众为兴MC4140CUT四轴运动控制器在平板切割机上的应用———MC4140CUT四轴运动控制器

．引言
在机械加工过程中，板材切割常用方式有手工切割、半自动切割机切割及数控切割机切割。手工切割灵活方便，但手工切割质量差、尺寸误差大、材料浪费大、后续加工工作量大，同时劳动条件恶劣，生产效率低。半自动切割机中仿形切割机，切割工件的质量较好，由于其使用切割模具，不适合于单件、小批量和大工件切割。其它类型半自动切割机虽然降低了工人劳动强度，但其功能简单，只适合一些较规则形状的零件切割。数控全自动切割相对手动和半自动切割方式来说，可有效地提高板材切割地效率、切割质量，减轻操作者地劳动强度。
本文介绍的是众为兴公司研制的由MC4140CUT四轴运动控制器控制的全自动平板切割机控制系统，其中样机为奥科公司生产的平板切割机，控制器为众为兴公司MC4140CUT四轴运动控制器。它实现了平板切割机的自动控制，适应了材料切割的自动控制的需要。整个控制系统的实物图如图5.1所示。


1 系统构成
整个系统的框架原理图见5.1.1。


对于控制精度要求不大的平板切割机，系统采用步进电机实现。利用MC4140CUT四轴运动控制器实现时，控制系统构成： MC4140CUT四轴运动控制器,步进驱动器Q2-BYG403M，56BYGHM611A二相混合式步进电机。
（1）控制器采用的四MC4140CUT，液晶+按键屏，128X64点阵图形液晶显示屏
256M超大容量存储空间；该控制器是整个系统的“大脑”，整个系统的反应速度，加工精度，灵活与敏捷程度都取决于控制器输出的脉冲频率与周期等模拟量，而这些模拟量最终取决于控制器本身。所以，它是控制系统的核心。
（2）步进驱动器是整个系统的中间环节，驱动器的好坏是系统性能好坏的决定性因素之一。文中讨论了采用众为兴生产的Q2BYG403步进驱动器实现该系统。
（3）步进电机也可以采用众为兴的实现,文中采用56BYGHM611A实现。
控制器内部是由四块集成芯片组成，电源控制集成芯片，ARM工控主板，运动控制集成芯片和显示器集成芯片，前三者的关系是：ARM工控主板为核心板，相当于“大脑”它控制运动控制集成芯片，而这里的电源控制芯片是为它们提供电源的，。
（1）输入输出板是提供控制器与外界设备的接口的集成电路系统。这里集成了输入/输出接口，USB接口，串行接口等等。
（2）电源板用于将220V交流电转化为控制器可以接受的电源范围，一般为5—12V。
（3）显示器集成电路板用于集成包括显示器驱动器在内的显示器驱动电路。
（4）主控板，自不必说，是整个控制器的核心主板，它上面集成有很多芯片，包括ARM主控CPU，两片扩展的FLASH，CPLD，一片SDRAM等等。正是这些电子IC器件，构成了控制系统的控制部分，即整个人工智能系统的“大脑”。
系统构成与控制原理图如图5.1.3所示。


