运动控制系统是依照具体的运动轨迹要求，根据负载情况，通过驱动器、驱动执行电机完 成相应运动轨迹要求的系统。通常包括运动、驱动、执行器、运动反馈单元等。 运动控制系统是依照具体的运动轨迹要求，根据负载情况，通过驱动器、驱动执行电机完 成相应运动轨迹要求的系统。通常包括运动、驱动、执行器、运动反馈单元等。

　　运动控制系统经过多年发展，目前普遍以基于计算机的数字控制为基础，在云计算、工业 互联网、人工智能等新技术加持下，运动控制系统的智能化、柔性化、控制精度等各方面 能力均快速提升。

　　运动控制系统属于国家战略物资，对于数控机床、机器人及各类高端装备高质高小运行至 关重要，运动系统的智能化控制是装备领域和制造行业的核心技术，决定了装备的精度、 效率。

　　1.2 运动为运动控制开始，通用运动分为 PLC 、嵌入式、 PC-based 控制卡

　　运动由轨迹生成器、插补器、控制回路和步序发生器四部分构成。首先由轨迹生成 器计算出任务希望的理想轨迹，插补器根据位置或速度反馈单元的实际状态，按照轨迹生 成器的要求，计算出驱动单元下一步将要执行的命令，然后交由控制回路进行精确控制。 如果是步进电机，则还有一部分就是步序发生器，步序发生器根据控制回路控制指令进一 步生成控制相序和脉冲，达到控制运动对象的目的。

　　运动的硬件按照核心器件组成包括基于微处理器（MCU）、专用芯片（ASIC）、PC-Based、 数字信号处理芯片（DSP）、可编程逻辑（PLC）、多核处理器等。随着技术的进步和 完善，运动从以单片机、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。

　　根据平台不同，通用运动可以分为 PLC 、嵌入式和 PC-Based 控制卡 三大类。

　　伺服系统是一种能对机械运动按预定要求进行自动控制的系统，其作用是使输出的机械位 移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角），实现输出变量精确跟随或复现输入变量。

　　为实现高速度、高精度运动控制，伺服系统需对距离、位移、速度、加速度（力）、角度、 角速度、角加速度等参数进行检测，并通过实时监测实现闭环反馈，需要与传感器进行配 套使用。

　　常见传感器包括光栅尺（直线位移检测）、编码器（角位移检测）、激光雷达/视觉检测（距 离检测）、电阻应变式传感器（力矩检测）等。

　　2.1 工业机器人通常采用 PC 作为上位机完机交互/轨迹规划，基于 PLC 或 PC-Based 通过关节控制、位置控制、力控制实现运动控制

　　工业机器人广泛应用于工业自动化领域，控制系统是机器人的核心部分，其功能强弱、性 能优劣直接影响机器人的最终性能。通常采用 PC 上位机+专用运动的架构，以 PC 为上位机完机交互和运动轨迹规划，重点设计了基于DSP和FPGA的专用运动， 其中 DSP 完成机器人运动控制任务的调度，实现对机器人关节空间的实时控制，FPGA 则 用于控制系统所需各功能接口的设计。实现了直角坐标空间的机器人轨迹规划和速度控制， 具备直线和圆弧基本轨迹插补算法及 S 形曲线加减速算法，改善机器人前端运动的平稳性。

　　轨迹规划直接决定了机器人的运动方式。轨迹规划为基于工作任务和机器人性能，求解机 器人位姿等运动量关于时间的函数，输入为期望轨迹、运动学和动力学参数，输出机器人 各关节或末端执行器的运动量，包括位移、速度、加速度等的时间序列。 工业机器人机器人轨迹规划一般分为基本轨迹规划和最优轨迹规划，其中基本轨迹规划分 为笛卡尔空间规划和关节空间规划。

