财经新闻网消息：
博士后工作站/创新研发部
2023 年 8 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指定的运动参数进行运动。 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、传感器等部件组成，它们对机器人的功能和性能起着决定性的作用。 它应具有编程简单、人机交互友好、使用方便等特点。 人机交互界面方便操作人员向控制器发出运动指令，监控系统的运动状态。 控制器处于运动控制的最顶层，即控制层，相当于运动控制系统的“大脑”。 接收到操作指令后，进行运动轨迹规划，形成控制参数，并向驱动器发送控制信号。 同时对电机和机械系统的各种传感器传输的反馈信号进行及时监测和调整，保证运动控制系统的正确运行。 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，将控制信号转换成电流、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底层，即执行层，相当于运动控制系统的“手脚”，根据设定的扭矩、速度、位置和完成相应的运动。其他命令信号。 控制器和驱动程序是两个很容易混淆的概念。 作为基于微处理器的设备，该控制器具有复杂的算法来生成脉宽调制 (PMW) 波形，可以编程、存储和运行编程器提供的代码，并包含许多安全元件，以防止在发生过载或失速时发生过载或失速。运动控制部件故障。 驱动器重点接收控制器输入的命令，负责开关功率晶体管，并产生满足命令要求的电流和电压。
运动控制器是运动控制系统的核心环节。 从产业链来看，控制器的上游包括电子元器件和硬件结构件。 电子元件主要包括IC、电阻电容、端子插座、PCB板等，五金结构件主要包括金属件和塑料件等； 中游是控制器本体的制造； 控制器下游应用广泛，排名前五的行业为机床、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，控制器的硬件结构已从以单片机、微处理器或专用芯片为核心处理器发展到以DSP、FPGA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，运动控制器可分为三类：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。 2020年，上述三类控制器在中国的市场份额将分别为34.6%、37.8%和27.6%。 三种控制器的主要对比如下：
与PLC控制器相比，PC-Based控制卡可以实现更复杂的运动控制，价格比嵌入式控制器低，并且具有系统通用性和可扩展性强的特点，正在逐步取代其他两种技术，成为增长最快的技术运动控制器。 随着下游工业机器人、半导体等行业对运动控制提出更高的要求，PC-Based控制卡将迎来更广阔的发展空间。
二
运动控制器的竞争格局
(1)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。 核心是算法必须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多轴运动控制器平台基础上自主研发，保证兼容性。 、稳定性和维护技术体系，但各机器人厂商的控制器不兼容。 与减速器相比，控制器的市场集中度略低，市场份额与机器人本体基本持平，国外企业占据主导地位。 2020年，以发那科、安川、库卡、ABB为代表的四大家族市场份额合计将达到50%以上，其中发那科占16%，库卡占14%，ABB占12%%，安川占11%，国产控制器份额约为16%。
近年来，在国家产业政策的大力支持和引导下，国产自动化设备替代进口设备的趋势明显，国产品牌不断加大投入，使得国内运动控制技术研发、生产规模、产品综合性能都比较大。 虽然尚不具备与欧美一流品牌全面竞争的实力，但在一些细分产品和市场上已展现出竞争优势，市场份额逐年扩大。 例如，2017年初，埃斯顿收购了排名全球前十的英国运动控制品牌TRIO。 Efort战略投资ROBOX，成立子公司Rebos。 汇川技术、广州数控、华中数控实现控制器自主研发。
随着未来国内制造业转型升级和劳动力成本上升，工业机器人市场规模迅速扩大，国内工业机器人控制器市场规模稳步增长，从2017年的10.5亿元增长到2021年的14.7亿元，复合增长率为8.8%，预计2022年将达到16.2亿元，同比增长10.2%。
(2) 通用运动控制器
专业控制系统厂商自主生产通用运动控制器，并提供可扩展和二次开发的软硬件平台。 国外厂商有KEBA、B&R、、等。 虽然他们在中国的市场份额不高，但定位于高端市场，可以获得较高的利润率； 智能、维宏电子等，定位于中低端市场。 据华晶产业研究院数据显示，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2021-2025年全球运动控制市场规模将保持5%的复合增长率。
国内PLC控制器和嵌入式控制器市场，三菱、松下、西门子等国外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； 国内PC-Based控制卡市场中，高端市场由泰道、翠欧等外资品牌占据市场，但国内品牌正逐步向中高端迈进，外资品牌的市场份额在不断提升。萎缩。 目前，以固高科技、雷赛智能、成都乐创、中微星为代表的国产品牌占据了70%以上的市场份额。
三
国内外技术差距及未来发展趋势
（一）国内外技术差距
控制器技术难度较低，是机器人行业中国外技术差距最小的关键部件。 由于工业机器人的运动控制精度为0.1毫米，与机床的微米级控制精度相比有明显差距，因此控制器对芯片的要求并不高。 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的门槛并不高。 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，可以与国外产品进行比较。 与国际先进水平相比，国内产品在开发平台的稳定性、响应速度、易用性等方面存在较大差距。 一方面，国外品牌天然具有先发优势； 另一方面，软件算法基于对应用行业的深刻理解，需要大量的经验积累，而国外品牌工业机器人在市场上占据主导地位，可以在更高端的领域进行开发试用和场景中的错误，并根据下游客户的反馈迭代优化算法。 国内企业仍需提高品牌意识和技术实力，打破外资主导的竞争格局。
