基于软件的运动提供性能，灵活性

在今天的制造中，每个人都希望更多的吞吐量，更多的速度，更大的灵活性和更具性能。对于可以使用花园优化的可编程逻辑控制器（PLC）或运动控制器有效服务的每个应用程序，还存在其他需要从这些解决方案提供的功能。这导致了对基于软件的运动的贡献。曾经考虑过仅最专业的应用程序的答案，基于软件的运动迅速成为许多高性能应用的转移解决方案。

多年来，PLC占据了控制空间。PLCS Excel在托盘，时序，管理I / O和其他一般机器控制任务等任务中。最初，他们可以处理几轴的运动，但没有太复杂或高度同步。更苛刻的应用需要添加专用运动控制器。在过去的几年中，线路一直模糊，专门的PLC现在可以管理高度同步的运动，而某些运动控制器可以处理数十个I / O点，无需单独的机器控制器。

专用运动控制器和运动可编程控制器是专门设计的，在特定任务上非常高效。然而，正是这些特性限制了它们的灵活性。定制并非不可能，但它可能既具有挑战性又耗时。这些设备的带宽也有限，而且由于它们经常使用特定应用的集成电路(asic)或数字信号处理器(dsp)，它们的产品升级周期往往较慢。基于软件的运动控制提供了另一种选择。利用处理器在一般计算市场的进步，基于软件的运动提供了高度的性能、定制和灵活性。

“基于软件的运动控制比传统的解决方案更经济，性能也更高，”美国ACS运动控制公司(Bloomington, Minnesota)总经理Jason Goerges说。“个人电脑采用了英特尔设计和生产的处理器，它比任何由运动控制公司设计的处理器都更强大、更高效。”

在基于软件的运动中，程序决定功能。一般来说，基于软件的运动使用一些版本的运动脚本语言编写的运动算法，通常是C/ c++或Visual Basic。这使得该技术能够在任何数字计算平台上运行。控制命令是通过软件而不是硬件创建和发送的。因此，该方法可用于解决复杂的运动问题，将耗时和挑战性的执行传统手段。

考虑一个需要基于输入变量更新其轨迹的系统。I/O需要高速过滤，然后根据结果，控制器将做出决定，并相应地更新运动轮廓中的下一个点。”这种类型的项目之前是非常困难的,因为你将不得不做的逻辑PLC,做出决定并发送一个触发器,确保你没有太多的延迟控制回路和PLC之间的通信方法和运动系统,“内特·霍姆斯说,研发组经理运动控制在国家仪器(奥斯丁,德州)。当运动控制器的标准功能集不能处理输入信号的时间或类型时，问题就出现了。他补充说:“你必须使用专门的技术和技巧，才能使PLC和运动控制器方面的各种组件同步并正确工作。”“有了柔和的动作，就容易多了，因为所有这些任务都是可定制的，并且运行在控制器上的相同应用软件中。”

智能驱动器和连通性
一些发展为基于软件的运动控制创造了条件。第一个是数字总线接口的出现。数字网络用单一的数字现场总线取代了点对点的模拟线路，使大量组件能够高速通信。常见的协议包括EtherCAT、Ethernet/IP和ProfiNET。

负责朝向基于软件的运动的第二个因素是智能驱动器的出现。在传统系统中，运动控制器将模拟信号发送到驱动器，该驱动器负责关闭扭矩环路。监控和速度控制回路由运动控制器关闭。该架构需要每个轴的布线连接电机以驱动到控制器。特别是对于大型机器和高轴计数，这种电缆广告基本上成本，复杂性和故障点。智能驱动器提供解决方案。

智能驱动器集成微处理器和板载内存，以显著提高能力。其结果是驱动可以关闭扭矩、位置和速度循环，并提供安全功能。此外，一些智能驱动器现在提供一组可配置的数字I/O来与系统中的其他设备通信。

智能驱动器和连接为分布式控制架构开辟了道路。智能驱动器可以挂在靠近电机的机器上，而不是驻留在控制器旁边的控制柜中，在主从架构中连接在一起，以便进行更复杂的多轴运动。驱动器和电机之间的点对点布线现在可以用一根以太网电缆代替。这在电源和I/O电缆的情况下尤其有意义，因为它们可能非常昂贵。虽然智能驱动器比传统驱动器更昂贵，但价格的上涨是适度的，并被布线成本的减少所抵消。

