运动控制系统研究

运动控制;伺服系统，运动控制的目的是通过对电动机电压、电流、频率等输入电量的控制，改变工作机械的转矩、速度、位移等变量，使得工作机械按照预期的状态运行。

运动控制系统

• 运动控制概念
  • 概念：运动控制的目的是通过对电动机电压、电流、频率等输入电量的控制，改变工作机械的转矩、速度、位移等变量，使得工作机械按照预期的状态运行。
  • 控制类型
    • 离散控制
      • 对生产过程进行集中操作管理和分散控制，即对各部分工艺流程进行控制，并通过数据通信系统与中间进行联网操作，现在常说的运动控制系统发展是发源于离散控制。
    • 过程控制
      • 控制生产过程中的一些参数，如温度、压力、流量等，使之接近给定值或处于给定区间，确保整个生产流程的准确无误。
    • 间隙控制
      • 检测间隙状态，然后运用控制理论对被控物体进行控制，常用于电火花加工领域。
• 产业链构成
  • 上游
    • PCB板
    • IC芯片
    • 晶体管
    • 电容电阻
    • 模块
  • 中游
    • 运动控制器
      • 发挥大脑作用，进行运动轨迹规划并根据反馈信息实时调整
    • 伺服驱动器
      • 发挥神经系统作用，将控制器传来的弱电流放大为运行电机的强电流
    • 伺服电机
      • 发挥肌肉系统作用，提供动力带动机械运动
    • 编码器（传感）
      • 发挥感知系统作用，实时感知和反馈信息以完成自动化控制核心的闭环
  • 下游
    • 工业机器人
    • 机床
    • 半导体
    • 纺织机械
    • 包装机械
• 系统构成
  • 运动控制器 （大脑）
    • 分类
      • PLC（可编程逻辑控制器）
        • 定义：在可编程的存储器里存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数等指令，通过数字输入和输出操作，从而控制工作机械或生产过程的控制装置。
        • 特点：系统简单，可靠性强、体积小、环境适应性强，但不支持先进的、复杂算法，不能满足多轴联动等复杂的运动轨迹。
        • 应用场景：电梯、机床、纺织机械、包装机械、电子制造服务（EMS）
        • 代表企业：西门子在PLC运动控制领域遥遥领先，占比超过35%；其次是三菱（15.8%）、欧姆龙（13.1%）。
      • 专用控制器
        • 定义：计算机数字控制系统（CNC）,进一步细分为行业专用控制器和可编程自动控制器（PAC），其中行业专用控制器主要用于特定行业的专用控制；PAC指将控制功能集成在一个芯片上的单芯片微型计算机，属于比较低端的专用控制器。
        • 特点：集成度较高，一般满足某个特定行业使用，价格较高。
        • 应用场景：工业机器人、机床、工作机械、包装机械、半导体等。
        • 代表企业：外资品牌主要有发那科、西门子、三菱等（高端）；台湾品牌有新代、宝元等；本土品牌主要有北京凯恩帝、北航数控、广州数控、华中数控等（中高档）。其中，新代、宝元、凯恩帝占国内专用控制器市场的50%以上。
      • PC-Based（基于工业PC的）控制器
        • 定义：在控制方案中采用工业控制计算机作为控制核心，在其上添加采集板卡和其他输入输出板卡组成电控系统的方案。
        • 特点：提供底层函数的二次开发功能，客户可以选用PLC语言、C++、BASIC等电脑语言进行编程。PC-Based控制系统通用性强、可拓展性强，能够满足复杂运动的算法要求，抗干扰能力和开放性强。
        • 进一步分类
          • 运动控制卡
            • 插在工业控制计算机（IPC）上使用，通过IPC内的标准界面实现通信，优势在于低成本和良好的扩展性，但是由于需要和工业控制计算机组合使用，使得系统稳定性欠缺，不适合在强电、强辐射等恶劣环境使用。
          • 嵌入式运动控制器
            • 集成了运动控制器和工业控制计算机，体积小，并通过自带的接口连接伺服系统，可以独立使用，稳定性好。缺点是价格高、扩展性不足。
          • 软PLC
            • 完全以软件的形式在工业控制计算机系统上运行，通常以运动控制软件+工业计算机组合方式销售，价格较高。
        • PC-Based运动控制通信协议
          • 目前我国PC-Based运动控制器以脉冲型为主，随着制造升级，未来总线型运用越来越广。
          • 总线型运动控制器中Ethercat通信协议运用最广，占比将50%以上。其次主要有Profibus（13%）、CAN（12.8%）等。
        • 应用场景：广泛应用于工业机器人、半导体、包装机械、EMS等。
        • 代表企业：龙头企业主要有香港固高科技、德国倍福、台湾研华等，而倍福、罗克韦尔、西门子在软PLC领域实力突出。
    • 构成
      • 硬件
        • 即工业控制板卡，包括主控单元、信号处理等部分。
      • 软件
        • 即控制算法，在硬件的差异化不明显情况下，软件算法是关键。
  • 伺服系统 （中枢神经和动力系统）
    • 伺服驱动器
      • 主要功能是接受控制器信号指令，然后放大为功率信号，驱动电机工作，通常由位置控制单元、速度控制单元、驱动单元三部分构成。
    • 伺服电机
      • 在伺服系统中伺服电机可以控制速度，位置精度准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，是一种补助马达间接变速装置。
    • 编码器
      • 用来实时确定电机参数，然后通过编制、转换为用以存储、通讯和传输的信号，反馈给控制器从而形成闭环控制。
• 市场情况
  • 整体市场规模：运动控制技术是百亿美元的市场规模，壁垒高、市场集中度高，全球前十大品牌占据市场的65%以上，前三名分别是西门子（德）、三菱（日）、发那科（日）。
  • 运动控制器市场
    • PLC（可编程逻辑控制器）
      • 我国PLC市场整体规模超过百亿，其中约三分之一PLC用于运动控制，但随着运动控制要求的提升，用于运动控制的PLC占比将逐步下降，被PC-Based控制器取代。
    • 专用控制器
      • 2016年专用控制器的市场空间约为24亿元，其中工作机械占比约25%，随着工业机器人、半导体等行业的快速发展，专用控制器发展前景依然看好。
    • PC-Based（基于工业PC的）控制器
      • 我国PC-Based运动控制器超过30亿元，是三类运动控制器中增速最快的一类。
  • 伺服系统市场
    • 2016年，我国伺服系统市场规模超过140亿元，处于快速发展阶段。
    • 伺服系统主要被外资品牌垄断，其中日系品牌约占45%（松下、安川、三菱、三洋、欧姆龙等）、欧美品牌22%（西门子、博世、施耐德、罗克韦尔等）、台资品牌11%（台达、东元等）、大陆本土企业占比22%（汇川、埃斯顿等）。
    • 国产差距：以伺服电机为例，大功率产品缺乏、小型化不够、信号接插件不稳定、高精度的编码器缺乏等。
• 行业发展模式
  • 产品型：从核心部件商到运动控制解决方案（维宏股份）
  • 设备型：凭借运动控制技术供应整机设备（埃斯顿）
  • 平台型：打造工业控制整体解决方案平台