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/多線程實時軟件架構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，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)絡通信。多軸高速伺服環(huán)路在單個CPU內部進行閉環(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

在單個通用CPU的硬件上，系統(tǒng)軟件架構由三層構成。

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：運動控制內核、PLC內核、解釋器內核。運動控制內核是實時層的核心，它負責對所有的任務進行調度，對其它內核提供接口，負責完成與上層的用戶數(shù)據(jù)和命令交換、與解釋器內核完成運動數(shù)據(jù)的緩存處理和執(zhí)行、與PLC內核完成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，并將結果反饋給用戶應用層。這些數(shù)據(jù)、反饋和指令包括設備控制、系統(tǒng)初始化、參數(shù)設置、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)庫的調用，用戶可以開發(fā)出各種控制系統(tǒng)應用。

操作系統(tǒng)

SoftServo的運動控制軟件（包含實時內核）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苛的運動控制。通過RTX，可以將 Windows 轉變成實時操作系統(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、硬實時特性的關鍵任務。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處理，并且Windows進程無法干涉實時進程的運行。

運動控制內核

運動控制內核是整個軟件架構的基礎與核心。位置環(huán)和速度反饋環(huán)可以在運動控制內核中進行閉環(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。

●運動控制內核從高層的用戶應用中接收指令，并通過總線將命令傳送給伺服和IO設備。

●此內核適用于數(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內核

軟PLC內核與運動控制內核無縫集成，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）。

●此內核適用于數(shù)控系統(tǒng)S140M。

運動解釋器內核

●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用（適用于數(shù)控系統(tǒng)S140M）。

●支持機械坐標、工件坐標、相對坐標（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。

●運動控制內核和軟PLC內核無縫集成，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，用自身的技術經(jīng)驗構建最好的運動控制產(chǎn)品。

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

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。

●提供設置和測試軟件。

●完善的技術文檔和國際性的技術支持。

●提供各種應用的示例程序。

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、鍵盤鼠標或PC用觸摸屏，也可選用CNC專用操作面板和顯示器、鍵盤。