　　最优轨迹规划通常考虑效率、能量小号、平稳性等因素，找到每种工况环境需要的最优轨 迹规划方案： 1）时间最优规划：最常见的最优轨迹规划需求，通常通过运动学或动力学约束寻找最优 解；运用遗传算法等各种优化算法来求解最优解；将时间模型转化为其他更为通用的模型。 2）能量最优规划：一方面试图寻找出最平滑的轨迹来减少关节间的能量损耗，另一方面 也通过优化整个动力系统来达到能量分配最优。 3）冲击最优规划：旨在找到使机器人冲击最小的轨迹，其目的一方面是为了减小机器人 在运动过程中的冲击，在很大程度上可以减小轨迹跟踪的误差，另一方面可以大大减少机 器人因为冲击过大而产生的共振、抖动、机械磨损、使用寿命缩减等缺陷，使机器人能够 稳定平顺运行。 4）混合最优轨迹规划：综合考虑两种或以上最优性优化方案，其中时间-能量最优轨迹研 究开展时间最长，也是工业生产中要求最高的两项指标。 工业机器人根据不同的结构形态、用途、作业要求等不同有较多分类，但控制上以多轴实 时运动控制为主，基于关节控制、位置控制、力控制完成作业任务。

　　1）关节控制：关节控制为工业机器人最基础和核心的控制过程，单关节控制不考虑关节 之间的影响，机器人的机械惯性被当做扰动项来进行处理，通常通过电机实现驱动，由电 流检测、速度检测、位置检测构成闭环控制。

　　多关节控制在单关节的基础上要考虑关节之间的影响，通常将其他关节的对当前关节的影 响作为前馈项引入位置，从而构成多关节控制系统。

　　2）位置控制：工业机器人位置控制与关节空间轨迹有紧密联系，以六自由度工业机器人 为例，可通过笛卡尔位置控制由给定位置、关节空间位置转换、6 路单关节位置实 现工业机器人末端按照给定的位置和姿态运动。

　　3）力控制：采用力传感器获取笛卡尔坐标系中的力、力矩信息，力传感器 主要由力敏元件、信号采集电路、信号调理电路、信号解耦系统(硬件或软件解耦)、 上位机或嵌入式系统信息处理软件等构成。

　　力传感器广泛装配在机器人机械臂。在工业现场生产线中，将力传感器装载于小 型机械臂的前端或者机械手爪末端。协助机器人手臂实现力度的控制、轮廓追踪、孔位搜 索以及机械臂防碰撞等功能，保障机器人操作安全与功能实现。

　　以机械臂控制为例，每个关节均含有离合器、制动器、谐波减速器，以电机为动力源，经 齿轮组、减速器为关节提供动能，通过对关节速度、位置、力进行调节，完成多自由度旋 转运动。

　　人形机器人由于采用了“类人”腿部结构，步行状态下的运动控制系统属于非线性和强耦 合，人形机器人需保持步行稳定同时按照期望的轨迹行走，同时存在在地面不平整、路面 障碍物的干扰，控制难度较高。 根据《基于动作捕捉技术对仿人机器人运动学分析与仿真》信息，人形机器人下肢可简化 为 14 自由度系统，其中，髋关节为 3 个自由度，分别为横滚、俯仰和偏转，通过 1 个虎 克副和 1 个旋转副来连接；同样的传动方式也作用于踝关节的 3 个自由度，每个膝关节 1 个前向自由度，通过 1 个旋转副连接。

　　目前人形机器人的步态控制一种方式为基于具有反馈机制的控制回路 PID ，通过 PSO 计算进行控制优化。优化后可通过 Matlab 仿真对于控制系统的响应速度、机器人跟 踪路径是否有改善进行验证。

　　2.2.2 手臂控制：视觉前馈+逆运动学求解实现轨迹规划，“类人”属性对于冲击等指标要 求更高

　　以一个四自由度双臂人形机器人为例，其运动控制系统包含机械臂与伺服电机及， 机械臂在肩部含有两个自由度、肘部含有两个自由度。

　　机械臂控制类似工业机器人多关节控制，以肩关节作为坐标系原点，通过机器视觉确定机 械臂末端姿态与需要达到的定位，再通过逆运动学算法求解得到关节变量的解析解，最后 控制各关关节以“类人”姿态完成作业任务。

