系统集成概念

当你用 Live CD 或 .deb 安装包运行 LinuxCNC，并通过菜单里的配置选择器启动时，LinuxCNC 会自动在指定的默认目录里查找配置和 G 代码文件：

例如，对于一个名为 Mill 的配置和用户名为 Fred 的情况，目录和文件结构将如下所示。

如果你从命令行运行 LinuxCNC 并指定 INI 文件的名称和位置，文件位置可以在不同的地方。要查看从命令行运行 LinuxCNC 的选项，请运行 linuxcnc -h。

基准周期 是您 LinuxCNC 计算机的“心跳周期”。
[本节涉及使用 stepgen，即 LinuxCNC 内置的步进生成器。一些硬件设备有自己的步进生成器，而不使用 LinuxCNC 的内置生成器。在这种情况下，请参考您的硬件手册。]
每个周期，软件步进生成器都会决定是否该发出另一个步进脉冲。较短的周期允许您在一定限度内每秒生成更多的脉冲。但如果周期太短，计算机将花费过多时间生成步进脉冲，导致其他操作极度缓慢，甚至可能死机。延迟和步进驱动器的要求会影响您能使用的最短周期。

最坏情况的延迟可能每分钟只发生几次，而且在电机改变方向的同时发生延迟的可能性很低。因此，你可能会偶尔遇到极少的错误，这些错误会毁掉零件，而且几乎无法排查。

避免这个问题的最简单方法是选择一个 基准周期，其值等于驱动器最长时序要求与计算机最坏情况下延迟的总和。但这并不总是最佳选择。例如，如果你使用的驱动器方向信号保持时间要求为 20 µs，而延迟测试显示最大延迟为 11 µs，那么如果你将 基准周期 设置为 20+11 = 31 µs，你会在一种模式下得到不太理想的 32,258 步每秒，在另一种模式下得到 16,129 步每秒。

问题出在20微秒的保持时间要求。再加上11微秒的延迟，这就迫使我们使用较慢的31微秒周期。但LinuxCNC软件的步进生成器有一些参数，可以让你将不同的时间从一个周期增加到多个周期。例如，如果将“steplen”（注：steplen指的是一个参数，用于调整LinuxCNC内置步进生成器stepgen的性能，这是一个HAL组件。该参数调整步进脉冲本身的长度。继续阅读，最终会有解释。）从1改为2，那么在步进脉冲的开始和结束之间就会有两个周期。同样，如果将“dirhold”（注：dirhold指的是一个参数，用于调整方向保持时间的长度。）从1改为3，那么在步进脉冲与方向针变化之间至少会有三个周期。

如果我们可以使用“dirhold”来满足20µs的保持时间要求，那么下一个最长的时间是4.5µs的高电平时间。将11µs的延迟加到4.5µs的高电平时间上，你得到的最小周期是15.5µs。当你尝试15.5µs时，会发现计算机反应迟钝，因此你最终选择16µs。如果我们将“dirhold”保持在1（默认值），那么步进信号和方向信号之间的最小时间就是16µs周期减去11µs延迟=5µs，这是不够的。我们需要额外的15µs。由于周期为16µs，我们需要再增加一个周期。因此我们将“dirhold”从1改为2。现在，从步进脉冲结束到方向引脚变化的最小时间为5+16=21µs，并且我们不必担心驱动因延迟而朝错误方向步进。

有关stepgen的更多信息，请看 stepgen section。

在某些驱动器中，步进脉冲的时序 (Step Timing) 和 脉冲间隔 (Step Space) 要求不同，此时必须关注驱动器识别脉冲的边沿。如果驱动器在 下降沿识别脉冲，就需要在 LinuxCNC 中 反转输出引脚，以确保脉冲被正确触发。

伺服系统在速度和精度方面比同等的步进系统更高，但成本更高且更复杂。与步进系统不同，伺服系统需要某种类型的位置反馈装置，并且必须进行调整或“调试”，因为它们不像步进系统那样开箱即用。这些差异的存在是因为伺服系统是“闭环”系统，而步进电机通常是“开环”运行。“闭环”是什么意思呢？让我们来看一个简化的伺服电机系统连接示意图。

该图表显示输入信号（以及反馈信号）驱动求和放大器，求和放大器驱动功率放大器，功率放大器驱动电机，电机驱动负载（以及反馈装置），反馈装置（以及输入信号）驱动电机。这看起来非常像一个循环（闭环），其中 A 控制 B，B 控制 C，C 控制 D，D 控制 A。

如果你以前没有接触过伺服系统，一开始这无疑会显得非常陌生，尤其是与更常见的电子电路相比，那里的输入可以平滑地传递到输出，并且永远不会回退。脚注：[如果有帮助的话，在数字世界中最接近的等价物是“状态机”、“顺序机”等等，其中输出的“当前”行为取决于输入（以及输出）之前的状态。如果这没帮助，那就算了。] 如果“每样东西”都控制“其他一切”，怎么可能运作呢，谁来掌控？答案是，LinuxCNC“可以”控制这个系统，但它必须通过选择几种控制方法之一来实现。LinuxCNC所使用的控制方法，其中一种最简单且最佳的方法，叫做PID。

