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® x86架构的PAC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，提供了高确定性算力，显著降低了运动控制的延时，提升了运动控制的稳定性与效率，可助力制造行业的转型升级。

在半导体封测、点胶控制、镜头组装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（视觉/数据处理）+ARM-Based（运动控制）来进行交互，这种方式将 PC 的信息处理能力与运动控制器的运动轨迹控制能力有机结合在一起，满足了普遍场景下的运动控制需求。但同时，随着制造行业发展对于精细化控制能力带来更高的要求，这一方案尚需要化解算力不足、控制器交互延迟、系统抖动等挑战。

深圳市卓信创驰技术有限公司推出了基于英特尔® Alder lake N架构的PAC控制器，该控制器将视觉/数据处理能力、运动控制能力整合在搭载了英特尔® 处理器的工业控制计算机上，对比传统运动控制卡/控制器，PAC 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，意味着更稳定和敏捷的机器控制。此外，英特尔® 酷睿™ 处理器的强大算力，也有助于控制器处理更加复杂的算法，实现更复杂、精细的运动规划，加速智能制造变革。

1、 解决方案：基于英特尔® Alder lake N架构的PAC 控制器
PAC 控制器创新地将运动控制的功能与视觉/数据处理的功能融合到搭载英特尔®处理器的卓信创驰控制器上，并绑定不同的 CPU 核心进行处理，双方之间通过高速共享内存来连接，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用户程序执行环境，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、低延迟、高稳定的运动控制的需求。
 
 图1. PAC 控制器方案设计

PAC控制器采用了嵌入式、紧凑型、无风扇设计，可搭载第 12 代英特尔® 酷睿™ 处理器、英特尔凌动® x7000E 系列处理器、英特尔® 处理器 N 系列处理器等处理器，满足不同场景的需求。该控制器具备如下优势：

• 丰富的 IO 配置：IO 接口根据客户应用需求设计进行自定义配置，实现不同功能。
• 高扩展性：支持 4G/5G/Wi-Fi 无线通讯模块和 UPS 不间断电源等模块扩展。
• 高可靠性：采用模块化、无线缆的结构设计，通过板对板连接器进行信号扩展，确保震动环境下连接可靠；领先的散热设计，CPU 不掉频、不卡顿；通过高低温跌落测试、机械冲击测试、冷热冲击测试等多项可靠性测试，确保在严苛的工业环境中长期平稳运行。
• 紧凑化结构设计：紧凑的尺寸设计，轻松布局到工业现场，提升时间、空间利用率。
• 敏捷开发、快速定制服务：可根据不同应用需求快速定制提供开发和部署的工具，缩短上市周期。

  
图2. 卓信创驰工业控制器（左：E21YK 系列，右：Xmen系列）

1.1 PAC 控制器通过软件控制方案实现实时性、稳定性显著提升
得益于面向物联网与边缘应用的英特尔® 处理器，以及英特尔® RDT 技术改善实时性，PAC 控制器能够提供如下功能优势：在Windows满载的情况下，平台管理的硬件资源依然保持了绝佳的实时性能。
 
1.1.1 显著降低运动控制器交互的延迟
 PAC 控制器将运动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函数的执行速度。

 
图3. PAC 控制器将运动控制程序和机器视觉等软件整合在同一硬件中

在测试中，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 3 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 运动控制器，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。
  

图4.不同运动控制器方案交互延时数据测试（越低越好）

1.1.2 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 协议栈等运行在实时系统上，用户机器控制程序运行在 Windows 系统上，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。
基于 PAC 控制器，用户程序（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。PAC 采用了英特尔® RDT 的 CAT 与 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，避免对于关键的机器控制程序带来影响，从而保证程序运行的实时性。
 

图5. 基于 PAC 控制器，用户可以实现确定的 125 微秒的程序执行周期

循环运动实验，在相同零点的 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 PAC 和 Windows 使用相同的硬件，从驱动器中读取速度曲线。测试数据如图 4 所示，Windows 速度曲线更为发散，此外，Windows 方案完整运动周期耗时 63.34 秒，PAC 方案耗时 46.02 秒，整体速度提升了 20% 左右，稳定性提高了 99.83%。

 
图6. PAC/Windows 速度曲线对比

1.1.3 提供强大的前馈控制功能
PAC 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延迟，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 定位精度的整定时间从 13.2ms 下降到 10.6ms.
 

