強(qiáng)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核MotionRT750

MotionRT750是正運(yùn)動(dòng)技術(shù)首家自主自研的x86架構(gòu)Windows系統(tǒng)或Linux系統(tǒng)下獨(dú)占確定CPU的強(qiáng)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核。

該方案采用獨(dú)占確定CPU內(nèi)核技術(shù)實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)性能的強(qiáng)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制。它將核心的運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人算法、數(shù)控（CNC）及機(jī)器視覺等強(qiáng)實(shí)時(shí)的任務(wù)，集中運(yùn)行在1-2個(gè)專用CPU核上。與此同時(shí)，其余CPU核則專注于處理Windows/Linux相關(guān)的非實(shí)時(shí)任務(wù)。

此外集成MotionRT750 Runtime實(shí)時(shí)層與操作系統(tǒng)非實(shí)時(shí)層，并利用高速共享內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，顯著提升了運(yùn)動(dòng)控制與上層應(yīng)用間的通信效率及函數(shù)執(zhí)行速度，最終實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、更高效的智能裝備控制，確保了運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)的絕對(duì)實(shí)時(shí)性與系統(tǒng)穩(wěn)定性，特別適用于半導(dǎo)體、電子裝備等高速高精的應(yīng)用場(chǎng)合。

MotionRT750應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：

1.跨平臺(tái)兼容性：支持Windows/Linux系統(tǒng)，適配不同等級(jí)CPU。

2.開發(fā)靈活性：提供多語(yǔ)言編程接口，便于二次開發(fā)與功能定制。

3.實(shí)時(shí)性提升：通過(guò)CPU內(nèi)核獨(dú)占機(jī)制與高效LOCAL接口，實(shí)現(xiàn)2-3μs指令交互周期，較傳統(tǒng)PCI/PCIe方案提速近20倍。

4.擴(kuò)展能力強(qiáng)化：多卡多EtherCAT通道架構(gòu)支持254軸運(yùn)動(dòng)控制及500μsEtherCAT周期。

5.系統(tǒng)穩(wěn)定性：32軸125μsEtherCAT冗余架構(gòu)消除單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)，保障連續(xù)生產(chǎn)。

6.安全可靠性：不懼Windows系統(tǒng)崩潰影響，藍(lán)屏?xí)r仍可維持急停與安全停機(jī)功能有效，確保產(chǎn)線安全運(yùn)行。

7.功能擴(kuò)展性：實(shí)時(shí)內(nèi)核支持C語(yǔ)言程序開發(fā)，方便功能拓展與實(shí)時(shí)代碼提升效率。

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超實(shí)時(shí)EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制卡XPCIE6032H

XPCIE6032H運(yùn)動(dòng)控制卡集成6路獨(dú)立EtherCAT主站接口。整卡最高可支持254軸運(yùn)動(dòng)控制；125usEtherCAT通訊周期時(shí)，兩個(gè)端口配置冗余最高可支持32軸運(yùn)動(dòng)控制。6個(gè)EtherCAT主站各通道獨(dú)立工作，多EtherCAT主站互不影響。

此外，對(duì)于EtherCAT接口數(shù)量需求不高的客戶，我們也有衍生型號(hào)XPCIE2032H可選。同系列產(chǎn)品XPCIE2032H集成2路獨(dú)立EtherCAT接口。整卡最高可支持至254軸運(yùn)動(dòng)控制；125usEtherCAT通訊周期時(shí)，單接口最高可支持32軸運(yùn)動(dòng)控制。2個(gè)EtherCAT主站各通道獨(dú)立工作，多EtherCAT主站互不影響。

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XPCIE6032H運(yùn)動(dòng)控制卡面向半導(dǎo)體設(shè)備、精密3C電子、生物醫(yī)療儀器、新能源裝備、人形機(jī)器人及激光加工等高速高精場(chǎng)景，為固晶機(jī)、貼片機(jī)、分選機(jī)、鋰電切疊一體機(jī)、高速異形插件設(shè)備等自動(dòng)化裝備提供核心運(yùn)動(dòng)控制支持。

