博士后工作站/创新研发部
2023年08月
一
运动控制器的定义和分类
运动控制是指对机械运动部件的位置、速度、方向等进行实时控制，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数运动。运动控制系统一般由人机交互界面、运动控制器、驱动器、电机、传感器等部件构成，对机器人功能和性能起着决定性影响，应具有编程简单、人机交互友好、使用方便等特点。人机交互界面便于操作员将运动指令下达给控制器，监控系统的运动状态。控制器处于运动控制的最上层，即控制层，相当于运动控制系统的“大脑”。接收操作指令后进行运动轨迹规划，形成控制参数，向驱动器发送控制信号，同时监测电机和机械系统多种传感器传输的反馈信号并及时调整，保证运动控制系统能够正确运行。驱动器处于运动控制的中间层，即驱动层，相当于运动控制系统的“神经”。接受控制器发出的指令要求，将控制信号转变为电流和电压信号，驱动电机完成相应的动作要求。执行电机处于运动控制的最下层，即执行层，相当于运动控制系统的“手脚”，按所设定的力矩、速度、位置等指令信号完成相应的运动。控制器与驱动器是容易被混淆的两个概念。作为基于微处理器的设备，控制器具有生成脉冲宽度调制（PMW）波形的复杂算法，可以编程、存储和运行程序员提供的代码，包含的大量安全元件在组件发生故障时可以防止过载或停止运动控制。而驱动器专注于接收控制器输入的命令，负责功率晶体管的开关，产生满足命令要求的电流、电压。
运动控制器为运动控制系统的核心环节。从产业链角度来看，控制器上游包括电子元器件和五金结构件，电子元器件主要有IC类、电阻电容、端子插座、PCB板等，五金结构件主要有金属件、塑胶件等；中游是控制器本体制造；控制器下游应用广泛，前五大行业分别为工作机械、包装、纺织、工业机器人、半导体。控制器包括硬件结构和软件结构。随着技术的进步和完善，控制器的硬件结构从以单片机、微处理器或专用芯片作为核心处理器，发展到以DSP和FPGA作为核心处理器的通用开放式运动控制器。软件由控制算法和二次开发组成, 直接影响运动精度。根据平台不同，运动控制器可以分为PLC控制器（可编程控制逻辑控制器）、嵌入式控制器和PC-Based控制卡三大类。2020年，上述三类控制器在中国的市场份额分别为34.6％、37.8％和27.6％。三种控制器的主要对比如下：
相比于PLC控制器，PC-Based控制卡能够实现更为复杂的运动控制，价格比嵌入式控制器抵，且具备系统通用性强、可拓展性强的特点，正逐渐替代其他两种技术，成为发展最快的运动控制器。随着下游工业机器人、半导体等行业对运动控制要求的提高，PC-Based控制卡将迎来更为广阔的发展空间。
二
运动控制器的竞争格局
（一）工业机器人运动控制器
运动控制器本质上是一个数据处理器，核心在于算法要与机器人本体相匹配，国外主流工业机器人厂商的控制器均是在通用的多轴运动控制器平台基础上进行自主研发，以保证匹配性、稳定性和维护技术体系，但各机器人厂商的控制器无法兼容。相对于减速器而言，控制器市场集中度略低，市场份额基本和机器人本体保持一致，国外企业占据主导地位。2020年，以发那科、安川、库卡、ABB为代表的四大家族合计市场份额占有率达到50%以上，其中发那科占比16%，库卡占比14%，ABB占比12%，安川占比11%，国内控制器份额约为16%。
近年来，在国家产业政策的大力支持和引导之下，国产自动化设备替代进口设备的趋势明显，内资品牌不断加大投入，使得国内的运动控制技术研发、生产规模、产品综合性能都有较大提高，虽然尚未具备与欧美一流品牌展开全面竞争的实力，但已在部分细分产品和市场上表现出竞争优势，市场份额逐年扩大。例如，埃斯顿2017年初收购全球排名前十的运动控制品牌英国TRIO，埃夫特战略投资ROBOX并成立子公司瑞博思，汇川技术、广州数控、华中数控实现了控制器的自主研发。
