軟件運(yùn)動(dòng)控制

SoftServo的“軟件運(yùn)動(dòng)控制”使用軟件替代硬件控制器，起源于美國(guó)麻省理工學(xué)院的“下一代開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)”項(xiàng)目，并獲得了美國(guó)專利（US6826434）。

概述

SoftServo利用軟件實(shí)現(xiàn)所有的運(yùn)動(dòng)控制功能，不需要任何運(yùn)動(dòng)控制卡或者專用芯片，所有運(yùn)算都在通用計(jì)算機(jī)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(diǎn)運(yùn)算）的運(yùn)算能力。隨著CPU的速度和性能的提高，軟件運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的速度和性能也隨之提高。

軟件運(yùn)動(dòng)控制的算法運(yùn)行在硬實(shí)時(shí)軟件RTX上。RTX底層可將微軟Windows改造成實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。RTX直接對(duì)硬件進(jìn)行管理，因此不需要DSP等硬件芯片也能保證微秒級(jí)的硬實(shí)時(shí)。這個(gè)多任務(wù)/多線程實(shí)時(shí)軟件架構(gòu)使得對(duì)實(shí)時(shí)性要求苛刻的伺服運(yùn)動(dòng)控制程序也可以在單一的CPU上運(yùn)行。SoftServo軟件運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中已經(jīng)包含有配置好的RTX實(shí)時(shí)子系統(tǒng)。

CPU可以同時(shí)完成所有實(shí)時(shí)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(dòng)、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(gè)CPU內(nèi)部進(jìn)行閉環(huán)，可獲得高速高精度的運(yùn)動(dòng)控制。因此，客戶不用受制于硬件系統(tǒng)對(duì)軸數(shù)的限制，不用付出昂貴的硬件擴(kuò)展成本，只用更改軟件，就可以實(shí)現(xiàn)多達(dá)64軸的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制。

軟件架構(gòu)

在單個(gè)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(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)層，通過(guò)實(shí)時(shí)子系統(tǒng)的擴(kuò)展，使得通用的操作系統(tǒng)有了硬實(shí)時(shí)的能力。實(shí)時(shí)層直接同CPU通訊，被CPU賦予最高級(jí)別的獨(dú)占的中斷優(yōu)先級(jí)。這一層由3個(gè)實(shí)時(shí)模塊組成：運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核、PLC內(nèi)核、解釋器內(nèi)核。運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核是實(shí)時(shí)層的核心，它負(fù)責(zé)對(duì)所有的任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，對(duì)其它內(nèi)核提供接口，負(fù)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(yùn)動(dòng)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)層，它為實(shí)時(shí)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?shí)時(shí)層進(jìn)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(dòng)操作指令、自動(dòng)操作指令、測(cè)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(cè)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(yùn)行，通過(guò)高級(jí)語(yǔ)言對(duì)運(yùn)動(dòng)控制和邏輯函數(shù)庫(kù)和第三方函數(shù)庫(kù)的調(diào)用，用戶可以開(kāi)發(fā)出各種控制系統(tǒng)應(yīng)用。

操作系統(tǒng)

SoftServo的運(yùn)動(dòng)控制軟件（包含實(shí)時(shí)內(nèi)核）可以運(yùn)行在微軟公司的Windows XP和Windows 7上（32位/64位）。無(wú)論是操作還是開(kāi)發(fā)，Windows系統(tǒng)都給于了開(kāi)發(fā)者和用戶最短的適應(yīng)和開(kāi)發(fā)周期，提供了最友好的操作界面和最大的擴(kuò)展性。

實(shí)時(shí)子系統(tǒng)

眾所周知，Windows是非實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)，無(wú)法直接用來(lái)進(jìn)行嚴(yán)苛的運(yùn)動(dòng)控制。通過(guò)RTX，可以將 Windows 轉(zhuǎn)變成實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS)。

通過(guò)在操作系統(tǒng)上添加實(shí)時(shí)的，先占式的多任務(wù)機(jī)制，RTX使得Windows可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的開(kāi)發(fā)和處理高性能、硬實(shí)時(shí)特性的關(guān)鍵任務(wù)。計(jì)時(shí)精度可達(dá)1微秒。中斷延遲（IST latencies）小于10微秒。因此，同一臺(tái)電腦上，操作系統(tǒng)可以同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)的任務(wù)處理，并且Windows進(jìn)程無(wú)法干涉實(shí)時(shí)進(jìn)程的運(yùn)行。

運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核

運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核是整個(gè)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(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核中進(jìn)行閉環(huán)控制（根據(jù)控制模式和伺服控制周期的不同）。

●運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核完成實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制閉環(huán)算法、路徑規(guī)劃、插補(bǔ)、加減速曲線、補(bǔ)償、平滑等功能。

●運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核從高層的用戶應(yīng)用中接收指令，并通過(guò)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)WMX2和機(jī)器人控制系統(tǒng)RMX。

軟PLC內(nèi)核

軟PLC內(nèi)核與運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核無(wú)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(shí)時(shí)的性能保證，掃描周期1-5ms。

●可檢測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令（PLC軸功能）。

●此內(nèi)核適用于數(shù)控系統(tǒng)S140M。

運(yùn)動(dòng)解釋器內(nèi)核

●每秒1000程序段高速處理。

●包含運(yùn)動(dòng)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(jī)械坐標(biāo)、工件坐標(biāo)、相對(duì)坐標(biāo)（適用于數(shù)控系統(tǒng)S140M）。

●支持機(jī)器人語(yǔ)言（機(jī)器人控制系統(tǒng)RMX）。

優(yōu)勢(shì)

1．創(chuàng)新性和經(jīng)濟(jì)性

●無(wú)需昂貴的專用處理芯片，軟件運(yùn)動(dòng)控制可以輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的各種算法與通訊。

●無(wú)需任何運(yùn)動(dòng)控制板卡，軟件運(yùn)動(dòng)控制可在內(nèi)核中進(jìn)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(lái)顯而易見(jiàn)的經(jīng)濟(jì)性，以及簡(jiǎn)易的接口和線纜，大大減少故障率。

●安裝和集成十分的簡(jiǎn)便快捷，加速產(chǎn)品上市時(shí)間。

2．強(qiáng)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(diǎn)運(yùn)算）的運(yùn)算能力。

●隨著CPU的速度和性能的提高，軟件運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)算速度和性能也隨之提高。（摩爾定律：電腦CPU運(yùn)算能力每18個(gè)月提升一倍。）

●運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核完成實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制閉環(huán)算法、前饋、路徑規(guī)劃、插補(bǔ)、加減速曲線、補(bǔ)償、平滑等功能。

●運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核和軟PLC內(nèi)核無(wú)縫集成，協(xié)作控制。

●支持多種運(yùn)動(dòng)控制模式和眾多可選功能。

3．定制化和可擴(kuò)展

●提供開(kāi)放式的平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，用戶可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的產(chǎn)品理念，用自身的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建最好的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)上，如視覺(jué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等。

4．簡(jiǎn)單快速的系統(tǒng)集成

●因?yàn)樽钚』挠布?，布線和連接十分簡(jiǎn)易。

●提供設(shè)置和測(cè)試軟件。

●完善的技術(shù)文檔和國(guó)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(diǎn)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(jìn)伺服。

●可選用EtherCAT總線主軸驅(qū)動(dòng)器或模擬量變頻器。

●可控制各種直線電機(jī)和DD馬達(dá)。

●可選用各種通用的顯示器、鍵盤(pán)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(pán)。