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嵌入式技术在工业控制领域的应用还不太成熟,近年来,工业控制对运动控制系统的要求越来越高,为了满足新一代运动控制系统的各项性能要求,嵌入式运动控制器应运而生。而基于ARM运动控制芯片的新一代运动控制系统,可充分发挥ARM微控器与专业运动控制芯片MCX314As的特点.并能极为方便的构成高性能的嵌入式运动控制系统。
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1 硬件电路
1.1 运动控制芯片MCX314As 日本NOVA电子有限公司研制的MCX314As是以单一芯片来控制4轴的脉冲序列输出驱动伺服电机和步进电机的运动控制芯片,适用于工业自动化设备、工业机器人、测量设备、办公设备和家用电器方面,具有各轴独立的定位控制、速度控制功能,且可在4轴中任选2轴或3轴来进行圆弧、直线、位模式插补操作。MCX314As的输出脉冲频率高达4 MHz,误差低于±0.5最小插补单元,倍率为1~500。且每轴都有伺服反馈输入端、四个输入点和8个输出点,能独立设置恒速、线性、非对称S曲线加/减控制、非对称梯形加/减控制。同时该芯片还有2个32位的逻辑、实际位置计数器和状态比较寄存器,并可实现位置的闭环控制功能。 1.2 S3C2410微处理器 S3C2410是韩国三星(Samsung)公司设计的32位RISC嵌入式处理器。该处理器可为手持设备和一般性应用提供一个高性价比、低功耗、高性能的解决方案。该芯片基于ARM920T内核,采用五级流水线和哈佛结构,主频高达200 MHz,并具有全性能的内存管理单元MMU (Memory Management Unit)、独立的16KB指令和数据Cache以及高速AMBA总线接口。为了减少应用系统设计 成本,S3C2410还集成了众多的常用资源,例如:LCD控制器、NANDFlash控制器、SDRAM控制器、系统片选逻辑以及一些常用的通讯接口等,因此可广泛应用于工业控制领域。 1.3 控制器电路 在嵌入式控制系统的硬件设计中,可在开发板S3C2410上设计预留系统总线接口,包括16位数据线、12位地址线、片选信号和一些读写控制信号线等通用IO口的信号线,以方便用户扩展应用电路。运动控制芯片MCX314As与S3C2410处理器的通信就是通过这个标准的系统总线接口来实现的,即把两者的数据线、地址线、读写控制线、片选信号和中断等信号连接起来,其信号连接图如图1所示。由图中可以看到,在那些互相连接的信号线之间都连着SN74ALVC164245芯片,主要是因为S3C2410的I/O引脚的工作电压是3.3 V(按道理可以承受5 V电压),而MCX314As的工作电压是5 V,为保险起见,同时也为了增加信号之间传输的可靠性。设计中加入了这个电平转换芯片SN74ALVC164245来实现电平的转换,同时又可用于驱动信号。另外还需要注意的是,由于电路中使用的是16位数据线来完成数据传输,因此应将MCX314As2芯片的H16L8引脚接高电平。 |
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2 软件系统
该嵌入式运动控制系统的控制流程图如图2所示。其主要作用是从ARM上位机传输数据到MCX314As下位机,步骤如下: (1)加工程序开始时,首先对MCX314As芯片进行初始化。以设置芯片的初始速度、加速度、减加速度、加速度变化率、正转反转方式、逻辑位置计数器清零以及实际位置计数器清零等。 (2)选择需要进行加工的轴,MCX314As芯片有X、Y、Z、U四个轴,都有着相同的功能.能实现四轴三联动。 (3)设置所选轴模式和运行参数,包括直线定速模式、单步插补输出模式和中断请求。 (4)初始化位置计数器,即将数据库中的行号写入此计数器以进行减法计算,每处理完一行数据进行一次减一处理。 (5)传输命令和数据,发出数据后,首先对状态寄存器进行检查,加工完一段后发出信号,然后再发送下一组数据,一直到加工完成为止。在加工过程中一旦出现中断,首先读取各寄存器的数据来进行保存,等恢复加工后再读写出来。整个数据库文件输出结束后,保存运行系统完成后的数据信息和系统所处的状态信息,以备下个零件加工使用,由此加工结束。 3 运动控制器的应用 XY两轴工作台是采用滚珠丝杆和滚动导轨传动的十字工作台(X、Y两轴垂直)。X、Y两轴两端各有1个限位开关。设计中采用松下交流伺服电机(型号MSMA022A1C,功率200 W,额定转速3000 r/min,额定转矩0.64 Nm)来驱动工作台运动,其电机驱动器采用松下伺服驱动器MSDA023A1A,并采用光电编码器作为位置反馈器件(伺服电机同轴安装11线2500 P/r增量编码器)。 图3是该平台的X轴驱动系统连接图,Y轴驱动与X轴驱动电路相同。图中,M为伺服电机。EC是编码器。设计时,可将伺服驱动器的“控制模式”设置为“位置控制”,把指令脉冲设置为“CW/CCW”方式,并通过S3C2410按流程图来操作MCX314As,同时设置相应的运动参数和写入功能命令来完成对平台的运动轨迹控制。 4 结束语 基于ARM的专业运动控制芯片能大大加快研发速度,可以在较短时间内得到控制性能优异的嵌入式运动控制系统。该电路可以广泛应用在工业控制和机器人控制的设计中。 |
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