在工控与自动化领域，你真的知道什么是运动控制吗？

作为一个工控人，时常会说到运动控制。那么，在工业控制与自动化领域中，运动控制到底指的是什么呢？

今天小编收集了一些资料，特地来分辨分辨运动控制指的到底是什么！

我们知道，控制里面主要分两个方向，一个是运动控制，通常用于机械领域；另一个就是过程控制，通常使用于化工领域。而运动控制指的是一种起源于早期的伺服系统，基于电动机的控制，以实现物体对角位移、转矩、转速等等物理量改变的控制。

电机控制与运动控制
在上面的定义中，有提到电机控制，但电机控制和运动控制是不同的。

从关注点来说，电机控制(这里指伺服电机）主要关注的是控制单个电机的转距、速度、位置中的一个或多个参数达到给定值。而运动控制主要关注点在于协调多个电机，完成指定的运动（合成轨迹、合成速度），比较着重轨迹规划、速度规划、运动学转换；比如数控机床里面要协调XYZ轴电机，完成插补动作。

电机控制常常作为运动控制系统的一个环节（通常是电流环，工作在力矩模式下），更着重于对电机的控制，一般包括位置控制、速度控制、转矩控制三个控制环，一般没有规划的能力（有部分驱动器有简单的位置和速度规划能力）；运动控制往往是针对产品而言的，包含机械、软件、电气等模块，例如机器人、无人机、运动平台等等，是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动的一种控制。

两者有部分内容是重合的：位置环/速度环/转距环可以在电机的驱动器中实现，也可以在运动控制器中实现，因此两个属于容易混淆。

基本架构组成

一个运动控制系统的基本架构组成包括：

运动控制器：用以生成轨迹点（期望输出）和闭合位置反馈环。许多控制器也可以在内部闭合一个速度环。

运动控制器主要分为三类，分别是PC-Based、专用控制器、PLC。其中PC-Based运动控制器在电子、EMS等行业被广泛应用；专用控制器的代表行业是风电、光伏、机器人、成型机械等等；PLC则在橡胶、汽车、冶金等行业备受青睐。

驱动或放大器：用以将来自运动控制器的控制信号（通常是速度或扭矩信号）转换为更高功率的电流或电压信号。更为先进的智能化驱动可以自身闭合位置环和速度环，以获得更精确的控制。

执行器：如液压泵、气缸、线性执行机或电机，用以输出运动。

反馈传感器：如光电编码器、旋转变压器或霍尔效应设备等，用以反馈执行器的位置到位置控制器，以实现和位置控制环的闭合。

众多机械部件用以将执行器的运动形式转换为期望的运动形式，它包括齿轮箱、轴、滚珠丝杠、齿形带、联轴器以及线性和旋转轴承。

从运动控制器看运动控制
熟悉西门子系统工程师都知道西家有两类运动控制器：SINUMERIK和SIMOTION，SINUMERIK针对数控领域，SIMOTION针对除数控领域的其他运动控制。下面借用西门子SIMOTION的一张PPT来阐释运动控制的意义，其中SINAMICS为电机伺服和矢量控制器，典型产品为S120，电机驱动为肌肉，运动控制就是大脑，这个比喻很恰当。



运动控制的出现更加促进机电控制的解决方案，比如以前凸轮和齿轮都需要机械结构实现，现在可以使用电子凸轮、电子齿轮来实现，消除了机械实现过程的回程、摩擦和磨损等。



成熟的运动控制产品不仅仅需要提供路径规划、前瞻控制、运动协调、插补、运动学正逆解和驱动电机的指令输出等，还需要具备工程配置软件（如SIMOTION的SCOUT）、语法解释器（不仅是指自己的语言，而且包括IEC-61131-3的PLC语言支持）、简单的PLC功能、PID控制算法实现、HMI交互接口、故障诊断接口，高级的运动控制器还能够实现安全控制等。其中工程配置环境软件常见的实现功能如下图，工程配置环境软件的友好程度和易用程度直接关系到应用工程师的接纳程度和过程，所以好的运动控制器，其配置环境肯定很友好，如TwinCAT3，直接集成在了VS中。



典型的运动控制器有自己的硬件平台和OS系统，如SIMITION的D445-2。硬件平台有采用单独的IPC，内部集成RTOS、SoftPLC和通讯软主站（如KUKA的KRC4），但也有采用x86+DSP或者arm+DSP（以前还有的架构是上位机+运动控制卡），其中PLC部分也有采用硬件实现的如西门子840D（如下图），但是现在西门子的架构可能已经发生变化。运动控制器的运动控制部分欧洲也有产商打包提供，如ISG。SoftPLC部分也有专业的提供商（3S的codesys和KW的ProConOS）。



OS部分负责系统内部任务执行流程的调度和异常管理，这个部分才能见识产商真正的能力，如下图为SIMOTION的任务执行流程。



运动控制之发展趋势

根据MarketsandMarkets发布的市场研究报告，2022年全球运动控制市场（包括零配件：交流电机、电机、运动控制器、交流驱动器、电子驱动器；应用：包装、材料处理、金属加工、转换、定位）预计将达到228.4亿美元，在2016年和2022年期间以5．5％的年复合增长率增长。

就运动控制器来说，随着行业应用的扩展，中国运动控制市场逐渐成熟，在机床、雕刻机、半导体、工业机器人、EMS、物料搬运等多数下游机械行业均取得不错的发展。尤其在锂电池、工业机器人、半导体、EMS等行业，欧美和日本运动控制厂商表现突出，拥有较强的综合竞争优势。

专用控制器在一段时间内仍将是工业机器人行业主要的运动控制器类型。半导体行业PC-Based运动控制市场发展稳定，增速在17%左右。物流行业对机器视觉功能的需求增加，导致PC-Based比例也逐步增加。在传统印刷机械上仍然以PLC运动控制器为主，PC-Based运动控制器的应用刚刚起步，在新兴的数码印刷机械上使用较多，未来将小幅增长。

由于运动控制的目标，是要完成生产线流程制造产品，在中间的运动控制过程，其实并不是最最重要，反而是如何能正确实时的达到要求，才是最重要的功能；加上现在各种产品精细度要求愈来愈高，对制程要求也愈来愈严苛，而运动控制讲究实时与精准，要达到最佳化，就得整合各种相关技术，这样的整合被视为难度最高的控制技术。

在中国，运动控制器厂商开始从单一的只提供运动控制器、伺服驱动、伺服电机和编码器等其中一种产品，再搭配其他厂商的驱动或者电机销售的形势，向寻找行业合作伙伴的形式转变。未来，预计越来越多的厂商会采取合作或者提供整体解决方案的方向发展。



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