Interval Zero(沃尔瑟姆，马萨诸塞州)的现场工程总监Jerry Leitz认为，还有一个因素为基于软件的运动铺平了道路:处理器速度。他说:“我认为现在的情况是，个人电脑的速度越来越快。”突然之间，两个分数相乘的速度和两个整数相乘的速度一样快，甚至更快。这改变了游戏规则。突然之间，你的软件就能完成这项工作了。”

柔软运动的许多面
为了满足不同的需求，已经发展了各种不同的实现。可能最简单的版本是运行软运动算法的PLC。这似乎与基于pc的控制方式的发展不相适应，但plc本质上就是坚固的数字计算机，其中很多都是基于x86处理器。它们就像普通电脑一样能够运行软运动算法;它们只是速度和计算能力有限。在这些领域，个人电脑提供了更大的可扩展性。

尽管基于个人电脑的运动是一个常用术语，但包括福尔摩斯在内的一些行业专家并不喜欢它，因为它会让人联想到个人电脑和Windows机器。事实上，Windows对于软动作应用程序来说是一个糟糕的操作系统选择。基于软件的运动需要一个能够提供可靠、确定性性能的平台。这就需要实时操作系统(RTOS)。硬件也必须是健壮和高性能的。尽管商用pc的价格可能很有吸引力，但成功的工业控制需要坚固的机器装备，以适应恶劣的环境。

霍姆斯说:“你不可能拿起一台Windows PC，编写一个应用程序，部署它，然后就期望拥有一个能够可靠地执行标准自动化任务或协调运动的系统。”“这些任务需要监控和驱动通信等组件，这些组件必须在某个地方确定性地运行。”

对于基于软件的运动，一个常见的解决方案是从多核处理器开始，将Windows从一个核心上去除，并安装一个实时操作系统。该核心处理运动，而运行Windows的核心可以管理任务，如运行HMI(见图1)。两者可以通过TCP/IP和共享内存进行通信。如果Windows内核崩溃，它不会影响运动控制操作。

这种类型的软控制器可与传统的PLC一起使用，以进行机器控制。或者，可以使用第二计算机或不同的核心来实现软PLC。现在，所有控制方面都以软件执行。

基于软件的运动实现使用PC而变化。除了上述类型之外，X86主板可以安装在独立产品中，并配置为运行软运动算法。外壳和外形因素不同，但性能是相同的。相反，PC可以使用各种类型的加速器（如DSP或图形处理器单元（GPU））执行基于软件的运动，但这使我们回到硬件和固定功能区域。最后，对于最苛刻的应用程序，现场可编程门阵列（FPGA）提供软件可编程嵌入式计算解决方案（参见图2）。

通过基于PC的系统，良好的安全策略至关重要。随着可见工厂的兴起，设备需要连接到互联网。这是任何联网组件的风险，但PC唯一容易受到恶意软件的群体。RTOS的核心可能是安全的，但是基于Windows的核心呢？如果两者沟通，他们经常这样做，需要建立规定以获得安全通信。

基于软件的Motion in Action
基于软件的动作可以在许多应用程序中完成作业，但实际上在具有复杂的要求，宽度公差和高度同步运动的应用中闪耀。例如，它们是用于测试半导体制造的精密XYZ阶段的良好拟合。

该技术可用于大型物理系统的精密测试，如飞机零部件的应变测试。这种应用需要定位非常大的零件和施加精确的力，同时收集数据。美国国家仪器公司(National Instruments)运动产品经理克里斯·约翰逊(Chris Johnson)表示:“我们能够紧密同步这些信息，我们拥有许多PLC制造商没有的先进模拟能力，以便进行高精度、高精度的模拟测量。”

软件定义的运动适合具有非常高的轴数的系统。专用用于设定的轴的运动控制器可以只能存储该访问计数的配置数据，或者可能没有足够的内存和处理电源来支持超过指定的数字。基于软件的运动解决方案组合智能驱动器，工业以太网和软运动算法可以扩展到高轴计数，成本增加。

