1 引言
MCX系列運動控制器是日本NOVA公司設計的專用電路，其中MCX314As是NOVA公司最新的推出的4軸運動控制器，是對MCX314功能的改進和增強。
MCX314As以單個電路同時控制4個伺服系統(tǒng)或步進電機系統(tǒng)，可進行各軸獨立的定位控制、速度控制，亦可在任意2軸或3軸中進行圓弧、直線、位模式插補。MCX314As能與8/16位數(shù)據(jù)總線接口，通過命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等寄存器實現(xiàn)4軸3聯(lián)動的位置、速度、加速度等的運動控制和實時監(jiān)控、實現(xiàn)圓弧、直線、位模式3種模式的軌跡插補，輸出脈沖頻率達到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、非對稱S曲線加/減控制、非對稱梯形加/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，另外，較MCX314增加了自動搜尋原位、輸入信號
濾波器、同步動作、輸出脈沖32位，圓弧/直線插補脈沖范圍32位、完成S曲線加/減速的非對稱、手動設定模式、位置計算器的可變環(huán)形、Z相輸入的實位計數(shù)器的清除、實位計算器的增減反轉等功能，同時，MCX314As對連續(xù)插補最終寫入、圓弧插補終點指定、輸入UP/DOWN脈沖的計算出錯等作了相應的改善。
2 內(nèi)部結構和主要功能
圖1為MCX314As的功能框圖。
由相同功能的X、Y、Z和U軸的控制部分和插補計數(shù)部分組成，主要功能如下：
2.1 4軸控制
MCX314As通過脈沖序列驅動控制電機運動，4軸運動控制器中的4個軸都具有相同的功能，允許至多3軸聯(lián)動，同時對于恒速驅動、插補或S曲線驅動都有相同的操作方法，S曲線加/減速驅動等4軸的性能相同。
2.2 速度控制
對于恒速驅動、插補或S曲線加/減速驅動，輸出脈沖的頻率范圍是1p/s-4mp/s，而輸出脈沖頻率的精度(時鐘頻率為16MHz）小于±0.1%，速度倍率為1-500，驅動脈沖輸出的速度可以在不運行時自由變化。
2.3加/減速驅動
MCX314As可以控制每根軸的恒速驅動、插補的加/減速驅動和S曲線加/減速驅動。每個軸還可以被獨立地位置為S曲線或梯形加/減速，使用S曲線的加/減速命令可以使輸出脈沖按拋物線規(guī)律進行加/減速。
2.4插補功能
直線插補：4軸中的任意2軸或3軸都可以實現(xiàn)直線插補運動，運動位置邊界的坐標介于-2147，483646-+2147 483 646之間，同時直線插補的位置誤差為±.05LSB（最小插補單位）。
圓弧插補：任意2軸都能實現(xiàn)圓弧插補，其插補坐標的范圍與直線插補相同，圓弧插補的位置誤差為±1.0LSB（最小插補單位）。
位模式插補：這種插補的數(shù)據(jù)由上位機CPU進行計算，上位機將插補結果寫入MCX314As，然后，MCX314As在預置的驅動速度下連續(xù)輸出插補脈沖，根據(jù)上位機CPU的處理能力，MCX314As可以對各種形狀的曲線進行插補。
連續(xù)插補：MCX314As允許不同的插補方式連續(xù)使用，例如直線插補→圓弧插補→直線插補→……，不間斷的連續(xù)插補時允許的最大插補速度為2Mp/s。
2.5位置控制
每個軸都有一個32位的邏輯位置計算器和一個32位的實際位置計算器，邏輯位置計算器記錄輸入的位置脈沖，實際位置計算器記錄從外部編碼器或者線性比例尺輸入的反饋脈沖。
2.6比較寄存器和軟件限位
每個軸都有2個32位比較寄存器，一個為邏輯位置計數(shù)器，另一個為實際位置機計數(shù)器。比較結果可從狀態(tài)寄存器讀出，也可以通過中斷報出，這些寄存器也可以被用來實現(xiàn)軟件限位。
2.7自動搜索原位功能
MCX314As在不需要CPU干涉下可以完成自動搜索為原位的工作，這個過程包括高速原位搜索→低速原位搜索→編碼器Z相搜索→補償驅動。這種功能減少了CPU的負擔。
2.8同步運行