XPCIE6032H硬件特性：

1.EtherCAT通訊周期可到125us（需要主機(jī)性能與實(shí)時(shí)性足夠)。

2.板卡集成6路獨(dú)立的EtherCAT主站接口，最多可支持254軸運(yùn)動(dòng)控制。

3.搭載運(yùn)動(dòng)控制實(shí)時(shí)內(nèi)核MotionRT750。

4.相較于傳統(tǒng)的PCI/PCIe、網(wǎng)口等通訊方式，速度可提升了10-100倍以上。

5.板載16路高速輸入，16路高速輸出。

6.板載4路高速鎖存、4路硬件位置比較輸出、4路通用PWM輸出。

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PCIe EtherCAT實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制卡XPCIE1032H

XPCIE1032H是一款基于PCI Express的EtherCAT總線運(yùn)動(dòng)控制卡，可選6-64軸運(yùn)動(dòng)控制，支持多路高速數(shù)字輸入輸出，可輕松實(shí)現(xiàn)多軸同步控制和高速數(shù)據(jù)傳輸。

XPCIE1032H運(yùn)動(dòng)控制卡集成了強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制功能，結(jié)合MotionRT7運(yùn)動(dòng)控制實(shí)時(shí)軟核，解決了高速高精應(yīng)用中，PC Windows開發(fā)的非實(shí)時(shí)痛點(diǎn)，指令交互速度比傳統(tǒng)的PCI/PCIe快10倍。

XPCIE1032H硬件特性：

1.6-64軸EtherCAT總線+脈沖可選，其中4路單端500KHz脈沖輸出。

2.16軸EtherCAT同步周期500us，支持多卡聯(lián)動(dòng)。

3.板載16點(diǎn)通用輸入，16點(diǎn)通用輸出，其中8路高速輸入和16路高速輸出。

4.通過(guò)EtherCAT總線，可擴(kuò)展到512個(gè)隔離輸入或輸出口。

5.支持PWM輸出、精準(zhǔn)輸出、PSO硬件位置比較輸出、視覺飛拍等。

6.支持直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、連續(xù)軌跡加工（速度前瞻）。

7.支持電子凸輪、電子齒輪、位置鎖存、同步跟隨、虛擬軸、螺距補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/p>

8.支持30+機(jī)械手模型正逆解模型算法，比如SCARA、Delta、UVW、4軸/5軸 RTCP...

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冗余的概念

什么是總線冗余功能？我們都知道，EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線具有靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)備間支持線型、星型、樹型的連接方式，其中線型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳輸效率高，大多數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中也是使用這種連接方式，如下圖所示。

線型的連接方式確實(shí)簡(jiǎn)單，走線靈活，便于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布局與維護(hù)。在自動(dòng)化的工業(yè)生產(chǎn)中，設(shè)備通常在不同的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，線纜的老化、安裝連接不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)纫蛩貙?dǎo)致線纜斷連。

假如有一天第一個(gè)伺服和第二個(gè)伺服之間的線纜斷了，那么第1個(gè)伺服后面的設(shè)備是不是將無(wú)法正常運(yùn)行呢？

不管是哪種接線方式，線纜斷線將會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，哪怕是傳統(tǒng)的CAN、RS485等通信的設(shè)備控制也都無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

問(wèn)題還得要解決，那有沒有標(biāo)準(zhǔn)的、又不需要添加太多額外的設(shè)計(jì)成本，就能解決上述的問(wèn)題呢？一起來(lái)看EtherCAT總線給出的解決方案，以及EtherCAT冗余技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理。我們先看它的連接方式，如下圖所示。

