高端裝備的大腦，工業(yè)控制的核心：我國運(yùn)動控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和前景

高端裝備的大腦，工業(yè)控制的核心。運(yùn)動控制系統(tǒng)作為一項(xiàng)核心技術(shù)，是很多高端裝備的關(guān)鍵部件。根據(jù) IHS 數(shù)據(jù)，2016 年全球運(yùn)動控制市場規(guī)模達(dá)到 108 億美元，西門子、三菱、發(fā)那科占據(jù)榜單前三。

一、 前言 我國工業(yè)自動化近年來取得了一系列令人歡欣鼓舞的成就：核心裝備如工業(yè)機(jī)器人和激光裝備高速增長；核心零部件如精密減速器、光纖激光器等不斷突破。然而，我國科技業(yè)一直偏向技術(shù)運(yùn)用，基礎(chǔ)研究重視程度不夠。隨著實(shí)力的提升，高端制造業(yè)全球化競爭局面愈加激烈，基礎(chǔ)技術(shù)的比拼愈發(fā)重要，基礎(chǔ)技術(shù)在下一階段將被越來越多的公司所重視，其中，運(yùn)動控制系統(tǒng)便是關(guān)鍵技術(shù)之一。

運(yùn)動控制系統(tǒng)作為一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)，是工業(yè)自動化升級改造的核心環(huán)節(jié)。無論是機(jī)床行業(yè)、機(jī)器人行業(yè)、半導(dǎo)體行業(yè)、紡織機(jī)械、包裝機(jī)械等，均需要精度高、可拓展性強(qiáng)的運(yùn)動控制系統(tǒng)予以有力的支持。由于工業(yè)自動化技術(shù)自海外引進(jìn)，因而海外巨頭一直處于領(lǐng)先優(yōu)勢。但令人欣慰的是，國內(nèi)企業(yè)正奮起追趕，在運(yùn)動控制系統(tǒng)中的核心環(huán)節(jié)控制器和伺服系統(tǒng)技術(shù)的研發(fā)中不斷取得新成就。

本文將從運(yùn)動控制技術(shù)的兩個核心部件控制器和伺服系統(tǒng)展開，全面分析我國運(yùn)動控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和未來前景。我們期待市場，以及越來越多的上市公司關(guān)注和重視運(yùn)動控制技術(shù)，致力于提升我國制造業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)，為機(jī)床、機(jī)器人、半導(dǎo)體、鋰電等行業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)更多的力量。

二、 運(yùn)動控制，智能制造的核心系統(tǒng) 工業(yè)過程大致分為連續(xù)過程工業(yè)、離散過程工業(yè)、間隙過程工業(yè)三大類，隨著工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展，三類工業(yè)過程衍生出過程控制、離散控制和間隙控制。 過程控制指控制生產(chǎn)過程中的一些參量如溫度、壓力、流量等，使之接近給定值或處于給定區(qū)間，確保整個生產(chǎn)流程的準(zhǔn)確無誤，主要用于石油、化工等領(lǐng)域。 間隙控制指檢測間隙狀態(tài)，然后運(yùn)用控制理論對被控物體進(jìn)行控制，常用于電火花加工領(lǐng)域。

離散控制系統(tǒng)是對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中操作管理和分散控制，即對各分部工藝流程進(jìn)行控制，幵通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)與中間進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)操作，因而又稱其為集散控制系統(tǒng)。 運(yùn)動控制系統(tǒng)發(fā)展源于集散控制系統(tǒng)，通過控制電機(jī)（一臺或者多臺），使之按照給定運(yùn)動軌跡和參數(shù)運(yùn)動，完成高速、高精度的生產(chǎn)過程，在機(jī)械制造領(lǐng)域運(yùn)用較廣。

