電機(jī)控制和運(yùn)動(dòng)控制的基本架構(gòu)組成及發(fā)展趨勢

工控人時(shí)常會(huì)談及運(yùn)動(dòng)控制，在工業(yè)控制與自動(dòng)化領(lǐng)域中，運(yùn)動(dòng)控制到底指的是什么呢？

電機(jī)控制與運(yùn)動(dòng)控制有何區(qū)別？

基本架構(gòu)組成是怎樣的？

運(yùn)動(dòng)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(gè)方向，一個(gè)是運(yùn)動(dòng)控制，通常用于機(jī)械領(lǐng)域；另一個(gè)就是過程控制，通常使用于化工領(lǐng)域。而運(yùn)動(dòng)控制指的是一種起源于早期的伺服系統(tǒng)，基于電動(dòng)機(jī)的控制，以實(shí)現(xiàn)物體對角位移、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等等物理量改變的控制。

電機(jī)控制與運(yùn)動(dòng)控制

在上面的定義中，有提到電機(jī)控制，但電機(jī)控制和運(yùn)動(dòng)控制是不同的。

從關(guān)注點(diǎn)來說，電機(jī)控制(這里指伺服電機(jī)）主要關(guān)注的是控制單個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)距、速度、位置中的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)達(dá)到給定值。而運(yùn)動(dòng)控制主要關(guān)注點(diǎn)在于協(xié)調(diào)多個(gè)電機(jī)，完成指定的運(yùn)動(dòng)（合成軌跡、合成速度），比較著重軌跡規(guī)劃、速度規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)學(xué)轉(zhuǎn)換；比如數(shù)控機(jī)床里面要協(xié)調(diào)XYZ軸電機(jī)，完成插補(bǔ)動(dòng)作。

電機(jī)控制常常作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)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(jī)的控制，一般包括位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制三個(gè)控制環(huán)，一般沒有規(guī)劃的能力（有部分驅(qū)動(dòng)器有簡單的位置和速度規(guī)劃能力）。

運(yùn)動(dòng)控制往往是針對產(chǎn)品而言的，包含機(jī)械、軟件、電氣等模塊，例如機(jī)器人、無人機(jī)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等等，是對機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制管理，使其按照預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的一種控制。

兩者有部分內(nèi)容是重合的：位置環(huán)/速度環(huán)/轉(zhuǎn)距環(huán)可以在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器中實(shí)現(xiàn)，也可以在運(yùn)動(dòng)控制器中實(shí)現(xiàn)，因此兩個(gè)屬于容易混淆。

基本架構(gòu)組成

一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)組成包括：

運(yùn)動(dòng)控制器：用以生成軌跡點(diǎn)（期望輸出）和閉合位置反饋環(huán)。許多控制器也可以在內(nèi)部閉合一個(gè)速度環(huán)。

運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制器在電子、EMS等行業(yè)被廣泛應(yīng)用；專用控制器的代表行業(yè)是風(fēng)電、光伏、機(jī)器人、成型機(jī)械等等；PLC則在橡膠、汽車、冶金等行業(yè)備受青睞。

驅(qū)動(dòng)或放大器：用以將來自運(yùn)動(dòng)控制器的控制信號（通常是速度或扭矩信號）轉(zhuǎn)換為更高功率的電流或電壓信號。更為先進(jìn)的智能化驅(qū)動(dòng)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(jī)或電機(jī)，用以輸出運(yùn)動(dòng)。

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

眾多機(jī)械部件用以將執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換為期望的運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)軸承。

從運(yùn)動(dòng)控制器看運(yùn)動(dòng)控制

運(yùn)動(dòng)控制的出現(xiàn)更加促進(jìn)機(jī)電控制的解決方案，比如以前凸輪和齒輪都需要機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在可以使用電子凸輪、電子齒輪來實(shí)現(xiàn)，消除了機(jī)械實(shí)現(xiàn)過程的回程、摩擦和磨損等。

成熟的運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品不僅僅需要提供路徑規(guī)劃、前瞻控制、運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)、插補(bǔ)、運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解和驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(shí)現(xiàn)、HMI交互接口、故障診斷接口，高級的運(yùn)動(dòng)控制器還能夠?qū)崿F(xiàn)安全控制等。

運(yùn)動(dòng)控制之發(fā)展趨勢

就運(yùn)動(dòng)控制器來說，隨著行業(yè)應(yīng)用的擴(kuò)展，中國運(yùn)動(dòng)控制市場逐漸成熟，在機(jī)床、雕刻機(jī)、半導(dǎo)體、工業(yè)機(jī)器人、EMS、物料搬運(yùn)等多數(shù)下游機(jī)械行業(yè)均取得不錯(cuò)的發(fā)展。尤其在鋰電池、工業(yè)機(jī)器人、半導(dǎo)體、EMS等行業(yè)，歐美和日本運(yùn)動(dòng)控制廠商表現(xiàn)突出，擁有較強(qiáng)的綜合競爭優(yōu)勢。

由于運(yùn)動(dòng)控制的目標(biāo)，是要完成生產(chǎn)線流程制造產(chǎn)品，在中間的運(yùn)動(dòng)控制過程，其實(shí)并不是最最重要，反而是如何能正確實(shí)時(shí)的達(dá)到要求，才是最重要的功能；加上現(xiàn)在各種產(chǎn)品精細(xì)度要求愈來愈高，對制程要求也愈來愈嚴(yán)苛，而運(yùn)動(dòng)控制講究實(shí)時(shí)與精準(zhǔn)，要達(dá)到最佳化，就得整合各種相關(guān)技術(shù)，這樣的整合被視為難度最高的控制技術(shù)。

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

審核編輯：湯梓紅