引言

目前，運動控制主要通過單片機或者計算機實現(xiàn)，這種方法的軟、硬件研制周期長，嚴重影響系統(tǒng)的性能和可靠性。本文介紹的數(shù)控系統(tǒng)采用的是硬件插補，縮短了軟件設計周期。另外，原有的插補是根據給定的數(shù)學函數(shù)，在理想的軌跡或輪廓上的已知點之間確定中間點的一種方法，很難得到復雜的曲線方程，而MCX314中的位模式插補功能就能很好地解決這個問題。本文介紹的算法可以將復雜曲線用一種特殊格式的文件來表示，用位模式實現(xiàn)插補驅動。

圖1為基于ＭCX314芯片的４軸數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺，系統(tǒng)的軟件平臺建立在它之上。此硬件平臺通過ISA總線接口實現(xiàn)對4個軸運動的控制，可提供4通道全數(shù)字伺服接口和1通道12位的模擬輸出（用于主軸控制）， 其中每個軸都可以獨立設定位置或者控制速度，另外還提供了64輸入/48輸出光電隔離接口。它的軸控制器包括脈沖輸出接口、編碼器輸入接口和外部信號輸入接口。脈沖輸出接口直接與步進或數(shù)字伺服電機連接，控制電機運動；編碼器輸入接口接收來自電機上編碼器的反饋數(shù)據，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

使用MCX314的運動控制平臺的優(yōu)勢

基于MCX314芯片的運動控制平臺是一款全數(shù)字平臺，因為它完全有別于以前的數(shù)控系統(tǒng)，以前的數(shù)控系統(tǒng)采用的是模擬信號輸出，在系統(tǒng)內部，CPU以數(shù)字形式對信號進行處理，然后通過D/A轉換輸出模擬信號控制伺服電機運動，由輸出的模擬信號的電平高低來控制電機轉動的快慢。它采用的是脈沖形式輸出，在整個處理與輸出的過程中都采用數(shù)字信號，由輸出脈沖的頻率來控制電機轉動的快慢，由輸出脈沖的多少來控制電機轉動多少。如圖1所示，4軸控制器與電機之間交換的是數(shù)字信號，脈沖輸出和編碼器反饋都是高低電平形式，使用數(shù)字信號大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。

平臺具有這樣的優(yōu)勢是與MCX314芯片的特點分不開的。MCX314四軸運動控制芯片是基于DSP的運動控制專用芯片，接口簡單、編程方便，在數(shù)控機床、雕刻機、工業(yè)機器人等領域得到廣泛應用，并正在向新的應用領域拓展。MCX314芯片能與8位或者16位總線接口，通過命令、數(shù)據和狀態(tài)等寄存器實現(xiàn)4軸3聯(lián)動，實現(xiàn)位置、速度、加速度的運動控制和實時監(jiān)控，該芯片具有3種模式插補功能，輸出脈沖頻率最高可達4MHz。每軸都有伺服反饋輸入端、4個輸入點和8個輸出點、能獨立地設置為恒速、線性或者S曲線加/減速控制方式，并有2個32位的邏輯、實際位置計數(shù)器和狀態(tài)比較寄存器，實現(xiàn)位置的閉環(huán)控制。

平臺有兩項功能是最能體現(xiàn)它的靈活性和易操作性的，即它的硬件插補功能和位模式插補功能。所謂硬件插補，即不用編寫復雜的插補程序，只需要設定一些參數(shù)和發(fā)出差補命令即可完成插補任務。

硬件插補功能

在硬件插補當中，不用考慮插補算法，只要給出參數(shù)以及插補命令，整個過程就能由芯片自動控制，不需要軟件的任何干預。圖2是硬件插補的應用流程。

本系統(tǒng)可以在4個軸中任意挑選出2個或者3個軸進行 直線插補、圓弧插補和位模式插補驅動，所以在進行插補驅動前應指定插補軸。

位模式插補功能

位模式插補是把CPU計算的插補數(shù)據以數(shù)據包的方式接收后，以指定的驅動速度連續(xù)輸出插補脈沖。簡單地說，位模式插補就是根據+/-方向驅動脈沖的高低電平狀態(tài)來進行插補，每一位對應一個脈沖，隨即驅動馬達轉動一步，如果馬達轉動一圈需要2048個脈沖，那么一個脈沖可使馬達轉動1/2048周。利用位模式差補方式可以加工出任意復雜形狀的曲線。

圖3為位模式插補的整個流程圖，直觀地介紹了位模式插補的整個過程，包括各個寄存器使用的時機，各種命令如何搭配使用來完成位模式插補的全過程。

算法實現(xiàn)

本文介紹的這個算法是將插補數(shù)據以一種特殊的格式放入一個文件中，算法根據數(shù)據的格式讀取插補數(shù)據，進行插補驅動，插補驅動的過程如圖3所示，在后面的流程中不作詳解。插補數(shù)據根據二維/三維曲線的具體形狀而形成。

1. 舉例構建位模式插補數(shù)據結構文件如下：

Bitpattern.bp（文件名）文件數(shù)據如下：

BITPATTERN

AXIS 3 ——插補軸的指定

B ——數(shù)據有效，可以讀取

0000 2bff ffd4 0000① ——插補數(shù)據

B

f6fe 0000 000f 3fc0

B

1fdb 0000 00ff fc00

B

4000 7ff5 0000 0aff

E ——后面無數(shù)據，文件結束

2. 位模式插補數(shù)據結構文件的格式介紹：

？BITPATTERN：表示此文件的格式為位模式數(shù)據文件。

？AXIS：表示插補軸。

？3：十六進制數(shù)（二進制0011），表示插補軸的設定，同時表示２軸位模式插補，第一軸X和第二軸Y，全部參數(shù)設定參見表1。

當程序從位模式數(shù)據文件中讀到此數(shù)值時，則根據表1中的規(guī)定執(zhí)行相應的函數(shù)子程序。

B：表示下面有一行有效的位模式插補數(shù)據，可以讀取。

E：表示下面無數(shù)據，位模式插補數(shù)據結束，位模式數(shù)據文件結束。

其中的每行數(shù)據為十六進制數(shù)，表示插補數(shù)據，以①為例，“0000 2bff ffd4 0000”表示的分別是AX1軸正、負方向，AX2軸正、負方向的低16位數(shù)據。

結語

本文介紹的系統(tǒng)采用數(shù)字脈沖接口，處理的是數(shù)字信號，這在很大程度上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性，而且采用的是硬件插補方式，系統(tǒng)性能提高了，閉環(huán)處理的速度加快了，從而大大降低了數(shù)控軟件的編寫難度，縮短了開發(fā)周期。位模式插補方式解決了復雜曲線用公式難以描述的問題，文中介紹的算法巧妙地將復雜曲線轉換成一種格式文件，充分發(fā)揮出位模式插補的優(yōu)勢。

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