運(yùn)動控制的目的是通過對電動機(jī)電壓、電流、頻率等輸入電量的控制，改變工作機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移等變量，使得工作機(jī)械按照人們的期望運(yùn)行。運(yùn)動控制系統(tǒng)一般由控制器、功率放大器與變換裝置(通常是驅(qū)動器)、電動機(jī)、負(fù)載，及相關(guān)的傳感器等極成?？刂破飨逻_(dá)指令，通過驅(qū)動器轉(zhuǎn)化為 能夠運(yùn)行電機(jī)的電流，驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動工作機(jī)械運(yùn)行，同時，電機(jī)上的傳感器經(jīng)過信號處理將電機(jī)的實(shí)時信息反饋給控制器，控制器實(shí)時調(diào)整，從而保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

運(yùn)動控制上游包括各類電子元器件，如 PCB 面板、IC 芯片、晶體管、電阷電容等，中游核心部件包含如運(yùn)動控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)等，下游運(yùn)用于工業(yè)機(jī)器人、半導(dǎo)體、機(jī)床等各行各業(yè)。

目前大多數(shù)場景下的運(yùn)動控制屬于閉環(huán)控制，具備實(shí)時反饋功能，各個部件發(fā)揮重要作用。其中控制器發(fā)揮大腦的作用，進(jìn)行運(yùn)動軌跡規(guī)劃幵根據(jù)反饋信息實(shí)時調(diào)整；驅(qū)動器類似于人的神經(jīng)系統(tǒng)， 將控制器傳送來的弱電流放大為運(yùn)行電機(jī)的強(qiáng)電流；電機(jī)類似于人的肌肉系統(tǒng)，提供源源不斷的動力帶動機(jī)械工作；各類傳感器實(shí)時反饋以完成自動化控制核心的閉環(huán)環(huán)節(jié)，極建成完整的控制系統(tǒng)。

拆解來看，運(yùn)動控制系統(tǒng)可分為兩個層次的閉環(huán)系統(tǒng)，這也是運(yùn)動控制中技術(shù)壁壘最高的兩個環(huán)節(jié)。一個閉環(huán)系統(tǒng)是作為執(zhí)行機(jī)極的伺服系統(tǒng)，包括伺服驅(qū)動器和電機(jī)，該部分要求伺服系統(tǒng)能夠精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、相位等運(yùn)動參數(shù)，是一種線性的控制，是一個通用環(huán)節(jié)；事是整體的運(yùn)動控制系統(tǒng)，該部分要求運(yùn)動控制器可以按照程序向多臺電機(jī)發(fā)出運(yùn)動指令，也是一個閉環(huán)結(jié)構(gòu)，該環(huán)節(jié)既可以是通用的，也可以是專用的。運(yùn)動控制器和伺服系統(tǒng)是運(yùn)動控制系統(tǒng)中最重要的兩部分，兩類產(chǎn)品既可以由一家企業(yè)集中供應(yīng)，也可以分開采購。

運(yùn)動控制技術(shù)的發(fā)展起源于工業(yè)革命后，由人類對蒸汽機(jī)、電動機(jī)等各類機(jī)械力精確控制的想法衍生而來，如精確的控制機(jī)械鉆孔、切割等流程，隨著控制技術(shù)的不斷提升，人們不僅能夠控制單臺電機(jī)，而且掌握了控制多臺電機(jī)的能力，運(yùn)動控制技術(shù)也得到了更大范圍的運(yùn)用。早期運(yùn)動控制主要用于數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域，對應(yīng)的數(shù)控裝置被稱為數(shù)控系統(tǒng)。

隨著非機(jī)床行業(yè)的發(fā)展，運(yùn)動控制走進(jìn)了更多行業(yè)，包括裝備制造、印刷、包裝、紡織、半導(dǎo)體制造、自動化生產(chǎn)線等。 根據(jù) IHS 統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2016 年全球運(yùn)動控制市場總規(guī)模達(dá)到 108 億美元，包含運(yùn)動控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)等。運(yùn)動控制技術(shù)壁壘高，是一個市場集中度較高的環(huán)節(jié)，全球前十大品牌市場份額占據(jù)總體市場的 65%，前三名企業(yè)分別是西門子、三菱和發(fā)那科。

IHS 同時估計，2016 年-2021 年，全球運(yùn)動控制市場將保持 4.4%的復(fù)合增長率，到 2021 年全球規(guī)模將超過 134 億美元。作為各類設(shè)備的大腦，運(yùn)動控制系統(tǒng)決定了設(shè)備的精度、效率，是不同品牌設(shè)備形成差異化的重要環(huán)節(jié)。