（二）未来发展趋势
（一）标准化、开放性。 现有机器人控制器的封闭结构带来了缺乏开放性、容错性、可扩展性、缺乏网络功能等缺点，已经不能满足智能化和灵活性的要求。 尤其是仿人机器人，高度的灵活性和智能化赋予其在多种场景下的应用潜力。 控制器开发的关键是了解客户的应用场景。 由于机器人需要一定的时间来学习和训练每个场景，因此单个制造商很难制造出适用于每个场景的人形机器人。 一种可能的解决方案是，厂商主要负责生产本体的标准版本，控制部分是开源系统，通过二次开发支持多元化的应用场景。 因此，开发模块化、标准化的机器人控制器并向用户开放各个层次是机器人控制器的一个发展方向。
(2) 联网。 随着设备自动化程度的提高，自动化设备控制系统的复杂性增加，运动轴数量不断增加，对控制周期和控制精度的要求更高。 传统的脉冲或模拟控制方法已经不能满足要求。 采用总线技术可以实现分布式运动控制，接线简单，系统的可靠性、可维护性和可扩展性得到了很大的提高。 以太网总线可实现高速远距离数据传输、控制周期更短、控制精度更高的多轴同步运动控制。
(3)实时。 特斯拉人形机器人共有40个自由度，包括28个集成伺服驱动单元（身体关节）和12个高灵敏度手关节。 传感器数量多、数据源多，需要处理的数据庞大且复杂。 对于如此复杂的系统，算法必须满足实时性要求，传感器数据必须同步采集，保证输入和输出始终处于同一节拍，从而保证机器人的运动性能。
(4)整合。 集成化是将控制器、驱动器、电机三者产品集成为一个具有“控制+驱动+电机”功能的产品，或者是“控制+驱动”和“驱动+电机”两对集成的集成产品。 。 运动控制系统一体化具有结构紧凑、接线简单、现场安装、接线和维护等优点，可以提高运动控制系统的可靠性和自动化程度，帮助设备制造商减少线路干扰，大幅降低采购和管理运营成本。
然而，“控制+驱动”的一体化在仿人机器人中很难实现。 原因是仿人机器人拥有大量的伺服驱动器，如果每个驱动器都配备一个控制器，那么机器人的体积将会非常大。 因此，仿人机器人一般都有一个独立于伺服系统的控制器，也称为“主机”，放置在头部或躯干中。
四
控制器相关支持政策
智能制造的实现取决于工业自动化水平。 运动控制技术作为工业自动化的核心技术之一，长期以来受到国家产业政策的鼓励和支持。 主要发展规划和产业政策如下：
2011年，《高新技术产业化重点领域优先发展指导意见（2011年）》鼓励发展先进制造业，推进工业自动化； 鼓励发展高性能智能控制器、智能工业控制元件、控制器和执行器、自动测量仪表、工业无线控制、功能安全控制系统和装备； 鼓励发展高精度数控机床和功能部件，发展中高端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，围绕实现感知、控制、决策、执行等智能化功能，针对智能制造关键技术装备、智能产品、重大成套产品成套装备、数字化车间/智能工厂先进感知与测量、高精度运动控制、高可靠性智能控制、建模仿真、工业互联网安全等关键共性技术的开发与应用、核心配套的研发智能制造相关软件，布局和积累了多项核心知识产权，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）》要求高精度减速机、高性能机器人伺服电机及驱动器、高速高性能控制器、传感器、末端执行器得到全面改进。 产能稳定、规模化，突破技术壁垒，打破长期依赖进口。
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纲要和2035年远景目标纲要》指出，重点发展分布式控制系统、可编程逻辑控制器、数据采集和视频监控系统设备，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的突破。
2021年，《智能制造发展“十四五”规划》明确提出，大力发展智能制造装备。 针对感知、控制、决策、执行等环节短板，加强产学研联合创新，突破一批“卡脖子”的基础零部件和器件。 研发高端集散控制系统、可编程逻辑控制器、监测控制与数据采集系统等工业控制设备。
2022年，《测量发展规划（2021-2035年）》要求研究工业机器人机械系统、控制系统、驱动系统等关键测量测试技术，提升智能工业控制系统整体测量性能。
五
总结和建议
工业机器人行业经过几十年的发展，硬件进步的速度已经大大放缓。 主流厂商的硬件配置基本相同。 控制系统在架构、控制、规划、流程、人机交互等方面的创新成为决定机器人性能的关键因素。 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复杂的控制系统软件来实现产品差异化并创造价值。 国内工业机器人产业起步较晚，缺乏在高性能机器人控制和整机产品研发方面有足够经验的团队和企业。 国内机器人厂商的机会在于锂电池、光伏、协作机器人等尚未形成竞争格局的细分新兴领域。 通过加强对客户生产流程的理解，不断推进算法迭代的过程，形成算法在控制器细分行业的应用。 障碍。 可以重点关注掌握运动控制核心技术的本体龙头企业，如埃斯顿、新思达、汇川技术等。
工业机器人控制器与主体的绑定作用较强，只做运动控制的企业机会较小。 仿人机器人的控制系统与工业机器人有很大不同。 未来进入量产阶段后，开发和供应模式仍不明朗。 预计运动控制将采用外部供应链。 特斯拉人形机器人将进一步加速产业发展，可重点关注合川科技、英威腾、固高科技、雷赛智能等控制系统厂商。
参考
[1]华泰证券《运动控制——机器人供应链关键环节》，2022年。
[2]东吴证券《人形机器人迎产业化机遇，建议重点关注核心零部件》，2022年。
[3]民生证券《人形机器人，开启新长征》，2022年。
注：以上内容不构成任何投资或建议，仅供参考。
▽
投资建议仅供参考，不作为决策依据
海量信息，精准解读，尽在新浪财经APP
免责声明 ① 本网所刊登文章均来自网络转载;文章观点不代表本网立场,其真实性由作者或稿源方负责 ② 如果您对稿件和图片等有版权及其他争议,请及时与我们联系,我们将核实情况后进行相关删除 ③ 联系邮箱:215858170@qq.com
Copyright © 2017-2018