轴(Axis)的定义

概述

• Axis 是对单个物理自由度（电机+驱动+编码器等）的软件抽象。它聚合硬件接口、状态机、运动命令队列、轨迹内核（MotionKernel / planner）与安全/限制逻辑。
• 职责：接收功能块（FB）并排队、调用 planner 生成时间参数化轨迹、在实时周期内采样轨迹并把命令下发到 Servo（或把关键点上传到驱动），管理轴的状态与错误、执行单位转换与保护逻辑。

为什么要抽象出轴?

• 轴（Axis）是把运动控制系统中与单一物理驱动/自由度相关的所有职责封装成一个概念单元：状态、命令、限制、与伺服/编码器的接口、功能块队列、以及与轨迹/内核的交互。

• 抽象轴可以把“通用的运动逻辑”与“具体硬件/协议”分离，便于设计、测试、复用与多轴协同。

• 映射到物理：每个轴对应一个实际电机/驱动/编码器，轴对象把这些硬件资源和 IO 映射到软件接口上（读位置、写命令、处理限位等）。

• 聚合状态与命令：集中保存位置/速度/加速度测量、当前命令、控制模式（CSP/CSV/PP/CST）、错误状态、使能/力矩等，便于一致性检查与状态机管理。

• 职责分离：planner（轨迹生成器）只负责计算时间参数化轨迹；Axis 负责把轨迹采样、限幅、前馈叠加、转换成伺服可接受的命令并下发。

• 多模式支持：通过 Axis 的控制模式接口，可以在 CSP（每周期下发位置/前馈）、PP（上传关键点由驱动执行）等模式间切换，而不改变 planner 实现。

• 实时/资源管理：Axis 可以维护固定大小的 node_buffer、避免实时线程分配、做 double-buffer 同步，保证实时性与内存安全。

• 安全与保护：统一实现限速、软限位、急停、错误恢复、回零逻辑等，避免每个调用者重复实现。

• 多轴同步与协调：上层可以以 Axis 为单位进行同步插补、同步停止或协调速度缩放，实现多轴联动。

• 易于测试与仿真：Axis 可指向仿真 Servo 对象，便于在无硬件时进行回归测试。

Axis在系统中的典型职责

• 持有 AxisConfig（单位转换、编码器分辨率、限值）并提供 toUser/toEncoder 单位转换。
• 接收功能块（FB）或运动命令并排队（node_buffer_），由 MotionKernel/Planner 生成时间参数化轨迹或按需重规划（replanUnderlyingMotion）。
• 周期运行（runCycle）中：从轨迹采样（position/vel/acc/jerk），做限制/叠加（override、superimposed），并通过 Servo 接口下发到驱动（updateMotionCmdsToServo）。这决定系统是以 CSP（每周期下发）还是以 PP（上传轨迹点）运行。
• 管理使能、伺服状态、错误、原点/限位输入与恢复。

与PLCopen关系

• 概念上受 PLCopen MC 影响（有 MC_Power/Move/Home 等对应功能块思想），Axis 提供类似的状态与命令语义，但实现为 C++ 类和本地接口，不是 IEC FB 的逐字实现。通常会在上层做一层适配，把 PLCopen 的 FB 映射到 Axis 的方法与队列。

和 planner（如 offline_scurve_planner）的交互

• planner 生成时间参数化轨迹（pos/vel/acc/jerk 随时间），Axis 负责按控制周期从该轨迹采样并下发（CSP）或把轨迹转换为驱动可接受的关键点上传（PP）。选择哪种方式由 Axis/Servo 层和目标硬件能力决定。

主要成员

• 标识与元数据
  mcUSINT axis_id_：轴的唯一标识号。
  mcLREAL stamp_, delta_time_：时间戳与当前周期时间步长（s）。状态机与控制状态

• MC_AXIS_STATES axis_state_：轴高层状态（idle, running, homing, error 等）。
  MC_ERROR_CODE axis_error_：当前错误码。
  mcBOOL power_on_, power_status_：电源/使能状态。
  MC_SERVO_CONTROL_MODE axis_mode_ / axis_mode_cmd_：当前与期望的控制模式（CSP, CSV, PP, CST 等）。

• 测量量（来自硬件/仿真）
  mcLREAL axis_pos_, axis_vel_, axis_acc_, axis_jerk_：当前测量位置/速度/加速度/跃度（用户单位或编码器单位，取决实现）。
  mcLREAL axis_torque_：当前扭矩/力矩测量。
  mcLREAL overflow_count_：编码器回绕统计。

• 命令量（目标）
  mcLREAL axis_pos_cmd_, axis_vel_cmd_, axis_acc_cmd_, axis_torque_cmd_：当前下发命令（最终输出给 Servo）。
  mcLREAL axis_underlying_pos_cmd_, axis_underlying_vel_cmd_ 等：由 planner/内核生成的“底层”命令。
  mcLREAL axis_sup_pos_cmd_ 等：叠加（superimposed）运动命令（教导/手动叠加）。

• 配置与参数
  AxisConfig* config_：参数结构体（encoder_count_per_unit、vel_limit、acc_limit、frequency、param_table 等）。
  AxisParamInfo* param_table_、param_table_num_：轴参数表（可用于对象字典或PDO映射）。
  AxisCheckDoneFactor factor_：判定完成的阈值（pos/vel）。

• 运动内核与执行节点
  MotionKernel motion_kernel_（或指针）：封装 planner、轨迹缓存、采样接口。
  ExecutionNode node_buffer_[NODE_BUFFER_MAX_SIZE]：固定大小节点池，用于存放待执行的功能块（避免 realtime 分配）。
  ExecutionNode* it_ / node_num_：当前迭代指针、节点计数。
  ExecutionNode* superimposed_node_ptr_：叠加运动对应节点。

• 伺服/硬件接口
  Servo* servo_：底层伺服/驱动接口（读 IO / 写命令 / 上传轨迹等）。
  mcBOOL axis_in_simulation_：是否仿真模式开关。

• 覆盖/保护控制因子
  OverrideFactors axis_override_factors_：速度/加速度缩放因子（用于平滑停止或限幅）。
  mcBOOL axis_superimposed_enable_：是否启用叠加运动。

CSP(Cyclic Synchronous Position)

CSP（Cyclic Synchronous Position）适用于对闭环位置指令需要“周期性、低延迟、主控端插补/前馈”的场景；即主控制器每个控制周期向伺服下发目标位置（常同时带速度/加速度前馈）

典型适用场景

• 高动态伺服控制：要求很短响应时间、高带宽跟踪（机器人关节、并联机器人、直接驱动轴）。
• 多轴时间同步/插补：需要主控对多轴做严格时间同步（插补器在主控端），例如直线/圆弧插补、多轴联动。
• 需要前馈控制与在线修改轨迹：利用速度/加速度前馈降低误差，或者实时重新规划并逐周期下发。
• 分布式实时总线（如 EtherCAT CSP/DS402 模式、PROFINET IRT 等）可支持短周期传输并保证确定性。