三、 運(yùn)動控制器，運(yùn)動控制的大腦 1 、三類運(yùn)動控制器各具優(yōu)勢 運(yùn)動控制器作為運(yùn)動控制的大腦，對于運(yùn)動控制系統(tǒng)的重要性不言而喻?？刂破饔?a target="_blank">硬件和軟件兩部分集成，硬件即工業(yè)控制板卡，包括主控單元、信號處理等部分，軟件是控制算法。硬件部分的制造一般從市場上采購各類通用元器件，然后組裝加工得到；基于硬件的架極，將軟件算法集成其中， 形成最終的運(yùn)動控制器。硬件的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)，算法的優(yōu)劣，共同決定了運(yùn)動控制器的精度、效率；在硬件的差異化不明顯的情況下，軟件算法是關(guān)鍵。

以工業(yè)機(jī)器人為例，運(yùn)動控制功能主要集成在運(yùn)動控制卡上，運(yùn)動控制卡一方面可以與通用 I/O 接口、擴(kuò)展模塊、伺服驅(qū)動相連接，從而滿足控制單臺工業(yè)機(jī)器人的功能；另一方面，運(yùn)動控制卡與其他功能器件如編程示教盒、機(jī)器視覺、AD/DA 采集卡等其他模塊通過通信接口與工控機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)硬件和軟件，共同組成全套的控制系統(tǒng)。

目前運(yùn)動控制器主要分為三類：PC-Based 運(yùn)動控制器(基于工業(yè) PC 的控制器)、專用控制器、PLC(可編程邏輯控制器)。我們根據(jù)《伺服與運(yùn)動控制》和睿工業(yè)數(shù)據(jù)測算，2016 年我國運(yùn)動控制市場規(guī)模達(dá)到 62.46 億元，同比增長 8.7%，預(yù)計到 2020 年市場規(guī)模接近 90 億元。細(xì)分到具體產(chǎn)品中， 目前三種類型的控制器差不多三分天下，2016 年 PC-Based、專用控制器、PLC 控制器占比分別為32%、39%、29%。

三類運(yùn)動控制器下游運(yùn)用有一定差別。PC-Based 運(yùn)動控制器主要運(yùn)用于半導(dǎo)體、機(jī)器人、包裝機(jī)械、EMS(電子制造服務(wù))等行業(yè)，專用控制器運(yùn)用于機(jī)床、機(jī)器人、包裝機(jī)械等行業(yè)，PLC 在紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、EMS 等行業(yè)運(yùn)用較多。

由于三類工業(yè)自動化控制均需要使用控制器，所以不是所有的控制器均用于運(yùn)動控制，根據(jù)《伺服與運(yùn)動控制》數(shù)據(jù)，2015 年 PC-Based 控制器、專用控制器、PLC 用于運(yùn)動控制的比重分別是 46%、 83%和 34%。在一些行業(yè)中，專用控制器或者 PC-Based 正逐步替代 PLC，如專用控制器在傳統(tǒng)切削機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展較快，PC-Based 控制器在雕刻機(jī)、半導(dǎo)體、物流、激光加工行業(yè)增長較快。預(yù)計到 2020 年，PC-Based 控制器、專用控制器、PLC 用于運(yùn)動控制的比重分別達(dá)到59%(+13%)、92%(+9%)、27%(-7%)，PC-Based 控制器用于運(yùn)動控制的比例顯著提升。

2016 年我國運(yùn)動控制器市場份額上，西門子、新代、寶元占據(jù)榜單前三，西門子在 PLC 運(yùn)動控制領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先，新代、寶元是專用數(shù)控系統(tǒng)的領(lǐng)頭羊，研華、固高在 PC-Based 運(yùn)動控制器進(jìn)步迅速。