随着未来国内制造业的转型升级、劳动力成本不断上升，工业机器人市场快速扩张，国内工业机器人控制器市场规模稳步增长，从2017年的10.5亿元上升至2021年的14.7亿元，复合增长率为8.8%，预计2022会达到16.2亿元，同比增长10.2%。
（二）通用运动控制器
专业的控制系统厂商单独生产通用运动控制器，提供可扩展和二次开发的硬件和软件平台。国外厂商有KEBA、贝加莱、倍福、泰道，虽然在中国市场份额占比不高，但定位于高端市场，可以获得高利润率；国内厂商有研华科技、固高科技、英威腾、雷赛智能、维宏电子等，定位于中低端市场。根据华经产业研究院的数据，2020年全球运动控制市场规模约为196亿美元，同比增长4.81%，预计2021至2025年，全球运动控制市场规模将保持5%的复合增长率。
在国内PLC控制器和嵌入式控制器市场，日本三菱、松下、西门子等外资品牌主要占据高端市场，中低端市场是完全市场化的竞争格局；在国内PC-Based控制卡市场，高端市场由美国泰道、翠欧等外资品牌占据，但国内品牌逐渐向中高端发力，外资品牌市场份额呈现萎缩态势。目前，以固高科技、雷赛智能、成都乐创、众为兴为代表的国内品牌占据了70%以上的市场份额。
三
国内外技术差距和未来发展趋势
（一）国内外技术差距
控制器的技术难度较低，是机器人行业中国内外技术差距最小的关键零部件。由于工业机器人运动控制精度在0.1 mm，相比于机床微米级别的控制精度有较为明显的差距，因此控制器对芯片要求不高。随着半导体技术的成熟，半导体芯片的性价比越来越高，因此控制器在硬件上并无太高门槛。国内企业开发的控制器产品在硬件方面基本可以满足需求，能够媲美国外产品。国内产品在开发平台的稳定性、响应速度、易用性等方面与国际先进水平相比有较大差距。一方面，国外品牌天然具有先发优势；另一方面，软件算法建立在对应用行业的深入理解之上，需要大量的经验积累，而国外品牌工业机器人占据市场主导地位，能够在更多高端的场景下进行开发试错，根据下游客户反馈的问题不断迭代优化算法。国内企业仍需提高品牌知名度、技术实力来打破外资主导的竞争格局。
（二）未来发展趋势
（1）标准化和开放化。现有的机器人控制器封闭构造，带来开放性、容错性、扩展性不足，缺乏网络功能等缺点，已不能适应智能化和柔性化要求。特别是对于人形机器人来说，高灵活性、智能化赋予了其在诸多场景应用的潜力，控制器开发的关键主要在于了解客户的应用场景。由于机器人对每个场景的学习和训练需要一定时间，单独一家厂商很难将人形机器人做到各个场景的通用。一种可能的解决方案是，厂商主要负责生产标准版的本体，控制部分为开源系统，通过二次开发支持多元化的应用场景。因此，开发模块化、标准化机器人控制器，各个层次对用户开放是机器人控制器的一个发展方向。
（2）网络化。随着设备自动化程度提高，自动化设备控制系统复杂度增加，运动轴数不断增多，对控制周期和控制精度要求更高。传统的脉冲或者模拟量控制方式已经无法满足要求。采用总线技术可实现分布式运动控制，接线简单且系统的可靠性、可维护性和可扩展性都得到了较大提升。以太网总线可实现高速远距离数据传输，多轴同步运动控制且控制周期更小、控制精度更高。
（3）实时性。特斯拉人形机器人共有40个自由度，包括28个一体化的伺服驱动单元（身体关节）和12个高灵敏度的手部关节。传感器众多，数据来源有多个口径，需要处理的数据庞大和复杂。对于这样一个复杂系统来说，算法要满足实时性的要求，传感器的数据也要同步采集，保证输入和输出始终处于一个节拍，才能保证机器人的运动性能。
（4）一体化。一体化是将控制器、驱动器、电机三个产品，集成为一个拥有“控制+驱动+电机”功能的产品，或“控制+驱动”、“驱动+电机”两两之间集成的一体化产品。运动控制系统一体化具有结构紧凑、出线简单、现场安装、布线和维护方便等优点，可提高运动控制系统的可靠性和自动化程度，有利于设备制造厂商减少线路干扰，并显著减少采购和管理操控成本。
