基于英特尔架构的优易控NoTime控制器白皮书-助力实现精准、柔性的运动控制

基于英特尔®架构的优易控NoTime控制器助力实现精准、柔性的运动控制 目录 1 概述.............................................................................................1 2 运动控制器市场趋势与挑战................................................1 2.1市场趋势............................................................................................................................12.2挑战.....................................................................................................................................1 解决方案：基于英特尔®架构的优易控NoTime控制器.................2 3.1优易控NoTime控制器方案的功能设计.................................................................33.2适用于优易控NoTime控制器的卓信创驰工业计算机.....................................73.3优易控NoTime控制器方案中的英特尔技术及应用..........................................8 应用场景.................................................................................10 4.1在芯片键合中实现高精准、高稳定的运动控制................................................104.2在3D点胶中实现高灵活性的轨迹控制................................................................10 5 展望............................................................................................11 “快速进化的柔性制造、智能制造凸显了用户对于新一代运动控制方案的旺盛需求，基于英特尔®架构的优易控NoTime控制器通过软件控制方案，以及英特尔®处理器强大的算力与实时性特性，提供了卓越算力，显著降低了运动控制的时延，提升了运动控制的稳定性与效率，可为制造行业的转型升级提供可靠助力。” —颜克华优易控首席技术官 “随着制造业变革的深入，运动控制系统在不断进化，这也带来了对于算力的巨大要求。通过与优易控的合作，我们得以为用户的运动控制系统提供基于英特尔®架构的高性能、高稳定、高扩展基础硬件平台，助力用户实现更加精准、柔性的运动控制。未来，我们还将继续与优易控、英特尔合作，为制造行业用户带来更高的价值。” —郭辉卓信创驰市场总监 “高性能、高稳定、高扩展的算力系统已经成为新一轮工业变革的重要基础，我们将持续推进面向工业场景的算力系统的创新，并与优易控、卓信创驰等中国生态伙伴进行深度合作，助力客户化解应用场景多元复杂、数据多样化、算力需求高等挑战，帮助客户实现更高精度、更加稳定、更加安全的工业生产，加速智慧制造变革。” —李岩英特尔公司网络与边缘事业部工业解决方案中国区高级总监 其中运动控制器市场规模85亿元，伺服系统市场规模340亿元3。 概述1 面向不断迭代的工业应用需求，新一代的运动控制器在信息处理能力、开放程度、运动轨迹控制准确性、通用性等方面正在实现进一步的进化。新一代的运动控制器通常能够利用多轴协调运动控制和复杂的运动轨迹规划、实时的插补运算、误差补偿、伺服滤波算法，从而实现闭环控制。 在IC分选测试、芯片键合、3C产品FATP应用、3D点胶等先进装备生产制造场景，精细化的运动控制在分选、组装等流程中扮演着重要角色。传统的运动控制器大多通过PC（执行视觉、数据处理等任务）+运动控制卡的方式进行交互。这种方式将PC的信息处理能力与运动控制卡的运动轨迹控制能力和实时性有机结合在一起，满足了普遍场景下的运动控制需求。然而，随着制造行业的不断发展，对于精细化控制能力也提出了越来越高的要求，这一方案开始面临算力不足、控制器交互时延长、系统抖动等挑战。 软件定义是运动控制器发展的一个重要趋势，软件定义有助于将硬件与特定的功能解耦，实现硬件资源的虚拟化和管理任务的可编程，从而获得更高的灵活性以及可扩展性。在软件定义的运动控制器中，由于开发平台独立于硬件，因此用户能够根据实际场景的需求，在不对硬件进行变更的情况下，便捷地基于运动控制进行二次开发，加快方案的上市时间。 深圳市优易控软件有限公司（以下简称：优易控）推出了基于英特尔®架构的NoTime控制器，该控制器将视觉和数据处理能力、运动控制能力整合在搭载了英特尔®处理器的卓信创驰工业计算机上，并集成了基于实时系统的机器程序执行环境和运动函数库。对比传统运动控制卡和控制器，NoTime控制器的机器控制程序调用运动控制功能的效率提高了1000倍1，能够提供更稳定和敏捷的机器控制。该控制器能够处理更加复杂的算法，实现更复杂、精细的运动规划，满足客户在不同场景中的需求，加速智能制造变革。 目前，软件定义的运动控制器通常采用基于x86架构的PC方案，这一方案不仅能够充分利用x86架构在兼容性、可扩展性等方面的优势，而且具备强大的算力支撑，为运动控制器上的复杂负载提供了高效的运行平台。 