2 、PLC 控制器，基礎(chǔ)運(yùn)動控制的利器 PLC 中文翻譯為可編程邏輯控制器，指在可編程的存儲器里存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)等指令，通過數(shù)字輸入和輸出操作，從而控制工作機(jī)械或生產(chǎn)過程的控制裝置。PLC 發(fā)明時間較早，早期用于開關(guān)量邏輯控制、工業(yè)過程控制和數(shù)據(jù)處理，隨著性能的不斷完善，部分 PLC 開始用于運(yùn)動控制系統(tǒng)。由于 PLC 控制器系統(tǒng)可靠性高、體積小、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，在一些對算法要求不高的基礎(chǔ)運(yùn)動控制領(lǐng)域占據(jù)了一席之地。

PLC 產(chǎn)品整體市場龐大，根據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數(shù)據(jù)，2016 年我國 PLC 市場規(guī)模 73 億元，預(yù)計到2020 年整體市場接近 100 億元。在全部市場中，約三分之一 PLC 用于運(yùn)動控制，下游領(lǐng)域包括紡織、包裝、EMS、半導(dǎo)體等行業(yè)。然而，隨著運(yùn)動控制要求的提升，越來越多領(lǐng)域的 PLC 運(yùn)動控制器將被 PC-Based 控制器所取代，用于運(yùn)動控制的 PLC 占比將逐步下滑。

目前我國 PLC 運(yùn)動控制器市場中，外資品牌占據(jù)絕對優(yōu)勢。西門子一家獨(dú)大，占有市場超過 35%的份額，緊隨其后的三菱和歐姆龍分別占比 15.8%和 13.1%。國內(nèi)企業(yè)在 PLC 運(yùn)動控制器領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間。

3、專用控制器，特定行業(yè)特定運(yùn)用的控制器 專用控制器早期主要用于機(jī)床領(lǐng)域，被稱作計算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)（CNC），隨后在包裝機(jī)械、紡織機(jī)械、機(jī)器人等行業(yè)大范圍使用。專用控制器可以細(xì)分為行業(yè)專用控制器和可編程自動控制器（PAC）：行業(yè)專用控制器主要用于特定行業(yè)如機(jī)器人專用控制器、紡織機(jī)械專用控制器；PAC 指將控制功能集成在一個芯片上的單芯片微型計算機(jī)，屬于比較低端一些的專用控制器。

其中行業(yè)專用控制器市場規(guī)模占絕對優(yōu)勢，專用控制器高度集成，特定控制器只能滿足特定行業(yè)專用，性能穩(wěn)定，價格較高。 2016 年用于運(yùn)動控制的專用控制器市場空間約為 24.17 億元，其主要下游領(lǐng)域包括工作機(jī)械（機(jī)床、沖床類產(chǎn)品）、工業(yè)機(jī)器人、包裝機(jī)械、紡織機(jī)械、半導(dǎo)體等。2016 年工作機(jī)械占據(jù)市場 24.9%的份額，成為最主要的下游運(yùn)用。隨著工業(yè)機(jī)器人、半導(dǎo)體等行業(yè)的快速發(fā)展，專用控制器發(fā)展前景依然看好。

目前我國專用控制器生產(chǎn)企業(yè)包括外資品牌發(fā)那科、西門子、三菱等，臺灣地區(qū)廠家新代、寶元等， 本土品牌有凱恩帝、北航數(shù)控、廣州數(shù)控、華中數(shù)控等。其中高檔數(shù)控系統(tǒng)主要被西門子、發(fā)那科壟斷，中高檔、經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)被國內(nèi)企業(yè)攻占，市占率保持高位。根據(jù)《伺服與運(yùn)動控制》數(shù)據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)競爭格局比較集中，2016 年新代、寶元、凱恩帝占據(jù)國內(nèi)市場超過 50%的份額。

4、PC-Based，發(fā)展最快的運(yùn)動控制器 PC-Based 運(yùn)動控制器價格比傳統(tǒng)的專用控制器優(yōu)惠，功能上比 PLC 能夠?qū)崿F(xiàn)更為復(fù)雜的運(yùn)動控制；此外，PC-Based 提供底層函數(shù)的事次開發(fā)功能，客戶尤其是 OEM 廠商可以選用 PLC 語言、C++、BASIC 等電腦語言進(jìn)行編程。在很多領(lǐng)域，PC-Based 正逐步替代 PLC 控制器。 PC-Based 運(yùn)動控制器可以進(jìn)一步分為運(yùn)動控制卡、嵌入式運(yùn)動控制器、軟 PLC 三類。

