1、2010年第2期 工业仪表与自动化装置 45基于PC104总线与专用运动控制芯片的多轴运动控制器设计崔志方，皮佑国(华南理工大学自动化科学与工程学院，广州510640)摘要：基于开放式系统的设计理念，提出并设计了一种基于PC104总线与专用运动控制芯片的多轴运动控制器。控制器采用PC104主板+MCX314As的硬件架构。以PC104总线实现两者之间的通讯。在深入研究了MCX314As工作流程与指令系统的基础上，编写了各种插补模式下的驱动程序，并通过下接伺服驱动器及永磁同步电机进行了实验，验证了方案的可行性。关键词：PC104总线；专用运动控制芯片；多轴运动控制器中图分类号：TP29 文献标志
2、码：A 文章编号：10000682(2010)02004504Multiaxial motion controller designbased on the PC104 bus and the dedicated motion control chipCUI Zhifang，PI Youguo(_|lo耐ofAutomation Science and Engi,咖，South China Universiq of Technology。Guangzlwu 510640，China)Abstract：Based on the open system design technique，a mul
3、tiaxial motion controller is proposed anddesigned，which is based on the PC104 bus and the dedicated motion control chipThe hardware architecture of the controller is PC104 industrial mainboard+MCX3 14As chipand both parts communicarewith each other by the PC104 busThe workflow and command system of
4、MCX3 14As are studied deeply。and then driver programs are compiled in a variety of interpolation modesThe experiments are implemented on the servo system with the designed controller，the$elVO drivers and the permanent magnet synchro-nous motoraFrom the experimental results，it can be seeil that the m
5、otion controller proposed and designed is feasible and reliableKey words：PC104 bus：dedicated motion control chip；multiaxial motion controller0引言随着计算机和自动化技术的快速发展，数字控制系统正朝着开放式、模块化、智能化的方向发展。对于数控机床和加工中心数控系统来说，运动控制器是影响和决定数据加工中控制精度和速度响应等性能指标的主要部件【2 J。而传统的运动控制器多采用单片机作为微处理器，结合一些数字逻辑电路完成对伺服电机的控制。这种方案存在研发周期长，
6、执行速度慢，控制精度低等问题。随着Ic技术的发展，针对运动控制应用的专用集成芯片浮出水面，并得到广泛应用p J。以运动控制芯片为核收稿日期：2009一伽一04作者简介：崔志方(1983)，男，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统分析与应用。心的运动控制器的设计不但减化了软硬件的开发，在控制精度与响应速度方面也体现了优势。同时结合嵌人式计算机技术，可形成嵌入式PC+运动控制芯片的组成方案，实现系统的模块化与智能化。在此背景之下，该文提出了一种基于总线方式实现运动控制芯片与嵌人式PC通讯的多轴运动控制系统方案。运动控制芯片选用16位总线工作方式的McX3 14As，嵌入式Pc选用带有工业总线接口的PC
7、,104主板，两者借助PC104总线相连。该文首先介绍系统的总体方案，然后分别讨论运动控制器的硬件、软件设计，最后总结了系统的实验测试情况。l总体方案设计11系统总体介绍如图1所示，运动控制器主要由一块PC104万方数据46 工业仪表与自动化装置 2010年第2期主板和运动控制板两部分组成。PC104主板作为上位机，通过在其上安装软件操作系统并开发应用程序，完成系统的任务管理以及运动过程的控制；借助于LCD、键盘鼠标等外部接口设备，实现系统的人际交互。运动控制板以MCX314As为核心进行设计；与上位机主板的数据通讯通过PC104总线实现；MCX314As运算产生的插补脉冲，经过光电隔离模块可
8、下接如伺服驱动器等运动执行控制设备，形成一个完整的运动控制系统。图1系统总体框图12 PCIIM总线协议PC104总线是一种专门为嵌入式控制而定义命令分析数据处理部分中断信号发生器插补控制部分巧汀的工业控制总线，近年来在国际上广泛流行，被IEEE协会定义为IEEEP9961。它与PCAT总线完全兼容，总线信号时序和功能与IEEEP996相同哺】。它秉承了IBMPC开放式总线结构的优点，标准的PC兼容体系结构为设计应用系统的工程师提供了标准的、功能强大的、高可靠的系统组件。目前它已逐渐成为事实上的嵌入式工业PC标准。l-3 MCx314缸简介MCX314As是日本NOVA电子公司研制的DSP运动