（1）显示器，这里采用按键屏，控制器内部显示器板集成电路板上集成了按键屏驱动电路和驱动器。
（2）嵌入式CPU，MC4140CUT四轴运动控制器内部集成了ARM主CPU芯片，采用ARM7TDMI为内核的ARM主CPU，其内部资源很丰富 ，包括有UART，DMA，BDMA，看门狗定时器，ADC，JATG接口，LCD控制器，中断控制器，ⅡC总线，ⅡS总线，SIO总线。RTC实时时钟，通用I/O等资源。
（3）DSP专用运动控制芯片ADT-MC814，控制器采用四轴运动控制专用芯片，此运动控制芯片ADT-MC814中集成有中断/指令/处理模块和线性，圆弧，位模式三大插补控制模块。运动控制的指令经过ARM主CPU发出后，由此模块经过处理发送相应的脉冲给电机驱动器以驱动电机运转。
（4）RAM，ARM主CPU集成有8/16KHZ的RAM，但是它不能满足系统运行大型程序，存储特别是由于运算和RTOS的多任务调度以及文件系统的运行都将产生大量的堆栈、全局变量和局部变量,而且由于系统内置软PLC的运行也将占用一部分RAM空间,所以必须扩展一个RAM，此芯片外部扩展了一个8M的SDRAM。
（5）CPLD，该控制器外部集成了CPLD用于存储数据，该CPLD内部集成了32个通用逻辑单元。用于存储控制信号和数据等信息。
（6）FLASH，控制器主控板上集成了两片FLASH，一片2M的NOR FLASH，一片256M的NAND FLASH，主要用于存储系统运行所需的程序代码，语言字库，需要断电和长期保存的系统参数，软/硬件限位参数等等。
（7）DOM全名DISK ON MODULE，泛指IDE电子硬盘,由控制单元（Controller）和存储单元（FashIC）组成，简单的说就是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，可以使用PC机直接输入程序，数据，也可以通过控制器输入程序，数据。
（8）RS232通信，RS-232C（Recommended Standard-RS）串行接口是计算机与外设之间以及计算机与测试系统之间最简单、最普遍的连接方法，采用25线连接器。其最高的单向数据传输率为20kbps，此时的最大传输距离为15米。适当降低速率，其最大传输距离可达60米。但它只是一对一的传输，仅用于简单或低速的系统，这里用于PC机和控制器之间的串行接口。
其中ARM工程主板采用嵌入式结构，是ARM7系列嵌入式CPU，内核为ARM7TDMI。
ARM处理器的三大特点是：耗电少功能强、16位/32位双指令集和众多合作伙伴。ARM商品模式的强大之处在于它在世界范围有超过100个的合作伙伴。ARM是设计公司，本身不生产芯片。采用转让许可证制度，由合作伙伴生产芯片。
当前ARM体系结构的扩充包括： 为了改善代码密度，采用Thumb 16位指令集； DSP应用的算术运算指令集；Jazeller允许直接执行Java字节码。
ARM处理器系列提供的解决方案有：无线、消费类电子和图像应用的开放平台；存储、自动化、工业和网络应用的嵌入式实时系统；智能卡和SIM卡的安全应用。
ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。当前有5个产品系列——ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore。
ARM7系列是优化了用于对价位和功耗敏感的消费应用的低功耗的32位核，具有：
1. 嵌入式ICE-RT逻辑；
2. 非常低的功耗；
3. 三段流水线和冯•诺依曼结构，提供0.9MIPS/MHz。
样机系统中的驱动器为奥科公司的M542系列驱动器，使用40VDC系列中的Q2BYG403可以进行代替，5.1.4为它的实物图。


具有特点：可驱动两相四、六、八输出线混合式步进电机；双极恒流斩波方式，斩波频率20KHZ；光电隔离信号输入，输入信号与TLL兼容；静止时自动减流，最大驱动相电流3.5A；电流方便可调，细分精度可任意选择；运行平稳，高加速特性；高速大力矩输出；过压、过流、过温保护；单脉冲/双脉冲控制模式选择。
可以用于封切机、剪板机、切管机、玻璃切割机、切带机、商标印刷机、数控钻铣机、钻孔植毛机、雕刻机、弹簧机、绕线机等需要精确定位的控制系统。
Q2BYG403细分可根据SW1的1、2开关设定，如表5.1—a所示：


设置相应的细分后，根据步进角可以计算出电机的转速，众为兴公司电机的步距角为1.8°，也就是说如果细分设定为A，则电机转速为（360/1.8）*A，就是200A分/转，例如，当细分设计为2时，电机转速即为400分/转。
此步进驱动器采用差分式接线，其接线图如图5.1.5所示。


输入信号波形与时序如图5.1.6所示。


样机中步进电机为奥科公司产品M542系列步进电机，可以用众为兴公司的56mm系列步进电机56BYGHM611A替代，56BYGHM611A是众为兴生产的56MM系列步进电机的一种，技术参数见表5.1—b。


2 技术构成
我们所关注的核心技术主要是系统控制部分的核心技术，此系统的控制部分包括MC4140CUT运动控制器，Q2-BYG403M驱动器。核心技术构成：自动加减速定量驱动技术，直线和圆弧插补技术，多轴驱动技术。图5.2.1是技术构成图。


恒速驱动，即定速驱动，就是以不变的速度输出驱动脉冲。如果设定驱动速度小于初始速度，就没有加/减速驱动，而是定速驱动。当搜寻原点、编码器Z相等信号后如果立即停止的话，不必进行加/减速驱动，而是一开始就运行低速的定速驱动。做到定速驱动，下列参数应预先设定：范围，初始速度，驱动速度。定速驱动的示意图如图5.2.2所示。


直线加/减速驱动是线性地从驱动的初始速度加速到指定速度。定量驱动时，加速的计数器记录加速所累计的脉冲数。当剩余输出脉冲数少于加速脉冲后，就开始自动减速。减速时将用指定的加速度线性地减速至初始速度。
为了直线加/减速驱动，下列参数需预先设定：范围R，以加速度A加速或者减速，减速度D加/减速度个别设定时的减速度，初始速度SV，驱动速度V。其示意图如图5.2.3所示。


MC4140CUT不仅支持对称直线加/减速驱动，<