动速度不变。

在插补驱动中，MCX314可以将2轴同步脉冲输出设置为1.44倍脉冲周期，而将3轴同步脉冲输出设置为1.732倍脉冲周期。

（4）速度控制

MCX314可以以较小的误差合成在其频率范围内的任何频率。

每根单独的轴被独立的预置为S曲线或梯形加/减速。

使用S曲线加/减速命令可以使输出脉冲按抛物线规律进行加/减速。

除此之外，MCX314还有一套特殊的方法来防止当使用S曲线命令时产生三角形曲线情况的发生。

对于恒速驱动、梯形或S曲线加/减速驱动，输出脉冲的频率范围从1Hz到4MHz；而输出脉冲频率的精度（在时钟频率为16MHz时）小于±0.1%。

驱动脉冲输出的速度可以在不运行的时候自由改变。

（5）位置控制

每个轴都有1个32位的逻辑位置计数器和1个32位的实际位置计数器。

逻辑位置计数器记录输出的位置脉冲，而实际位置计数器则记录从外部编码器或者线性比例尺中输入的反馈脉冲。

（6）比较寄存器和软件限位

每个轴都有2个32位比较寄存器，1个为逻辑位置计数器，另外1个为实际位置计数器。

比较结果可从状态寄存器读出，也可通过中断报出。

这些寄存器也可被用来实现软件限位。

（7）直线插补

运用MCX314的直线插补，任意选择的2轴或3轴都可以实现线性运动。

运动位置边界的坐标界于－8388608～＋8388607之间，同时线性误差为±0.5最小插补单位。

插补频率范围为1Hz～4MHz。

（8）圆弧插补

任意选择2轴都能实现圆弧插补。

其边界坐标界于－8388608～＋8388607之间，同时圆弧误差为±1.0最小插补单位。

插补频率范围为1Hz～4MHz。

（9）位模式插补

对任意选择的2轴或3轴，MCX314可以实现位模式插补。

这种插补的数据由上位机进行运算。

上位机将插补结果写入MCX314，然后MCX314在预置的驱动速度下连续输出插补脉冲。

这样，通过使用这种模式，MCX314可以实现各种形状的曲线

进行插补。

（10）连续插补

MCX314允许不同的插补方式连续使用，例如直线插补→圆弧插补→直线插补……不间断的连续插补时允许的最大速度为2MPPS。

（11）单步插补

MCX314还可以在单步插补情况下输出脉冲，即当所有参数设定完成之后，一旦上位机写入1次单步指令，或者外部输入1个下降沿信号，MCX314将输出1个脉冲。

（12）中断信号

中断信号可以由几种不同的情况产生，例如：

恒速的开始/结束、移动的结束以及由比较寄存器触发等等。

在插补运动过程中也可以产生中断信号。

（13）由外部信号驱动

每个轴的脉冲输出也可以是外部信号驱动的。

选择定长脉冲驱动或是连续脉冲驱动由外部管脚控制。

这个功能可用于低速运行或是示教，以减轻CPU的负载。

（14）输入/输出信号

除急停信号、硬件限位信号以外，每个轴都有4个输入信号来实现减速和制动。

这些输入信号可以在机械原点附近以及在回零过程中对编码器零信号执行高速查询。

每个轴另有8个通用输出点。

（15）伺服电机反馈信号

每一个轴都包括输入连接管脚。