9、控制专用芯片。其功能框图如图2所示【_。它有脉冲方向电平和正向负向脉冲两种脉冲输出模式，可独立驱动最多4个运动轴，并可实现最多出三轴的直线插补和两轴圆弧插补。其速度控制可被置成恒速、梯形或s曲线an减速度驱动，输出脉冲频率可达4 MHz。同时每个控制轴都各有两个用于控制当前或实际位置的32位可逆计数器，通过读取计数器的值，可方便地查看各驱动轴的运行位置和工作状态。MCX314As对外采用16位双向三态数据总线进行通讯，数据的交换通过访问其内部的多个读写寄存器实现。直线插补算法部分2轴，3轴圆插补算法部分位模式插补算法部分2轴，3轴主轴脉冲X轴控制部分INT主轴脉冲Y轴控制部分巧rr孤磊磋ZP+
10、Z轴控制部分匕二=INT h一翟磊=仁墨UP- u轴控制部分r-一图2 MCX314As功能框图X轴IO信号Y轴IO信号U轴I，0信号U轴IO信号等一果一豢一苦一銎三m豢噩鉴篆慧一踩蕈：l莹垂A叭虬万方数据2010年第2期 工业仪表与自动化装置 472接口电路设计系统PC104主板选用KYIPC一4568B，该款主板一个AMD C,eode GXl 586 CPU。同时板上还集成有CRTLcD显示、键盘鼠标输入以及以太网口等通用PC具有的各类外设接口，从而减少了硬件开发周期，也使系统的稳定性得到了可靠保证。参照PC104总线接口电气标准，设计了运动控制板的总线接口电路。实际电路连接如图3所示。
11、PC104总线的低位地址A3一Al接MCX314As3软件设计的寄存器地址位A2A0；高位地址A15一A4通过由74HC688构成的地址译码电路接MCX314As的片选信号端；通过拨码开关控制各地址位的通断，可任意地设定MCX314As的寄存器地址。数据位D15一D0通过一组74LS245双向数据缓冲器相连。MCX314As的中断输出端INTN与状态指示引脚BUSYN分别通过反相器接到总线的IRQ9和IR06中断端口，系统对运动控制卡的监控通过查询中断的方式即可实现。-IOR Iow IOCSl6图3 PC104总线接口电路31运行环境的建立为方便软件程序的开发，系统选用Windows 98操
12、作系统作为系统开发环境，以Visual C+作为开发工具进行编程开发。由于Windows系统提供了对系统总线访问的支持，对于总线的读写操作通过调用系统库函数即可实现。同时借助Visual C+图形界面开发的优势，编写运动控制过程监控调试界面。32 MCX314As指令系统MCX314As定义了自身的一套指令系统，工作模式的选择、插补命令的产生以及各类参数的设定与读取均通过向命令寄存器写入相应指令代码来实现。MCX314As的指令分为写入数据命令、读取数据命令、驱动命令和插补命令4种。表l给出了各种插补模式的指令码表。进行插补之前，需要先行完成插补速度与插补节点坐标的设定；对于两轴和三轴插补，还
13、需要通过设定WR5的D5一O位来指定进行插补的轴。表1插补指令代码表33运动控制程序的设计运动控制程序的设计，采用模块化的设计思想建立了包含各种插补模式的运动控制函数库。图4为其中三轴连续插补的流程图。初始参数的设置，插补模式的选定均通过图形窗口录入；运行过程中的状态信息也在图形界面下打印输出，并通过打点作图的方式将实际进给位置进行实时显示。在每一段插补运动过程中，到达每个节点前系统自动进行万方数据48 工业仪表与自动化装置 2010年第2期减速操作。插补完成情况，通过实时读取寄存器RR0第9位的状态值来判断。倒初始化图形对话框1一初始化全局变量二=j二二复位MCX314(写0x8000至WR
14、0)二二二二设定MCX314工作模式(写WRI5)二二二二二设定范围Rl，2,3、初速度SV与加速度A二二二二清零逻辑实际位置计数器挚-_一设定插补节点，如，如与速度K_一发送三轴插补指令I读取当前位置与速度IL=二二=l显示并作图Ir一延沙N+盥嗡磊沁孥多-。Y。-_一 ，一I读取当前位置与速度L=二=l显示并作图l-_-。-。_。-_-_一 二_氟荔森产 Y妒卜囱图4三轴连续插补流程图错误处理N的应用将所需的其他控制设备以总线方式接入，实现系统的无缝整合。这种开放式运动控制器的设计方案对于其他数字控制设备的开发也具有一定的参考价值。图5单轴运动位置曲线4实验为验证运动控制器硬软件的可行性与
15、可靠性，结合伺服系统进行了测试实验。其中伺服系统由日本三洋公司的RSI A05AT型号伺服驱动器与PlOBl8200BXS00型三相交流永磁同步电机构成。运动控制器通过屏蔽线缆与3个伺服驱动器相连，驱动3个同步电机运转；接收电机编码器反馈的实际进给脉冲量，形成实际位置信息传送给上位PC机。实验中，分别对单轴运动、两轴直线与圆弧插 图6两轴直线插补运动轨迹补、三轴直线插补进行了验证测试。图5图8分别给出了各种工作模式下同步电机的实际运动轨迹。通过实验结果可以看出，运动控制器较好地完成了各种基本曲线的插补控制。对任意空间曲线的运动控制，通过分解为多段基本插补亦可实现，从而表明运动控制器具备了完整的