從EtherCAT的線纜冗余接線圖中可以看出，復(fù)用了最后一個(gè)從站設(shè)備的OUT端接回主站，是不是有點(diǎn)巧妙呢？減少了硬件成本，還能解決問(wèn)題，確實(shí)受大家喜歡。再來(lái)細(xì)看它的數(shù)據(jù)流向，假設(shè)還是第一個(gè)伺服和第二個(gè)伺服之間斷開了，它的工作原理如下圖所示。

伺服1和伺服2的線纜斷開后仍與從站設(shè)備連接著，但通信線路變成兩條支線，設(shè)備仍然可以正常通信，設(shè)備依然還能夠繼續(xù)控制運(yùn)行。上述就是EtherCAT冗余的解決方案，將線型結(jié)構(gòu)變成了環(huán)形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了鏈路冗余功能。

冗余功能的優(yōu)勢(shì)

01 冗余功能標(biāo)準(zhǔn)化

雙網(wǎng)口的EtherCAT主站與線纜冗余，使用了最后一個(gè)從站設(shè)備的OUT端口，使得EtherCAT冗余功能標(biāo)準(zhǔn)化。

02 增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性

工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)中通常要求總線上的設(shè)備不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，不允許停止生產(chǎn)，冗余技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

03 故障診斷與處理

當(dāng)出現(xiàn)線纜斷線時(shí)，變成兩條之鏈路控制繼續(xù)工作，同時(shí)EtherCAT可以自動(dòng)檢測(cè)到總線系統(tǒng)中的故障點(diǎn)，可大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的維護(hù)工作，提高了設(shè)備的維護(hù)性。

總線冗余的軟硬件配置

（1）安裝MotionRT750強(qiáng)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核的工控機(jī)一臺(tái)。

（2）XPCIE6032H運(yùn)動(dòng)控制卡，該卡自帶槽位0到槽位5總共6個(gè)EtherCAT總線主站接口。也可以采用XPCIE2032H運(yùn)動(dòng)控制卡，該卡自帶槽位0到槽位1總共2個(gè)EtherCAT總線主站接口。

（3）8個(gè)總線伺服驅(qū)動(dòng)器和1個(gè)ZMIO310的EtherCAT總線擴(kuò)展模塊。

Qt開發(fā)MotionRT750強(qiáng)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核

Qt項(xiàng)目的創(chuàng)建

1.打開Qt Creator參考如下步驟創(chuàng)建新的Qt項(xiàng)目。

2.把廠商提供的zmotion.dll、zmotion.lib、zmotion.h、zmcaux.cpp、zmcaux.h庫(kù)文件拷貝到新建的QT項(xiàng)目下（Linux系統(tǒng)的使用libzmotion.so的動(dòng)態(tài)庫(kù)）。

3.如果想實(shí)現(xiàn)純上位機(jī)的總線初始化，可以找廠商提供一下以下2個(gè)文件，進(jìn)行總線初始化。

4.添加外部庫(kù)【選擇項(xiàng)目后右鍵】→【添加庫(kù)】→【外部庫(kù)】。

5.引入頭文件并定義控制器的句柄。

6.至此Qt項(xiàng)目新建完成，可以進(jìn)行MotionRT750的項(xiàng)目開發(fā)了。

相關(guān)PC函數(shù)介紹

1.上位機(jī)連接MotionRT750的接口。

2.總線冗余相關(guān)的指令上位機(jī)暫時(shí)還沒封裝成現(xiàn)成的指令，我們可以通過(guò)在線命令直接封裝實(shí)現(xiàn)。