同步運行可實現(xiàn)一些特殊功能，例如在每個軸或2個軸或與該電路相連的外部器件產(chǎn)生的激勵信號能使運行同步開始或停止，可以使用10種類型的激勵信號，其中包括特殊位置、軸運動時的開始/停止和輸入信號的脈沖上升沿/下降沿。4種運行的響應包括軸運動的開始/停止、保存位置的計算值和寫入軸運行的速度等。
2.9輸入信號過濾
MCX314As具有對每個輸入信號進行濾波的功能，并且可以設置輸入的信號是否進行濾波還是直接進入電路，濾波的時間常數(shù)可以選擇。
3主要控制寄存器及指令系統(tǒng)
3.1命令寄存器（WR0）
MCX314As中各軸的WR0寄存器用來進行各軸設定和命令寄存，它包括軸設定的各位、命令字設定的各位以復位命令的各位。在向此寄存器寫入軸設定字和命令自后，它將立即執(zhí)行，某些命令在寫入WR0之前應先寫入WR6和WR7。
3.2模式寄存器（WR1）
4都有各自的狀態(tài)寄存器1，寫哪個寄存器取決于NOP指令的指定或寫前的情況，WR1可以控制輸入信號IN3-IN0的使能，并用于設定減速狀態(tài)和比較結果寄存器。
3.3 模式寄存器2（WR2）
WR2設定外部
限位開關輸入、反饋計數(shù)器脈沖類型及伺服驅動的反饋信號。
3.4 模式寄存器3（WR3）
4個軸都有各自的WR3，讀哪個狀態(tài)寄存器取決于已被指定的軸或NOP指令指定的軸。WR3可用于操作手動減速、單獨減速、S曲線加/減速、外部操作模式設定和通用輸出OUT7-OUT4的設定。
3.5 輸出寄存器（WR4）
該寄存器用于設定4軸的輸出信號nOUT3-nOUT0，它也可以被用作16位的通用輸出，若某位置0，將會輸出低電平；置1將會輸出高電平。
3.6 主狀態(tài)寄存器（RR0）
該寄存器用來顯示各軸驅動和錯誤的狀態(tài)，此外，它還顯示插補、連續(xù)插補的就緒信號、圓插補的象限和BP插補的棧計數(shù)。
3.7狀態(tài)寄存器（RR1、RR2、RR3）
每個軸都有狀態(tài)寄存器RR1、RR2和RR3。讀取哪個狀態(tài)寄存器，取決于寫入MCX314As的命令，命令10FH表示X軸，20FX表示Y軸，40FH表示Z軸，80FH表示U軸。
3.8 輸入寄存器（RR4/RR5）
RR4和RR5為通用寄存器，如果寄存器的數(shù)據(jù)位為0，則輸出為低電平，若數(shù)據(jù)位為1，則輸出為高電平。
3.9 數(shù)據(jù)寄存器（RR6/RR7）
RR6和RR7是數(shù)據(jù)寄存器并對相應的數(shù)據(jù)讀取命令。RR6存放低16位（D15-D0），RR7存放高16位（D31-D16）。
3.10 寫數(shù)據(jù)命令
設置驅動參數(shù)的如加速度、驅動速度、輸出脈沖數(shù)時，要用寫數(shù)據(jù)命令，以將這些參數(shù)/數(shù)據(jù)寫入MCX314As，如果同時指定多軸，可以對不同的軸同時寫入相同的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)長度是2B，只需把數(shù)據(jù)寫入WR6，如果數(shù)據(jù)長度大于2B，則高16位寫入WR7，低16位寫入WR6。數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)寄存器后，向WR0寫入命令設定軸，然后執(zhí)行命令。
3.11讀取數(shù)據(jù)指令
數(shù)據(jù)讀寫命令用來讀取各軸寄存器的值。當向WR0寫入讀命令后，數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在RR6和RR7中，要讀取的數(shù)據(jù)是二進制的，負值為二進制補碼形式。
3.12驅動命令
驅動命令將控制MCX314As以不同的方式輸出驅動脈沖。當向WR0寫入命令代碼并制訂控制軸后，該命令被立即執(zhí)行。可以同時用同一命令指定多軸，運行時，每個軸的RR0的nDRV位將置為1，當運行結束時，nDRV位置0。
3.13 插補命令
插補命令由2軸或3軸直線插補、順時針/逆時針圓弧插補、2軸或3軸位模式插補和其他有關命令組成，當向WR0寫入插補命令時，置WR0的D8-D1位為0，因為對插補命令沒有必要指定軸。