16、运动控制功能。5结束语该文提出并实现了一种基于总线通讯方式的多轴运动控制器设计方案。专用运动控制芯片MCX314As与上位机PC主板的连接采用了PC104总线通讯方式，使得系统具有了较强的可扩展性，可进一步添加多个控制板至总线上，实现一台主机对多块运动控制板的集中控制与管理；也可针对具体图7三轴直线插补运动轨迹(下转第99页)万方数据2010年第2期 工业仪表与自动化装置 99开7 rain；6)上阀右开7 rain。下阀比上阀提前7 s接通；7)循环3)一6)步，上下阀定时循环工作；8)关机后又回到初始脱附状态，等待开机。对应的时序关系如图3所示。下阀上阀6。53” 7” 453” 7” 6
17、53” 7” 453。 7“右650“。 左5。 右7 左5。右7 左5 右7 左5图3 TXF一125型二氧化碳洗涤器时序图3 实际应用循环循环定量对二氧化碳进行洗涤；特殊设计的电源模块和有效的防干扰措施，保证了三相电机的开关及控制电路与高速集成数字电路能够共存一体而互不影响；在工作状态转换的延时保护电路中，巧妙地增加了洗涤器的补氧功能。市场需求是发展的动力和研究的方向。正是由于这些需求，二氧化碳洗涤器在市场的发展前景十分广阔。随着时序控制算法、气体洗涤技术的不断发展，二氧化碳洗涤器将会在现有产品和技术的基础上进一步的完善和提高。参考文献：1杜玉宽，杨德兴水果蔬菜花卉气调贮藏及采后技术M北京
18、：中国农业大学出版社，2000TXF一125系列二氧化碳洗涤器在实践中的应 2李军果蔬气调库及其控制方式的研究J西安建筑要=罂I缨嬲P堂磐，鬯。内竺三苎戮套篁纂銮嚣=制冷系统的恻n中化碳洗涤技术达到了国际先进水平。目前，该系列 。苫磊曩发毳薹姜萎；22009,(8”)“：4218“ji“”。的二氧化碳洗涤器已有公司批量生产，产品销售11 4李明忠，孙兆礼中小型冷库技术原理安装调试个省、市、自治区，深受用户好评，收到了较好的社会 维修管理M上海：上海交通大学出版社，1995：效益和经济效益。 1271314结论 陋3=斋=蒜主靠：面cou精确的时序控制算法和可定量控制的活性炭洗 6TxF一125
19、型二氧化碳洗涤器经济效益分析报告R涤技术是该文所介绍的二氧化碳洗涤器的基础。该 西安黄河电子工程公司，2008二氧化碳洗涤器控制精度高、反应速度快、支持连续(上接第48页)图8两轴圆弧插补运动轨迹参考文献：1 王成元开放式数控系统的发展现状及其趋势J沈阳工业大学学报，2007，29(2)：61652罗学科，赵玉侠典型数控系统及其应用M北京：化学工业出版社，20053贾涛，姚广臣数控技术发展热点分析J科技创新导报，2007，(35)：244Weihai Chen，Zhaojin Wen，Zhiyue xlL Implementation of2一axis Circular Interpolati
20、on for a FPGAbased 4一axisMotion ControllercGuangzhou，China2007 IEEE In-ternational Conference on Control and Automation20Cr7：6006055裘雪红微型计算机原理及接口技术M西安：西安电子科技大学出版社，20076PC104嵌入式协会PC104规范V25z20037 叶佩青，汪劲松MCX314运动控制芯片与数控系统设计M北京：北京航空航天大学出版社，20028 三洋电气株式会社SANMOTION AC SERVO AMPLIFIER操作说明书z20069方可燕Visual
21、C+60实战与精通M北京：清华大学出版社，200010 郗志刚，周宏甫运动控制器的发展与现状J电气传动自动化，2005，27(3)：lo一1411 李木国基于FPGA的运动控制卡设计和实现J计算机工程与设计，2008，29(3)：66666812刘洋，赵金基于DSP+CPLD的多轴矢量运动控制器的设计J电气传动，2005，35(12)：1517万方数据基于PC/104总线与专用运动控制芯片的多轴运动控制器设计作者： 崔志方， 皮佑国作者单位： 华南理工大学,自动化科学与工程学院,广州,510640刊名： 工业仪表与自动化装置英文刊名： INDUSTRIAL INSTRUMENTATION &
22、AUTOMATION年，卷(期)： 2010，“(2)被引用次数： 0次参考文献(12条)1.王成元 开放式数控系统的发展现状及其趋势 2007(2)2.罗学科.赵玉侠 典型数控系统及其应用 20053.贾涛.姚广臣 数控技术发展热点分析 2007(35)4.Weihai Chen.Zhaojin Wen.Zhiyue Xu Implementation of 2-axis Circular Interpolation for a FPGA-based4-axis Motion Controller 20075.裘雪红 微型计算机原理及接口技术 20076.PC/104嵌入式协会 PC/104规范 V2.5 20037.叶佩青.汪劲松 MCX314运动控制芯片与数控系统设计 20028.三洋电气株式会社 SANMOTION AC SERVO AMPLIFIER操作说明书 20069.方可燕 Visual C+6.0实战与精通 200010.郗志刚.周宏甫 运动控制器的发展与现状 2005(3)11.李木国 基于FPGA的运动控制卡设计和实现 2008(3)12.刘洋.赵金 基于DSP+CPLD的多轴矢量运动控制器的设计 2005(12)本文链接：http:/