總線冗余功能相關(guān)Basic指令介紹：

萬(wàn)能上位機(jī)接口在線命令介紹：

通過(guò)在線命令封裝Basic的軸速度設(shè)置指令得到上位機(jī)的軸速度設(shè)置指令例程如下：

/************************************************************* Description: //設(shè)置軸速度，單位為units/s，當(dāng)多軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，作為插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的速度 Input: //卡鏈接handle iaxis 軸號(hào) fValue 設(shè)置的速度值 Output: // Return: //錯(cuò)誤碼 *************************************************************/ int32 __stdcall ZAux_Direct_SetSpeed(ZMC_HANDLE handle, int iaxis, float fValue) { char cmdbuff[2048]; char cmdbuffAck[2048]; if( iaxis > MAX_AXIS_AUX) { return ERR_AUX_PARAERR; } //生成Basic命令 sprintf(cmdbuff, "SPEED(%d)=%f", iaxis, fValue); //調(diào)用命令執(zhí)行函數(shù) return ZAux_DirectCommand(handle, cmdbuff, cmdbuffAck, 2048); }

相關(guān)測(cè)試代碼介紹

1.上位機(jī)如何鏈接上MotionRT750。

//通過(guò)LOCAL接口連接RT750, LOCAL接口的指令交互速度快至3us以內(nèi) intrint =ZAux_FastOpen(5,"LOCAL",1000,&g_handle); if(0== rint) { //控制器連接成功，初始化程序變量 ConnectNum=0; ContrStatus=1; //控制器連接成功，啟動(dòng)定時(shí)器 startTimer(200); //控制器連接成功，開始正常初始化 MainWindow::ZmcEcatInit(SlotId,BeiYongSlotId); //初始化線程和 Worker thread =newQThread(this); worker =newWorker();// 注意：不指定父對(duì)象 //將 Worker 移至子線程 worker->moveToThread(thread); //連接信號(hào)與槽 connect(thread, &QThread::started, worker, &Worker::doWork); connect(worker, &Worker::workFinished, thread, &QThread::quit); connect(worker, &Worker::workFinished, worker, &QObject::deleteLater); connect(thread, &QThread::finished, thread, &QObject::deleteLater); //可選：根據(jù)子線程的總線掃描情況，彈出對(duì)應(yīng)彈窗 connect(worker, &Worker::EcatInitStatus, this,&MainWindow::EcatScanInfo); connect(worker, &Worker::UpdateLog, this,&MainWindow::UpdateLog); //啟動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控線程 thread->start(); }

2.如何實(shí)現(xiàn)純上位機(jī)的總線初始化。

//Qt的總線初始化子函數(shù) intMainWindow::ZmcEcatInit(intScanSlotId ,intBackSlotId) { //定義總線初始化的信息結(jié)構(gòu)體 structEcatInitInfoSetMyEcatInitInfo; //是否自定義初始化參數(shù)，設(shè)置1的話使用默認(rèn)的總線初始化參數(shù)，設(shè)置成0則需要自定義總線初始化相關(guān)參數(shù); MyEcatInitInfo.InitStructFlag =0; if(MyEcatInitInfo.InitStructFlag !=1) { //【1. 本地軸參數(shù)，用于指定本地軸的起始 ID 和使用的軸數(shù)量】 MyEcatInitInfo.LocalAxisId =0; MyEcatInitInfo.LocalAxisNum =0; //【2. 驅(qū)動(dòng)軸相關(guān)參數(shù)，用于指定驅(qū)動(dòng)軸的起始 ID 和數(shù)量】 MyEcatInitInfo.DriveAxisStart =0; MyEcatInitInfo.DriveAxisNum =-1; // 驅(qū)動(dòng)軸數(shù)量，-1 表示總線初始化的時(shí)候不判斷驅(qū)動(dòng)的軸數(shù)量是否對(duì)上 MyEcatInitInfo.EcatNodeNum =-1; // 總線節(jié)點(diǎn)數(shù)目，-1 表示總線初始化的時(shí)候不判斷節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)是否對(duì)上 for(inti =0; i