運(yùn)動控制卡需要插在工業(yè)控制計算機(jī)（IPC）上使用，優(yōu)勢在于低成本和良好的擴(kuò)展性，但是由于 需要和 IPC 組合起來使用，系統(tǒng)穩(wěn)定性欠缺，不適合在強(qiáng)電、強(qiáng)輻射等惡劣環(huán)境使用。 嵌入式運(yùn)動控制器集成了運(yùn)動控制器和 IPC，體積縮小，幵通過自帶的接口連接伺服系統(tǒng)，可以獨(dú)立使用，穩(wěn)定性更佳。嵌入式運(yùn)動控制器缺點(diǎn)是價格比運(yùn)動控制卡更高，同時擴(kuò)展性方面不夠。 軟 PLC 完全以軟件的形式在計算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行，通常以運(yùn)動控制軟件+工業(yè)計算機(jī)組合的方式銷售，價格較高。

PC-Based 運(yùn)動控制器產(chǎn)品下游運(yùn)用廣泛，包括工業(yè)機(jī)器人、半導(dǎo)體、包裝機(jī)械、EMS 等。2016 年，PC-Based 運(yùn)動控制器下游中半導(dǎo)體、包裝機(jī)械、工業(yè)機(jī)器人占比超過 10%，成為最主要的運(yùn)用領(lǐng)域。睿工業(yè)測算，2016 年我國 PC-Based 運(yùn)動控制器市場規(guī)模達(dá)到 19.80 億元，預(yù)計到 2020 年，市場規(guī)模超過 32.63 億元，4 年復(fù)合增長率 13.3%，是三類運(yùn)動控制器中增速最快的一類。

從通信協(xié)議來看，目前我國 PC-Based 運(yùn)動控制器主要以脈沖型為主，總線型主要用于機(jī)器人、半導(dǎo)體和激光等行業(yè)，隨著制造升級，未來總線型運(yùn)用越來越廣。睿工業(yè)測算，2016 年 PC-Based 總線型運(yùn)動控制器占比有望從 41.8%提升到 65.1%，成為最主要的運(yùn)動控制產(chǎn)品。總線型運(yùn)動控制器中，Ethercat 通信協(xié)議運(yùn)用最廣，2016 年 Ethercat 通信協(xié)議已經(jīng)達(dá)到 34.6%，憑借 Ethercat 通信協(xié)議良好的開放性和合理的價格，以及更加迅速的通信速度，未來有望占據(jù)市場過半的份額。

四、 伺服系統(tǒng)，運(yùn)動控制的中樞神經(jīng)和動力系統(tǒng)

1、伺服系統(tǒng)，國產(chǎn)品牌加速替代 伺服意義為“跟隨”，指按照指令信號做出位置、速度或轉(zhuǎn)矩的跟隨控制。伺服系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器、編碼器三部分組成。伺服驅(qū)動器接受運(yùn)動控制器發(fā)送的信號，然后轉(zhuǎn)換為功率信號， 即能夠控制電機(jī)的電流，驅(qū)動電機(jī)工作，編碼器作為核心傳感器將電機(jī)實(shí)時位置傳送回控制器，控制器及時修正信號指令，確定電機(jī)位置、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速滿足預(yù)定要求。

伺服電機(jī)：工業(yè)生產(chǎn)流程每個環(huán)節(jié)會被布置多個電機(jī)。電機(jī)目前主要分為交流電機(jī)和直流電機(jī)兩類。直流電機(jī)功率大、調(diào)速特性平滑、調(diào)速范圍寬廣，但是關(guān)鍵部件電刷容易損壞；交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，沒有電刷，后期維護(hù)方便。在實(shí)際運(yùn)用中，交流電機(jī)越來越受到歡迎。

伺服驅(qū)動器：伺服驅(qū)動器主要接受控制器信號指令，然后放大為功率信號，驅(qū)動電機(jī)工作。伺服驅(qū)動器由位置控制單元、速度控制單元和驅(qū)動單元三部分極成。