在高精尖的生产制造环节中，用户对于高端运动控制器方案有着更高的要求，以实现精益生产、柔性生产。高端控制器方案需要通过软件定义等方式提升控制器的灵活性，同时在控制时延、控制稳定性、执行效率等方面都有着更高的要求，从而为生产任务提供可信赖的精细运动控制能力。 运动控制器市场趋势与挑战2 2.2挑战 2.1市场趋势 传统的运动控制器大多通过PC（执行视觉、数据处理等任务）+运动控制卡的方式进行交互，这种方式存在以下问题： 运动控制器用于在不同的应用场景下，通过处理器进行逻辑计算，并利用执行器（通常由伺服驱动+电机构成）将规划指令转化成为机械驱动，实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，并通过传感器完成闭环反馈。运动控制系统是高端装备的核心基础部件，决定了装备的精度和效率。伴随着制造企业纷纷向柔性制造、智能制造转型，市场对于运动控制器的扩展性、时延、算力均提出了更高的要求。 •运动控制卡通常基于低功耗的算力平台构建，算力不够强大，难以支持复杂控制算法。 •传统运动控制卡和控制器的所有或部分机器程序运行在Windows上，会由于Windows系统的抖动问题，影响程序执行的稳定性。•传统硬件控制器、控制卡和PLC与PC上的视觉程序交互以及函数调用，一般都是通过网口或者PCI接口与PC进行通讯，存在较为明显的时延。 根据MarketsandMarkets数据，2024年全球运动控制市场规模预计将达到165亿美元，预计到2029年达到216亿美元，年复合增长率(CAGR)预计将达到5.5%2。在中国，相关数据显示，2019年中国运动控制系统的总体市场规模为425亿元， 解决方案：基于英特尔®架构的优易控NoTime控制器3 优易控NoTime控制器创新地将运动控制的负载和视觉及数据处理的负载融合到搭载英特尔®处理器的卓信创驰工业计算机上，并绑定不同的CPU核心进行处理。不同负载之间通过高速共享内存通讯，大幅提高了运动控制与一般PC应用的数据交互效率以及函数的执行速度。该方案集成了基于实时系统的机器程序执行环境和运动函数库，实现了更稳定和敏捷的机器控制，能够满足芯片键合(Die-Bonding)、3C行业FATP、3D路径点胶等场景对于精细、低时延、高稳定的运动控制需求。 优易控NoTime控制器具备丰富的I/O配置、高可扩展性、高可靠性和结构化紧凑设计等优势，并支持进行敏捷开发，可以根据不同应用需求快速进行定制。 3.1优易控NoTime控制器方案的功能设计 得益于面向物联网、边缘与工业应用的英特尔®处理器，以及英特尔®资源调配技术(RDT)等技术，优易控NoTime控制器能够提供以下功能优势： ●高负载下保持出色的实时性能 通过卓越的软硬件设计，优易控NoTime控制器实现了较高的实时性，如图3所示，在CPU占用100%、内存占用94%时，优易控NoTime平台依然能够保持出色的实时性能。 ●显著降低运动控制器交互的时延 得益于x86系统提供的高性能算力，优易控NoTime控制器将机器控制程序和机器视觉等软件放在同一台工业计算机上，通过高速共享内存的方式，大幅度提高了运动控制与一般PC应用的数据交互效率以及运动函数的执行速度。 在测试中，优易控通过调用读写轴位置信息的指令，循环20000次，并统计每次的周期时间。测试数据如图5所示，通过PCI通讯方式的运动控制卡，平均一次的读写时间为71.74微秒，而使用共享内存交互方式的NoTime控制器，平均一次的读写时间仅需0.06微秒，其交互速度是运动控制卡（PCI接口）的一千倍4。 ●提升机器程序执行效率与稳定性 传统运动控制方案将运动控制算法和EtherCAT协议栈等运行在嵌入式芯片中，用户机器控制程序运行在Windows系统上。但由于Windows系统在计算时会存在抖动，因此会导致速度曲线发散，影响机器控制程序的执行效率。 在NoTime控制器中，机器程序(C#, C++)可以被加载到INtime实时系统中，使机器控制程序摆脱Windows抖动的影响。NoTime采用了英特尔® RDT的高速缓存分配技术(CAT)与内存带宽分配(MBA)技术，会对其它进程内用到的CPU线程以及缓存进行服务等级设置，从而限制内存带宽使用上限及CPU缓存，避免对关键的机器控制程序产生影响，保证程序运行的实时性。 优易控进行了循环运动实验，测试方法为相同零点的6次IO翻转+往复运动20mm，相同的伺服系统，循环200次，程序分别运行在NoTime和Windows中，使用相同的硬件，从驱动器中读取速度曲线。测试数据如图7所示，Windows下速度曲线更为发散。此外，当CPU占用率为100%时，Windows方案完整运动周期耗时63.34秒，NoTime方案耗时46.02秒，整体速度提升了27%左右，稳定性提高了99.83%6。 ●提供强大的前馈控制功能 优易控NoTime控制器的前馈控制功能基于ISG CNC算法库。在运动规划时不仅计算位置信息，还会额外计算由于总线周期和运动控制系统计算周期在速度、加速度、加加速度等方面的产生的时延，通过EtherCAT驱动器的速度环和电流环偏移接口输入补偿量，减少轴的位置偏差。 测试数据显示，在打开前馈控制功能之后，平均路径偏差从0.033mm下降到0.013 mm，0.01mm定位精度下的整定时间从13.2ms下降到10.6ms7。 ●通过先进的平滑工具进行轨迹控制 ABS样条路径是特殊的平滑工具，借助英特尔®处理器强大的算力，通过控制点直接生成Akima样条或B样条运动路径和相应的路径与速度规划；对于大量使用CAD中样条工具的图形，ABS样条路径工具可以实现高精度的轨迹平滑，同时降低机械系统的刚性需求。 优易控NoTime控制器集成了Hyper space computing与ABS样条路径等先进的平滑工具。其中，Hyper spacecomputing借助英特尔®处理器强大的算力，可进