3.指定哪個(gè)總線接口為主槽位號(hào)，哪個(gè)總線接口為從槽位號(hào)。

//停止總線 sprintf(cmdbuff,"SLOT_STOP(%d)", SlotId); ZAux_Execute(handle, cmdbuff, ReceBuff,256); //設(shè)置總線冗余的從總線槽位號(hào)，總線掃描前設(shè)置 if((BusRedSwitch==1)&&( SlotId!=RedSpareSlot)) { //等待200ms MyDelayMs(200, pOutTime); //設(shè)置總線槽位號(hào)SlotId為主總線槽，設(shè)置RedSpareSlot為從總線槽 sprintf(cmdbuff," SLOT_SLAVE(%d)=%d", SlotId,RedSpareSlot); ZAux_Execute(handle, cmdbuff, ReceBuff,256); } //等待200ms MyDelayMs(200, pOutTime); //掃描總線 sprintf(cmdbuff,"SLOT_SCAN(%d) ?return", SlotId); Iresult += ZAux_Execute(handle, cmdbuff, ReceBuff,256);

通過(guò)RTSys軟件的在線命令功能，輸入?*slot指令查詢XPCIE6032H的槽位號(hào)分布情況如下：

通過(guò)RTSys軟件的在線命令功能，輸入?*slot指令查詢XPCIE2032H的槽位號(hào)分布情況如下：

4.通過(guò)Qt的定時(shí)器實(shí)時(shí)獲取總線In口和Out口的通訊狀態(tài)。

//3、更新ECAT In口與Out口狀態(tài) sprintf(Cmdbuff,"?NODE_INFO(%d,%d,6)",SlotId,CurNodeId); Err =ZAux_Execute(g_handle, Cmdbuff, AckBuff,256); if(0== Err) { Tempint =std::atoi(AckBuff); //如果bit0為1，則總線IN口通訊正常，設(shè)置為綠色 if((Tempint==1)||(Tempint==3)) { EcatInList[i]->setStyleSheet( "QPushButton {"http://背景色 " background-color: rgb(50, 205, 50);" "}" "QPushButton:hover {" //鼠標(biāo)懸停時(shí)的背景色 " background-color: rgb(50, 205, 50);" "}" "QPushButton:pressed {"http://鼠標(biāo)按下時(shí)的背景色 " background-color: rgb(50, 205, 50);" "}"); } //否則總線IN口通訊異常，設(shè)置為紅色 else { EcatInList[i]->setStyleSheet( "QPushButton {"http://背景色 " background-color: rgb(205, 50, 50);" "}" "QPushButton:hover {" //鼠標(biāo)懸停時(shí)的背景色 " background-color: rgb(205, 50, 50);" "}" "QPushButton:pressed {"http://鼠標(biāo)按下時(shí)的背景色 " background-color: rgb(205, 50, 50);" "}"); } //如果bit1為1，則總線Out口通訊正常，設(shè)置為綠色 if((Tempint==2)||(Tempint==3)) { EcatOpList[i]->setStyleSheet( "QPushButton {"http://背景色 " background-color: rgb(50, 205, 50);" "}" "QPushButton:hover {" //鼠標(biāo)懸停時(shí)的背景色 " background-color: rgb(50, 205, 50);" "}" "QPushButton:pressed {"http://鼠標(biāo)按下時(shí)的背景色 " background-color: rgb(50, 205, 50);" "}"); } //否則總線Out口通訊異常，設(shè)置為紅色 else { EcatOpList[i]->setStyleSheet( "QPushButton {"http://背景色 " background-color: rgb(205, 50, 50);" "}" "QPushButton:hover {" //鼠標(biāo)懸停時(shí)的背景色 " background-color: rgb(205, 50, 50);" "}" "QPushButton:pressed {"http://鼠標(biāo)按下時(shí)的背景色 " background-color: rgb(205, 50, 50);" "}"); } }

5.總線冗余演示視頻可點(diǎn)擊→“正運(yùn)動(dòng)強(qiáng)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核MotionRT750”

本次，正運(yùn)動(dòng)技術(shù)強(qiáng)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核MotionRT750(五)：EtherCAT總線冗余讓生產(chǎn)制造更可靠，就分享到這里。

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審核編輯 黃宇