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1、第6期(总第199期)机械工程与自动化No.62016年12月MECHANICALENGINEERING&AUTOMATIONDec.文章编号:1672-6413(2016)06-0203-03基于PC／104的嵌入式四轴运动控制卡硬件设计﹡张亿,黄志刚,张永俊,赵德清(广东工业大学机电工程学院,广东广州510006)摘要:针对基于PC／104的嵌入式四轴运动控制卡,结合DSP专业工控芯片设计电路原理图和PCB。该设计采用PC／104嵌入式系统总线,以MCX314As芯片进行运动控制,适用于工业领域的四轴运动控制。使用AltiumDesigner软件进行电路原理图绘制和PCB设计,该卡设计旨在
2、实现电火花线切割机床的运动控制。结合嵌入式CAD编程系统,搭建了嵌入式电火花线切割数控加工系统。关键词:PC／104;嵌入式四轴运动控制卡;硬件设计中图分类号:TG484∶TP273文献标识码:A0引言ISA(IEEE-996)标准的延伸。PC／104是一种专门为电火花线切割加工(WireCutEDM,简称嵌入式控制而定义的工业控制总线,虽然信号定义和WEDM)是直接利用电能和热能进行加工的工艺方PC／AT基本相同,但是电气和机械规范上完全不同,法。电火花线切割机床的运动控制主要表现为四轴运是一种优化的、小型的、堆栈式结构的嵌入式控制系[4]动控制,X、Y轴负责工作台的运动控制,U、V轴负责统
3、。PC／104总线的特点如下:①尺寸结构小:标准锥度控制,在本文设计中采用MCX314As四轴运动控模块的尺寸为90mm×96mm;②堆栈式总线形式:总制芯片。考虑到嵌入式系统设计需求,采用PC／104线采用“针”和“孔”层叠方式代替了传统的插槽方式,嵌入式系统总线方式实现与上位机的通讯。具有较强的抗震性;③低功耗:正常工作时总线驱动电1运动控制系统的硬件组成流为4mA,平均每个模块仅1W~2W能耗。线切割运动控制系统总体硬件结构采用“ARM+PC／104总线有64个信号定义接口,逻辑电源电电机伺服系统”,电机伺服系统包括运动控制卡、伺服平为5V。主要信号包括16位数据总线DATA[0~[1-
4、2]电机、功率驱动器、速度位置检测传感器等。本设15]、24位地址总线ADDR[0~23]、IO写控制端口计中的嵌入式运动控制卡是伺服系统的核心部分,运IOW(低电平有效)、IO读控制端口IOR(低电平有动控制系统组成框架如图1所示。效)、总线时钟SYSCLK、地址锁存信号ALE和中断请求信号IRQ。考虑到ARM上位机和PC／104电平模式上的差图1运动控制系统组成框架异,须采用压电转换芯片实现电压平衡[5]。在本设计运动控制卡的PC／104总线采用16位数据传输中采用通用的SN74ALVC164245缓冲芯片,确保系方式,通过与ARM上位机对应的16根数据线、8根统的稳定性和可靠性。ARM上
5、位机和PC／104总线地址线、4个中断、4个片选等读写信号连接,然后经过接口原理框图如图2所示。[3]压电转换连接到PC／104总线接口上。运动控制卡2.2MCX314As的控制原理和接口设计中采用日本诺华公司提供的专业运动控制芯片MCX314As芯片是一款能够同时控制4个伺服MCX314As,由有源晶振提供16MHz时钟信号。运电机／步进电机的专业运动控制芯片,其引脚封装为动控制卡采用差分驱动和光电耦合、光电隔离模块,以QFP／PQFP144。它以脉冲串方式输出,能实现位置保障信号的稳定传输。控制、插补驱动、速度控制等功能。对MCX314As的2运动控制卡的硬件原理设计控制主要是根据其对应的
6、指令系统读写寄存器,指令2.1PC／104总线接口命令主要为以下4种:①写数据命令;②读数据命令;PC／104是一种工业计算机总线标准,在工业标准③驱动命令;④插补命令。架构(IndustryStandardArchitecture)上PC／104是MCX314As脉冲输出分为两种类型:一种是CW／﹡国家自然科学基金项目(51275098)收稿日期:2016-04-06;修订日期:2016-09-16作者简介:张亿(1991-),男,重庆开县人,在读硕士研究生,研究方向为嵌入式电火花线切割数控系统。·204·机械工程与自动化2016年第6期CWW类型,另一种是Plus／DIR类型。在CW／CW
7、W伺服电机编码器的三相A、A,B、B,Z、Z六路信号类型下采用正方向驱动时,驱动脉冲从nPP输出;采线通过DC9D10光耦合器分别连接到nECAP、nE-[6]用负方向驱动时,则由nPM输出。在Plus／DIR类CAN、nECBP、nECBN、nINOP、nINON作为型下则由nPP输出驱动脉冲,由nPM输出方向信号。MCX314As的输入端。通过设置MCX314As内部寄存器WR2的D6位来完嵌
