运动控制系统行业特点和发展趋势
思瀚产业研究院 固高科技    2023-08-08

①基本概述

A、运动控制技术

以反馈控制为核心、机构为被控对象、数学为基础的运动控制技术是人类发明和制造机器的过程中发展起来的一门科学技术。人类通过运动控制技术来制造更有序、高效、高速、精密、稳定和可靠的“好机器”。机器改变世界，而运动控制技术改变机器设计与制造，是现代工业不可或缺的“制器之技”。

现代运动控制技术的发展起源于工业革命后对蒸汽机、电动机等各类机械设备进行精确控制的想法。得益于现代控制理论、微电子学、计算机技术的进步，运动控制技术成为现代工业自动化发展最为活跃的领域之一，并已广泛应用于微电子、机器人、数控机床、电子加工和检测、生产自动化等各类工业制造领域。在现代化工业时代，运动控制技术的应用水平是衡量一个国家装备自动化、智能化水平的标志，体现了制造业的发展水平和市场竞争力。

B、运动控制系统

运动控制系统是智能制造装备的核心基础部件，决定了装备的精度、效率，是不同品牌装备形成差异化的重要环节。

从基本结构上看，典型的运动控制系统主要包括控制器、驱动器+电机（执行器）和传感器三大部件。其具体功能是在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现机械运动高速、高精度的轨迹和位置控制、速度控制、转矩控制或力控制。

其中，运动控制器相当于运动控制系统的“大脑”，驱动器+电机相当于“心脏”和“血管”，传感器则是“神经系统的感知单元”。而机械系统就是承载任务的“四肢”。运动控制器向驱动器发送控制指令，驱动器将其转化为能够运行电机的电流，驱动电机运转，进而带动工作机械（负载）实现特定运动。同时，电机和机械系统的多种传感器经过信号处理将实时信息反馈给控制器，控制器进行实时调整，保证整个系统的稳定运转。

运动控制系统由硬件和软件两部分集成，硬件即工业控制板卡，包括主控单元、信号处理等部分，软件包括运动控制算法、逻辑任务、系统调度及相关工业应用软件。硬件的质量、结构，软件、算法的优劣，共同决定了运动控制系统的精度、效率。在硬件的差异化不明显的情况下，软件算法是运动控制系统的关键。运动控制软件可在使用过程中通过升级来提升性能或改变用途，从而使智能化装备具有真正的柔性。

在装备制造业高质量发展，整体制造业向精益管理综合能力和全局效益提升方向发展的背景下，运动控制系统的核心指标就应包括：运动控制系统的整体可靠性、稳定性，适用于不同应用场景的性能和功能指标（高速高精、高实时性和高带宽等）和快速二次开发能力，以及人机交互的友好、易用与可重构，针对机械系统的预测性维护（智能感知与故障诊断）能力，与产线及周边设备交互并参与整体节拍效率、产能以及供应链的决策等。

②运动控制系统核心部件

A、运动控制器

运动控制器是指以中央逻辑控制单元为核心，以传感器为信号敏感元件，以电机或动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置，其主要任务是根据运动控制的要求和传感器件的信号进行必要的逻辑、数学运算，为电机或其它动力和执行装置提供正确的控制信号。

运动控制器由硬件、固件、软件等组成，其中硬件部分包括微处理器、存储器、接口电路、通信接口、电源等；固件是指固化在微处理器、存储器、可编程逻辑器件等元件中的软件；软件部分由实时操作系统、运动控制指令编译器、运动控制参数的预处理及优化、运动控制函数、通信管理等模块构成。

运动控制器负责向伺服系统等部件传递控制指令，是运动控制系统的核心模块，其性能直接决定了运动控制系统的性能水平。运动控制器可分为插卡式运动控制器、嵌入式运动控制器和网络式运动控制器。

B、伺服系统

伺服系统是一种能对机械运动按预定要求进行自动控制的系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角），实现输出变量精确跟随或复现输入变量。

伺服系统通常由驱动器和电机构成。驱动器是用来控制电机的一种装置，主要应用于高精度的定位系统，一般通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位。电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，可精准控制速度，位置，可将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服系统的基本结构图如下：

交流伺服系统依据不同的电机运行原理分为永磁同步交流伺服系统、感应交流伺服交流伺服 系统、磁阻同步交流伺服系统和无刷直流伺服系统，当前市场以永磁同步电机及无系统 刷直流伺服电机为主。交流伺服电机通过驱动器磁场换向实现电流的精确通知，同时它具备转矩密度大、效率高、力矩大，响应快，可靠性高等特点，在工业场景得到广泛应用。

直流伺服系统由直流伺服驱动器和直流伺服电机组合构成。直流伺服电机通过电刷直流伺服 进行换向，驱动器只需输出正负直流电机即可驱动电机正反运行。由于直流电机的系统 输出特性，它的力矩线性、平稳，通常被用在高精密的控制领域。同时，直流伺服电机可配备编码器形成闭环系统。因此，直流伺服系统可准确掌握电机的转动情况，实现精确的定位。

步进系统由步进驱动器和步进电机组合构成，步进驱动器接收指令信号后，驱动步步进系统 进电机按设定的方向转动固定的角度，因此可通过驱动器发出的控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。步进系统通常为开环系统，在步进电机添加编码器后也可形成闭环控制系统。