軟件運動控制

SoftServo的“軟件運動控制”使用軟件替代硬件控制器，起源于美國麻省理工學(xué)院的“下一代開放式數(shù)控系統(tǒng)”項目，并獲得了美國專利（US6826434）。

概述

SoftServo利用軟件實現(xiàn)所有的運動控制功能，不需要任何運動控制卡或者專用芯片，所有運算都在通用計算機的CPU上完成，充分發(fā)揮目前CPU的超高速、超精確（雙精度浮點運算）的運算能力。隨著CPU的速度和性能的提高，軟件運動控制系統(tǒng)的速度和性能也隨之提高。

軟件運動控制的算法運行在硬實時軟件RTX上。RTX底層可將微軟Windows改造成實時操作系統(tǒng)。RTX直接對硬件進行管理，因此不需要DSP等硬件芯片也能保證微秒級的硬實時。這個多任務(wù)/多線程實時軟件架構(gòu)使得對實時性要求苛刻的伺服運動控制程序也可以在單一的CPU上運行。SoftServo軟件運動控制系統(tǒng)中已經(jīng)包含有配置好的RTX實時子系統(tǒng)。

CPU可以同時完成所有實時伺服和其它控制任務(wù)，包括閉環(huán)控制、加減速、多軸聯(lián)動、PLC、G代碼執(zhí)行、NC路徑生成，并提供圖形化用戶界面、程序的編譯/加載、文件管理、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通信。多軸高速伺服環(huán)路在單個CPU內(nèi)部進行閉環(huán)，可獲得高速高精度的運動控制。因此，客戶不用受制于硬件系統(tǒng)對軸數(shù)的限制，不用付出昂貴的硬件擴展成本，只用更改軟件，就可以實現(xiàn)多達64軸的實時運動控制。

軟件架構(gòu)

在單個通用CPU的硬件上，系統(tǒng)軟件架構(gòu)由三層構(gòu)成。

1．下層為運動控制的實時層，通過實時子系統(tǒng)的擴展，使得通用的操作系統(tǒng)有了硬實時的能力。實時層直接同CPU通訊，被CPU賦予最高級別的獨占的中斷優(yōu)先級。這一層由3個實時模塊組成：運動控制內(nèi)核、PLC內(nèi)核、解釋器內(nèi)核。運動控制內(nèi)核是實時層的核心，它負責(zé)對所有的任務(wù)進行調(diào)度，對其它內(nèi)核提供接口，負責(zé)完成與上層的用戶數(shù)據(jù)和命令交換、與解釋器內(nèi)核完成運動數(shù)據(jù)的緩存處理和執(zhí)行、與PLC內(nèi)核完成PLC 輸入輸出數(shù)據(jù)的交換、與總線主站完成總線通訊的建立和中止以及伺服和輸入輸出數(shù)據(jù)的交換。

2．中間層為實時動態(tài)鏈接庫層，它為實時層和通用操作系統(tǒng)下的用戶應(yīng)用提供接口，將用戶數(shù)據(jù)和指令傳輸?shù)綄崟r層進行處理，并將結(jié)果反饋給用戶應(yīng)用層。這些數(shù)據(jù)、反饋和指令包括設(shè)備控制、系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置、數(shù)控系統(tǒng)控制指令、手動操作指令、自動操作指令、測試和采樣數(shù)據(jù)、輸入輸出指令、PLC指令、數(shù)控和伺服狀態(tài)監(jiān)測等。

3．上層為操作系統(tǒng)層。用戶數(shù)據(jù)和應(yīng)用在操作系統(tǒng)層運行，通過高級語言對運動控制和邏輯函數(shù)庫和第三方函數(shù)庫的調(diào)用，用戶可以開發(fā)出各種控制系統(tǒng)應(yīng)用。

操作系統(tǒng)

SoftServo的運動控制軟件（包含實時內(nèi)核）可以運行在微軟公司的Windows XP和Windows 7上（32位/64位）。無論是操作還是開發(fā)，Windows系統(tǒng)都給于了開發(fā)者和用戶最短的適應(yīng)和開發(fā)周期，提供了最友好的操作界面和最大的擴展性。

實時子系統(tǒng)

眾所周知，Windows是非實時的操作系統(tǒng)，無法直接用來進行嚴(yán)苛的運動控制。通過RTX，可以將 Windows 轉(zhuǎn)變成實時操作系統(tǒng) (RTOS)。