　　冲击（Jerk）为机器人运动过程中加速度的导数，代表力矩变化的快慢，冲击会产生振动、 过冲、机械磨损和寿命减少等问题。考虑人形机器人的机械臂有“类人”属性，在操作上 需要平稳地进行抓取和抬举物品，对于实现最小冲击要求更高。

　　人形机器人要实现“类人”行为，自由度相比工业机器人更高，传感器的应用也会明显增 加，例如需要引入视觉传感以实现与环境交互和空间定位（用于轨迹规划）。在工业机器 人应用中，轨迹规划的应用往往需要专业工程师通过编程处理，学习成本较高。考虑人形 机器人未来有消费级应用场景，轨迹规划必须通过软件进行封装，将功能集成并设计出可 视化界面，从而降低使用门槛。

　　根据 MARKETS AND MARKETS 数据，22 年全球运动控制市场空间 155 亿美元，预计到 27 年 达到 200 亿美元，期间复合增速 5.2%。增长主要来自于工业机器人需求持续增长、工业 4.0 持续发展等。

　　根据固高科技招股说明书数据，2019 年中国运动控制系统的总体市场规模为 425 亿元， 其中运动市场规模 85 亿元，伺服系统市场规模 340 亿元。

　　《“十四五”智能制造发展规划》明确提出，到 2025 年，我国的供给能力明显增强，智能 制造装备和工业软件技术水平和市场竞争力显著提升，国内市场满足率要分别超过 70%和 50%，未来运动控制市场有望保持高增长。

　　海外企业在产品丰富度、产品成熟度方面处于领先地位，以倍福（Beckhoff Automation） 为例，其 22 年全球销售额为 15.15 亿欧元，同比增长 28%，全球员工人数 5680 人。

　　倍福基于 PC 平台打造开放式自动化系统，产品包括工业 PC、I/O 和现场总线组件、驱动 技术、自动化软件、无控制柜自动化系统以及机器视觉硬件等，产品丰富度、成熟度较高。

　　通用市场分为 PLC 、专用、PC-based 控制卡等，外资品牌定位高端， 国内品牌在 PC-Based 控制卡市场形成一定突破： 1）PLC 和嵌入式市场，日本三菱、松下、西门子等外资品牌占据主要高端 市场，中低端市场是完全市场化的竞争格局； 2）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。 汇川技术、禾川科技等企业在伺服系统市场形成了突破，但仍有较大国产替代空间。

　　禾川科技是一家技术驱动的工业自动化控制核心部件及整体解决方案提供商，主要产品包 括伺服系统、PLC 等，其中伺服系统又分为伺服驱动器、伺服电机和伺服系统附件。目前， 产品已经覆盖了工业自动化领域的控制层、驱动层和执行传感层，并在近年沿产业链上下 游不断延伸，涉足上游的工控芯片、传感器和下游的高端精密数控机床等领域。

　　根据禾川科技公告，当前下游应用领域中光伏、锂电、激光、机器人等先进制造业占比 75%，木工、纺织、物流等传统制造业占比 25%。禾川科技下游客户资源优质，覆盖宁德 时代、隆基股份、捷佳伟创、先导智能等多家行业龙头企业。

　　禾川科技近年收入规模持续扩张，22 年达到 9.44 亿元，同比增长 25.66%。22 年利润同 比有所下降，主要由于客户在光伏、锂电等新能源行业上较为集中，为了快速进入市场， 在产品销售价格上有所降低，同时受上游原材料价格上涨及产品更新换代影响，产品毛利 率下降。伴随未来禾川科技产品在光伏、锂电行业销量大幅增加，业绩有望持续发力。

　　根据禾川科技招股说明书，IPO 公开发行 3776 万股，募集资金 8 亿元，将投入数字化工 厂项目、杭州研究院项目、营销服务网络建设项目等，以提高竞争力。其中，数字化工厂 项目将针对伺服驱动、伺服电机等产品进行产能扩产建设，突破现有产能瓶颈；杭州研究 院项目将协助完善研究开发和实验测试，持续进行新技术研究；营销网络建设项目将助力 拓宽覆盖区域以及渗透。