電機控制和運動控制的基本架構組成及發(fā)展趨勢

工控人時常會談及運動控制，在工業(yè)控制與自動化領域中，運動控制到底指的是什么呢？

電機控制與運動控制有何區(qū)別？

基本架構組成是怎樣的？

運動控制發(fā)展趨勢如何？

讓我們一起來了解一下！

工業(yè)控制主要分兩個方向，一個是運動控制，通常用于機械領域；另一個就是過程控制，通常使用于化工領域。而運動控制指的是一種起源于早期的伺服系統(tǒng)，基于電動機的控制，以實現(xiàn)物體對角位移、轉矩、轉速等等物理量改變的控制。

電機控制與運動控制

在上面的定義中，有提到電機控制，但電機控制和運動控制是不同的。

從關注點來說，電機控制(這里指伺服電機）主要關注的是控制單個電機的轉距、速度、位置中的一個或多個參數(shù)達到給定值。而運動控制主要關注點在于協(xié)調多個電機，完成指定的運動（合成軌跡、合成速度），比較著重軌跡規(guī)劃、速度規(guī)劃、運動學轉換；比如數(shù)控機床里面要協(xié)調XYZ軸電機，完成插補動作。

電機控制常常作為運動控制系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)（通常是電流環(huán)，工作在力矩模式下），更著重于對電機的控制，一般包括位置控制、速度控制、轉矩控制三個控制環(huán)，一般沒有規(guī)劃的能力（有部分驅動器有簡單的位置和速度規(guī)劃能力）。

運動控制往往是針對產品而言的，包含機械、軟件、電氣等模塊，例如機器人、無人機、運動平臺等等，是對機械運動部件的位置、速度等進行實時的控制管理，使其按照預期的運動軌跡和規(guī)定的運動參數(shù)進行運動的一種控制。

兩者有部分內容是重合的：位置環(huán)/速度環(huán)/轉距環(huán)可以在電機的驅動器中實現(xiàn)，也可以在運動控制器中實現(xiàn)，因此兩個屬于容易混淆。

基本架構組成

一個運動控制系統(tǒng)的基本架構組成包括：

運動控制器：用以生成軌跡點（期望輸出）和閉合位置反饋環(huán)。許多控制器也可以在內部閉合一個速度環(huán)。

運動控制器主要分為三類，分別是PC-Based、專用控制器、PLC。其中PC-Based運動控制器在電子、EMS等行業(yè)被廣泛應用；專用控制器的代表行業(yè)是風電、光伏、機器人、成型機械等等；PLC則在橡膠、汽車、冶金等行業(yè)備受青睞。

驅動或放大器：用以將來自運動控制器的控制信號（通常是速度或扭矩信號）轉換為更高功率的電流或電壓信號。更為先進的智能化驅動可以自身閉合位置環(huán)和速度環(huán)，以獲得更精確的控制。

執(zhí)行器：如液壓泵、氣缸、線性執(zhí)行機或電機，用以輸出運動。

反饋傳感器：如光電編碼器、旋轉變壓器或霍爾效應設備等，用以反饋執(zhí)行器的位置到位置控制器，以實現(xiàn)和位置控制環(huán)的閉合。

眾多機械部件用以將執(zhí)行器的運動形式轉換為期望的運動形式，它包括齒輪箱、軸、滾珠絲杠、齒形帶、聯(lián)軸器以及線性和旋轉軸承。

從運動控制器看運動控制

運動控制的出現(xiàn)更加促進機電控制的解決方案，比如以前凸輪和齒輪都需要機械結構實現(xiàn)，現(xiàn)在可以使用電子凸輪、電子齒輪來實現(xiàn)，消除了機械實現(xiàn)過程的回程、摩擦和磨損等。

成熟的運動控制產品不僅僅需要提供路徑規(guī)劃、前瞻控制、運動協(xié)調、插補、運動學正逆解和驅動電機的指令輸出等，還需要具備工程配置軟件（如SIMOTION的SCOUT）、語法解釋器（不僅是指自己的語言，而且包括IEC-61131-3的PLC語言支持）、簡單的PLC功能、PID控制算法實現(xiàn)、HMI交互接口、故障診斷接口，高級的運動控制器還能夠實現(xiàn)安全控制等。

運動控制之發(fā)展趨勢

就運動控制器來說，隨著行業(yè)應用的擴展，中國運動控制市場逐漸成熟，在機床、雕刻機、半導體、工業(yè)機器人、EMS、物料搬運等多數(shù)下游機械行業(yè)均取得不錯的發(fā)展。尤其在鋰電池、工業(yè)機器人、半導體、EMS等行業(yè)，歐美和日本運動控制廠商表現(xiàn)突出，擁有較強的綜合競爭優(yōu)勢。

由于運動控制的目標，是要完成生產線流程制造產品，在中間的運動控制過程，其實并不是最最重要，反而是如何能正確實時的達到要求，才是最重要的功能；加上現(xiàn)在各種產品精細度要求愈來愈高，對制程要求也愈來愈嚴苛，而運動控制講究實時與精準，要達到最佳化，就得整合各種相關技術，這樣的整合被視為難度最高的控制技術。

專用控制器在一段時間內仍將是工業(yè)機器人行業(yè)主要的運動控制器類型。半導體行業(yè)PC-Based運動控制市場發(fā)展穩(wěn)定，增速在17%左右。物流行業(yè)對機器視覺功能的需求增加，導致PC-Based比例也逐步增加。在傳統(tǒng)印刷機械上仍然以PLC運動控制器為主，PC-Based運動控制器的應用剛剛起步，在新興的數(shù)碼印刷機械上使用較多，未來將小幅增長。

審核編輯：湯梓紅