通過在操作系統(tǒng)上添加實時的，先占式的多任務(wù)機制，RTX使得Windows可以實現(xiàn)實時的開發(fā)和處理高性能、硬實時特性的關(guān)鍵任務(wù)。計時精度可達1微秒。中斷延遲（IST latencies）小于10微秒。因此，同一臺電腦上，操作系統(tǒng)可以同時進行實時和非實時的任務(wù)處理，并且Windows進程無法干涉實時進程的運行。

運動控制內(nèi)核

運動控制內(nèi)核是整個軟件架構(gòu)的基礎(chǔ)與核心。位置環(huán)和速度反饋環(huán)可以在運動控制內(nèi)核中進行閉環(huán)控制（根據(jù)控制模式和伺服控制周期的不同）。

●運動控制內(nèi)核完成實時運動控制閉環(huán)算法、路徑規(guī)劃、插補、加減速曲線、補償、平滑等功能。

●運動控制內(nèi)核從高層的用戶應(yīng)用中接收指令，并通過總線將命令傳送給伺服和IO設(shè)備。

●此內(nèi)核適用于數(shù)控系統(tǒng)S140M、通用運動控制系統(tǒng)WMX2和機器人控制系統(tǒng)RMX。

軟PLC內(nèi)核

軟PLC內(nèi)核與運動控制內(nèi)核無縫集成，協(xié)作執(zhí)行PLC順序程序。

●與Fanuc PLC指令和梯形圖邏輯兼容。

●提供確定性的，實時的性能保證，掃描周期1-5ms。

●可檢測運動狀態(tài)和發(fā)送運動指令（PLC軸功能）。

●此內(nèi)核適用于數(shù)控系統(tǒng)S140M。

運動解釋器內(nèi)核

●每秒1000程序段高速處理。

●包含運動指令的環(huán)狀高速緩存。

●支持可選擇程序段跳躍、單步執(zhí)行、選擇停止（適用于數(shù)控系統(tǒng)S140M）。

●支持子程序和宏程序調(diào)用（適用于數(shù)控系統(tǒng)S140M）。

●支持機械坐標(biāo)、工件坐標(biāo)、相對坐標(biāo)（適用于數(shù)控系統(tǒng)S140M）。

●支持機器人語言（機器人控制系統(tǒng)RMX）。

優(yōu)勢

1．創(chuàng)新性和經(jīng)濟性

●無需昂貴的專用處理芯片，軟件運動控制可以輕松實現(xiàn)復(fù)雜的各種算法與通訊。

●無需任何運動控制板卡，軟件運動控制可在內(nèi)核中進行多軸的高性能的閉環(huán)算法。

●最小化的通用硬件可以帶來顯而易見的經(jīng)濟性，以及簡易的接口和線纜，大大減少故障率。

●安裝和集成十分的簡便快捷，加速產(chǎn)品上市時間。

2．強大的性能

●充分發(fā)揮目前通用CPU的超高速、超精確（雙精度浮點運算）的運算能力。

●隨著CPU的速度和性能的提高，軟件運動控制運算速度和性能也隨之提高。（摩爾定律：電腦CPU運算能力每18個月提升一倍。）

●運動控制內(nèi)核完成實時運動控制閉環(huán)算法、前饋、路徑規(guī)劃、插補、加減速曲線、補償、平滑等功能。

●運動控制內(nèi)核和軟PLC內(nèi)核無縫集成，協(xié)作控制。

●支持多種運動控制模式和眾多可選功能。

3．定制化和可擴展

●提供開放式的平臺和開發(fā)環(huán)境，用戶可以實現(xiàn)獨特的產(chǎn)品理念，用自身的技術(shù)經(jīng)驗構(gòu)建最好的運動控制產(chǎn)品。

●用戶可輕松集成第三方的應(yīng)用到統(tǒng)一的運動控制平臺上，如視覺系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等。

4．簡單快速的系統(tǒng)集成

●因為最小化的硬件，布線和連接十分簡易。

●提供設(shè)置和測試軟件。

●完善的技術(shù)文檔和國際性的技術(shù)支持。

●提供各種應(yīng)用的示例程序。

5．靈活的硬件組合

●靈活配置軸數(shù)目和IO點數(shù)。

●靈活選用各種EtherCAT總線伺服和IO模塊。

●可選用各種通用脈沖型伺服、步進伺服。

●可選用EtherCAT總線主軸驅(qū)動器或模擬量變頻器。

●可控制各種直線電機和DD馬達。

●可選用各種通用的顯示器、鍵盤鼠標(biāo)或PC用觸摸屏，也可選用CNC專用操作面板和顯示器、鍵盤。