图7.前馈功能打开前后的位置偏差对比

1.1.4 能够支持复杂的实时视觉算法处理
PAC Vision 的图像算法和 GigE 在实时系统中运行，能够大幅度减少图像处理与引导位置计算，以及通过计算结果进行运动控制的时间，提高视觉-计算-运动全周期的稳定性。

  
图8. PAC Vision 可支持实时视觉处理

1.2 方案中的英特尔技术及应用
基于英特尔® 架构的PAC 控制器支持包括第 12 代英特尔® 酷睿™ 处理器、英特尔凌动® x7000E 系列处理器、英特尔® 处理器 N 系列处理器在内的处理器选项，不仅能够满足复杂的机器控制算法的高效运行，还具备宽温支持、高稳定性、远程维护等能力，为运动控制奠定了坚实的硬件基础。
该控制器还应用了英特尔® 资源调配技术 (RDT) 提升实时处理能力，采用英特尔® Virtualization Technology for Directed I/O (VT-d)、英特尔® Virtualization Technology for x86 (VT-x) 等虚拟化技术实现硬件虚拟化。上述软硬件技术能够满足PAC 控制器在算力、延迟控制、稳定性等方面的需求。
对于单纯运动控制场景和单相机运动+视觉引导场景，用户可以选择 N 系列处理的控制器产品兼顾高性能，可靠性和性价比。多相机引导场景，或运行其他复杂运算场景，建议用户选择 12 代英特尔® 酷睿™ 处理器以获得最佳的计算性能。
 

2、应用场景
目前，基于英特尔® 架构的PAC 控制器在 IC 分选测试、芯片键合、3C产品FATP应用、3D点胶等场景中得到了广泛的应用。
 

2.1 芯片键合
在半导体工艺中，“键合”是指将晶圆芯片固定于基板上，芯片键合技术通过将半导体芯片附着到引线框架 (Lead Frame) 或印刷电路板 (PCB, Printed Circuit Board) 上，来实现芯片与外部之间的电连接。芯片键合对于运动控制的精确性、稳定性都带来了极高要求。
 
图9. 芯片键合

PAC 控制器支持芯片键合场景，芯片键合的组装精度达到*X/Y 组装高精度± 10 μm@3σ; 旋转精度达到 ± 0.15°@3σ，可编程力控应用为 Bond force 0.5N~75N，UPH 超过 6K/工位。其具备如下优势：

• 运动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交互方式，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函数的执行速度；
• 基于英特尔® 处理器高算力和 ProCon M:单个控制器实现最多 64 轴的 125μs EtherCAT 周期运动控制，高性能的驱动器管理；
• 通过 PAC 系统，机器的逻辑，运动，视觉控制程序完全在 INtime 实时系统运行，提供机器程序执行的稳定性，缩短机器 CT；
• ISG CNC 算法库中的前馈和振动抑制等先进算法和英特尔® 处理器高算力可以提高机器稳定性和缩短机器 CT。

2.2 点胶
点胶是工业生产中的一种重要工艺，是指是把电子胶水、油或者其他液体涂抹、灌封、点滴到产品上，让产品起到黏贴、灌封、绝缘、固定、表面光滑等作用。现代化的工业生产对于点胶精度、轨迹控制都有着更高的要求，对于运动控制带来更高的挑战。
 

图10.手机制造中的点胶工艺

面向点胶工艺的PAC 控制器方案具备如下优势：

• 可集成点胶界面，支持直接导入 CAD 文件生成运动指令；
• ISG CNC 算法库领先的前瞻技术和样条路径，HSC 等功能满足行业顶级轨迹控制需求；
• ISG CNC 算法库支持 5 轴 RTCP 功能以及超过 50 种运动学变换模型；
• PAC 控制器内置 FPGA 快速 IO，可以实现提前开关胶，PWM 胶阀控制等点胶工艺特殊需求。

关于卓信创驰
卓信创驰创立于2018年，是一家专注于工业控制、机器视觉、自动化等领域的国家级高新技术企业。
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