在執(zhí)行插補命令之前，必須先執(zhí)行以下2步：通過設置WR5的D5-D0位來指定要插補的軸；設定主軸的速度參數(shù)。
4 應用電路
目前，占據(jù)國內(nèi)數(shù)控市場主要份額的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)多采用MCS-51系列單片機或MCS-51系列兼容的單片機，最高頻率為12MHz-40MHz，但周期指令執(zhí)行時間為250ns-1ms，限制了經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的進一步發(fā)展，尤其是多軸高速聯(lián)動、螺紋高速切割和高分辨率控制等功能受到限制，將MCX314As運動控制器和MCS-51系列單片機相結合構建高性能經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，可以解決傳統(tǒng)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)速度慢、功能少、開發(fā)難度大等問題，具有很好的發(fā)展前景。
張力控制廣泛應用于各種卷殼及滾筒組成的加工生產(chǎn)線，如造紙廠、印刷廠、紡織漂染廠和食品廠等，這些生產(chǎn)線在處理紙張、薄片、絲、線、布等大尺寸材料的過程中必須有一定的張力，張力太小會導致褶皺和套印不準等弊病；張力太大會無謂增加機器負荷并容易使材料斷裂，而張力不穩(wěn)定會使材料發(fā)生跳動也會導致套印不準及重影等，為了保持產(chǎn)品的品質、效率及可靠性，一套功能完備的張力控制系統(tǒng)是必需的。如圖2所示。凹板印刷機的張力控制裝置整體可以分為3部分：張力/速度檢測裝置、控制裝置、執(zhí)行機構及驅動器，其中，控制裝置是系統(tǒng)控制的核心，本設計使用MCX314As和89C51型單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)的張力控制和速度調(diào)整。
4軸運動控制卡以MCX314As為核心，采用89C52型單片機作為主控制器，并采用PSD913F2型可編程外圍器件來替代傳統(tǒng)的大部分外圍器件，MCX341As的時鐘頻率由外部決定，本系統(tǒng)采用了MCX314As默認的16MHz頻率作為時鐘信號，圖2中，PG1、PG2、PG3、PG4為光電編碼器，M1、M2、 M3、M4是步進電機。
MCX314As的片選信號和低位地址A0-A3都由PSD913F2產(chǎn)生，數(shù)據(jù)線和讀/寫信號直接由89C51相應的數(shù)據(jù)線和讀/寫信號控制，中斷信號觸發(fā)89C52的外部中斷端。MCX314As只有一個中斷信號端口，所有中斷信號必須進行“或運算”或輸出到中斷信號端口。中斷源的使能和狀態(tài)通過MCX314As上的寫/讀寄存器進行設置和判斷。
89C52、PSD913F2和MCX314As能夠提供32個通用輸入端、32個通用輸出端、13個可編程通用輸入/輸出端。這些端口用于S、M、T功能和各種反饋輸入信號。
系統(tǒng)放卷和收卷電機控制脈沖由MCX314As產(chǎn)生，經(jīng)過差分輸出驅動器產(chǎn)生差分驅動輸出，即可以控制數(shù)字式
交流伺服驅動器，也可以控制步進電機驅動器和直流電機驅動器，外部反饋脈沖經(jīng)過差分輸入驅動后輸入MCX314As，張力傳感器信號和速度信號也可以直接輸入MCX314As，通用輸入/輸出信號都要經(jīng)過光電隔離，直至驅動后才能與MCS314As或PSD913F2相連。
5 結束語
張力控制系統(tǒng)是印刷包裝行業(yè)中的重要環(huán)節(jié)。將MCX314As型運動控制器應用于凹版印刷機的張力控制系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使得更高級和更智能的控制策略得以運用，但該系統(tǒng)的抗干擾能力還需要進一步改進。