然而，“控制+驱动”一体在人形机器人中很难实现。原因在于人形机器人伺服驱动器数量多，如果每个驱动器都配有控制器，机器人的体积会非常大。因此，人形机器人一般有一个独立于伺服系统的控制器，也被称作“上位机”，被放在头部或躯干中。
四
控制器相关支持政策
智能制造的实现与否依赖于工业自动化水平的高低，而运动控制技术作为工业自动化的核心技术之一，长期以来一直受到国家产业政策的鼓励和支持，主要的发展规划和产业政策如下：
2011年，《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南（2011）》鼓励发展先进制造业，促进工业自动化；鼓励开发高性能智能化控制器，智能化工业控制部件、控制器和执行机构，自动化测量仪表，工业无线控制、功能安全控制系统和设备；鼓励发展高精度数控机床及功能部件，开发中高档数控系统和数字伺服控制器。
2016年，《智能制造发展规划（2016-2020年）》提出，围绕感知、控制、决策和执行等智能功能的实现，针对智能制造关键技术装备、智能产品、重大成套装备、数字化车间/智能工厂的开发和应用，突破先进感知与测量、高精度运动控制、高可靠智能控制、建模与仿真、工业互联网安全等一批关键共性技术，研发智能制造相关的核心支撑软件，布局和积累一批核心知识产权，为实现制造装备和制造过程的智能化提供技术支撑。
2016年，《机器人产业发展规划（2016-2020年》要求，全面提升高精密减速器、高性能机器人专用伺服电机和驱动器、高速高性能控制器、传感器、末端执行器等五大关键零部件的质量稳定性和批量生产能力，突破技术壁垒，打破长期依赖进口的局面。
2021年，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》指出，重点研制分散式控制系统、可编程逻辑控制器、数据采集和视频监控系统等工业控制装备，突破先进控制器、高精度伺服驱动系统、高性能减速器等智能机器人关键技术。
2021年，《“十四五”智能制造发展规划》明确，大力发展智能制造装备。针对感知、控制、决策、执行等环节的短板弱项，加强用产学研联合创新，突破一批“卡脖子”基础零部件和装置。研发高端分布式控制系统、可编程逻辑控制器、监视控制和数据采集系统等工业控制装备。
2022年，《计量发展规划（2021-2035年）》要求，开展工业机器人机械系统、控制系统、驱动系统等关键计量测试技术研究，提升智能工业控制系统整体测量性能。
五
总结与建议
工业机器人行业经过几十年的发展，硬件进步速度已经大为减缓，主流厂家的硬件配置基本相同，控制系统在架构、控制、规划、工艺流程、人机交互等方面的革新成为了决定机器人性能和功能、定义机器人行为的主要因素。市场赢家依靠核心算法和完善的控制系统软件来获得产品差异化并创造价值。国内工业机器人产业起步较晚，缺乏对高性能机器人控制和整机产品研发有足够经验积累的团队和公司。国内机器人厂商的机会在于锂电、光伏以及协作机器人等尚未确立竞争格局的细分新兴领域，通过强化对客户生产工艺的理解，不断推进算法迭代的过程，在控制器细分行业的应用方面形成算法壁垒。可以重点关注掌握运动控制核心技术的本体领先企业，如埃斯顿、新时达、汇川技术。
工业机器人控制器和本体绑定效应强，对于单纯做运动控制的企业机会较小。人形机器人控制系统与工业机器人差别较大，未来进入量产阶段后，开发和供应模式尚不明确，预计运动控制会采用外部供应链。特斯拉人形机器人将进一步加快产业发展，可以重点关注禾川科技、英威腾、固高科技、雷赛智能等控制系统厂商。
参考文献
[1] 华泰证券《运动控制—机器人供应链关键环节》, 2022.
[2] 东吴证券《人形机器人迎产业化机遇，建议关注核心零部件环节》, 2022.
[3] 民生证券《人形机器人，开启新长征》, 2022.
注：以上内容不作为任何投资或建议，仅供参考。
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投资建议仅供参考，不作为决策依据