PID代表比例、积分和微分。比例值决定对当前误差的反应，积分值决定基于最近误差之和的反应，微分值决定基于误差变化速率的反应。它们是三种常用的数学技术，用于使工作过程能够跟随设定点。在LinuxCNC的情况下，我们想要控制的过程是实际轴位置，而设定点是指令的轴位置。

通过调整PID控制器算法中的三个常数，控制器可以提供针对特定工艺要求的控制动作。控制器的响应可以通过其对误差的响应速度、对设定点的超调程度以及系统振荡的程度来描述。

比例项（有时称为增益）会根据当前误差值的大小对输出进行调整。较高的比例增益会导致输出对给定误差变化产生较大的响应。如果比例增益过高，系统可能会变得不稳定。相反，较低的增益会导致输出对较大输入误差的响应较小。如果比例增益过低，控制动作在应对系统扰动时可能会过小。

在没有干扰的情况下，纯比例控制不会达到目标值，而是会保持一个稳态误差，该误差与比例增益和过程增益有关。尽管存在稳态偏差，调节理论和工业实践都表明，输出变化的大部分应由比例项贡献。

积分项（有时称为复位）的贡献与误差的大小和持续时间成正比。随着时间对瞬时误差进行求和（积分误差），可以得到之前应该被纠正的累计偏差。然后，将累计误差乘以积分增益，并加到控制器输出中。

积分项（当与比例项相加时）加快了过程向设定点运动的速度，并消除了仅使用比例控制器时出现的残余稳态误差。然而，由于积分项对过去累积的误差作出响应，它可能导致当前值超过设定点值（越过设定点，然后在相反方向产生偏差）。

过程误差的变化率是通过确定误差随时间变化的斜率（即对时间的一阶导数）来计算的，并将该变化率乘以微分增益。

微分项可以减缓控制器输出的变化速率，这一效果在接近控制器设定点时最为明显。因此，微分控制用于减小积分组件产生的超调幅度，并提高控制器与过程的整体稳定性。

如果PID控制器参数（比例、积分和微分项的增益）选择不当，被控过程的输入可能会不稳定，即其输出会发散，可能伴随振荡，也可能不振荡，其限制仅由饱和或机械损坏决定。控制环路的调节是将其控制参数（增益/比例带、积分增益/复位、微分增益/速率）调整到所需控制响应的最佳值的过程。

一种简单的调节方法是，首先将 I（积分项） 和 D（微分项） 的数值设为零。逐步增加 P（比例项），直到环路输出开始振荡，然后将 P 设置为该值的大约一半，以获得“四分之一幅衰减”类型的响应。接着增加 I，直到系统能够在合理时间内消除偏差。但 I 过大将导致不稳定。最后，如果需要的话，增加 D，使环路在负载扰动后能够较快地回到参考值。但 D 过大则会引起过度响应和超调。快速的 PID 环路调节通常会允许系统略微超调，以便更快达到设定值；然而，有些系统不能接受超调，这种情况下就需要一个“过阻尼”的闭环系统，此时 P 的设定必须显著低于引起振荡时 P 值的一半。

在 INI 文件中设置：

S-curve planning is only active when PLANNER_TYPE = 1 and MAX_LINEAR_JERK > 0.

Start with a conservative jerk value and increase gradually:

Typical values: 100-100,000 units/s³ depending on machine rigidity and units (mm values are typically 1000x larger than inch values).

Increase MAX_LINEAR_JERK until motion becomes sluggish or following errors increase, then reduce slightly. Test with coordinated moves and arcs.

高级配置与电源接口（ACPI）有很多不同的功能，其中大多数会影响实时（RT）性能（例如：电源管理、CPU 关机、CPU 频率调节等）。LinuxCNC 内核（可能还有所有经过 RTAI 补丁的内核）默认禁用了 ACPI。ACPI 还负责在系统启动关机后关闭电源，这就是为什么你可能需要按电源按钮才能完全关闭计算机的原因。RTAI 团队在最近的版本中对这一点进行了改进，因此你的 LinuxCNC 系统最终可能会自动关机。

Litehm2 is a board-agnostic port of the HostMot2 FPGA firmware. The first board it supports is the linsn rv901t, which was originally built as a LED controller board, but due to the available I/O it is well suited to act as a machine controller. It offers around 80 5V-buffered I/O ports and can switch between all input and all output. it is also easily modified to split the ports half/half between input and output. The rv901t interfaces to the computer via Gigabit or 100Mbit Ethernet.

Litehm2 is based on the LiteX framework which supports a wide range of FPGA boards. Currently only the rv901t is supported, but support for more boards is under development.

More information can be found at https://github.com/sensille/litehm2.