这种类型的架构支持复杂的控制方案。雷茨描述了一条电子装配线，它有一条传送带，途经20个工位，每个工位都需要在特定的时间间隔内添加零件。基本上，20个轴需要与一个主轴同步。Leitz说:“在硬件上唯一能做到这一点的方法是将所谓的主控编码器硬连接到任何一个追随者所在的主板上。”“这是一场噩梦。”与用EtherCAT实现的基于软件的运动系统进行了对比。数据通过全双工总线顺序地传递到所有21个轴，周期为500µs或更少。“现在，软件知道所有21个伺服系统的确切位置。所以如果轴5需要知道轴17的位置因为某种啮合的原因，他问了，就得到了答案。轴心国5号可以做决定。 That is a huge factor.”

通过建立一个所谓的幻轴，可以同步大量的轴。幻轴是一个以恒定速度运行的虚拟轴。系统中的所有其他轴都与幻象轴电子联动。“你所要做的就是告诉幻影启动和停止，你的整个机器就会以这种伟大的同步运动运行，”Leitz说。如果使用基于dsp的控制器，你就不会这样做了，因为你会浪费整个轴。但在软件领域，它是免费的。”

对于最后的例子，我们转向行业的发展趋势：在单个控制器上巩固多台机器或模块。考虑一块生产成品电路板的半导体设备。它们通过接受杂志的垂直堆叠器通过单独的输送机。利用传统技术，每台机器或模块都有其各个控件需要集成以同步运动。基于软件的运动控制可以做得不仅仅是简单地同步两台机器的操作。控制器本身可以折叠在一起。

主要机器将有一台运行软运动算法的PC机，并通过一根以太网电缆与智能驱动器通信。只要堆垛机配备智能驱动器，与主机集成，简单快捷，通过以太网电缆将两件设备连接起来，并将单独的软动作程序载入主机计算机运行堆垛机。“就是这样。在某种程度上，它们是两台机器，只是因为有两个软件，但这个软件位于同一台计算机上，而且两个程序都与同一软动作库通信，”Leitz说。“如果你可以用另一台机器，简单地安装电机和放大器，而不使用PC、DSP和显示器，你可以节省一大笔钱。”

对你有权吗？
在工程学中，总是没有完美的解决方案。如果所需的控制回路速率比用于驱动器和控制器之间通信的确定性数字总线上的可实现通信回路速率快，那么基于软件的运动控制就不是一个很好的选择。在这种情况下，应用程序将需要自定义解决方案。另一方面，一个非常常见的应用程序可能已经有了一个低成本的标准解决方案。例如，为机器人和数控机床量身定制的应用专用控制器旨在简化设备的编程和使用。这并不是说基于软件的软动作不能用于完成同样的事情，但它不是一个有效的或成本效益的解决方案;除非应用程序需要标准机器人或CNC控制器无法提供的功能。在后一种情况下，基于软件的运动可能非常适合。

霍姆斯说:“如果它不适合，或者他们需要以供应商不支持的方式进行扩展，软动作就会变得非常有吸引力，因为你可以定制和扩展，而不必从头开始。”“软动作给了你这种中间起点。机器的许多基础设施和架构、控制循环和接口都为您处理好了，但它使应用程序方面完全开放。你可以在沙盒中定义自己的功能，同时仍然利用现有的架构。”

就技术的未来而言，本文采访的每个人都预测该领域将继续增长。“商业需求变得如此势不可当，以至于组织需要做出一些改变，而实现这一点的最佳或唯一方法就是通过软件定义的动作和软件定义的工具，”霍姆斯补充道。“我们看到很多使用软动作的人都在尝试创新一个过程或创新一个应用。他们要么不能购买现成的解决方案，要么试图通过打包自己的现成应用解决方案来提供价值，然后卖给其他人。”

“我认为基于软件的运动控制将继续从硬件中夺取市场份额，”Goerges说。“任何考虑运动控制项目的公司都应该至少评估基于软件的运动控制的可行性，因为在很多情况下，它能以较低的价格提供更高的性能。”