編碼器：為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，在電機(jī)輸出軸同軸裝上編碼器，電機(jī)與編碼器同步旋轉(zhuǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈編碼器也轉(zhuǎn)一圈，轉(zhuǎn)動的同時將編碼信號送回控制器，控制器根據(jù)編碼信號判斷伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、位置是否正確，據(jù)此調(diào)整驅(qū)動器輸出電源頻率及電流大小。

伺服系統(tǒng)是通用設(shè)備，在工業(yè)自動化中發(fā)揮重要作用，除了工業(yè)機(jī)器人外，在電力、鋼鐵、煉化、石油、化工、造紙等行業(yè)均有廣泛運(yùn)用。根據(jù)前瞻研究院數(shù)據(jù)，2017 年全球伺服系統(tǒng)(包括伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)和編碼器)超過 3424 萬套，預(yù)計到 2021 年將出貨 4300 萬套。同時前瞻研究院測算，2016 年我國伺服系統(tǒng)市場規(guī)模 140 億元，同比增長 40%，我國伺服行業(yè)處于快速發(fā)展階段。

目前伺服系統(tǒng)主要被外資品牌壟斷，其中日系品牌約占 45%，歐美品牌 22%，臺資品牌 11%，大陸本土企業(yè) 22%。日系企業(yè)包括松下、安川、三菱、三洋等公司，主要是小型功率和中型功率產(chǎn)品；歐美系品牌包括西門子、単世力士樂、施耐德等公司，在大型伺服具有優(yōu)勢地位；臺資品牌主要是臺達(dá)，國產(chǎn)品牌主要包括匯川、埃斯頓等公司，主要做中小型伺服系統(tǒng)。

伴隨著我國的工業(yè)自動化進(jìn)程，國內(nèi)逐步崛起了一批國產(chǎn)伺服企業(yè)，包括匯川技術(shù)、英威騰、埃斯頓、華中數(shù)控等，這些公司從各自領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，逐步取得進(jìn)步。

整體上看，我國伺服系統(tǒng)與日系和歐美品牌依然存在差距。以伺服電機(jī)為例，主要表現(xiàn)為：大功率產(chǎn)品缺乏、小型化不夠、信號接插件不穩(wěn)定、高精度的編碼器缺乏，這些也是國內(nèi)伺服系統(tǒng)未來要攻占的主要方向。

2、編碼器，伺服系統(tǒng)不可忽視的關(guān)鍵部件 編碼器是伺服系統(tǒng)中的重要部件，用來實(shí)時確定電機(jī)參數(shù)，編碼器跟隨電機(jī)共同旋轉(zhuǎn)從而準(zhǔn)確獲取電機(jī)參數(shù)，然后通過編制、轉(zhuǎn)換為用以存儲、通訊和傳輸?shù)男盘枺答伣o控制器從而形成閉環(huán)控制。 按照信號輸送方式的不同，編碼器分為增量型編碼器和絕對值編碼器。增量型編碼器通過記彔旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的累加值確定電機(jī)位置，絕對值編碼器可以直接輸出位置的數(shù)字量，增量型編碼器價格便宜， 使用領(lǐng)域較廣，絕對值編碼器價格昂貴，但是數(shù)據(jù)可靠性和抗干擾性更強(qiáng)。

通常檢測電機(jī)的位置并不復(fù)雜，但是很多電機(jī)運(yùn)行環(huán)境惡劣，對于編碼器精度、分辨率、牢固性以及成本等方面提出諸多要求。目前我國編碼器市場行業(yè)前三海德漢、多摩川、禹衡占據(jù)了 50%的份額。下游行業(yè)運(yùn)用中，電梯一直是編碼器運(yùn)用最廣的行業(yè)，占比 25.9%的下游份額，其次分別是機(jī)床(6.3%)、紡織機(jī)械(4.1%)、包裝機(jī)械(3.3%)，預(yù)計未來工業(yè)機(jī)器人和電子設(shè)備制造行業(yè)運(yùn)用編碼器的比重將逐步提升。

五、 四大家族的啟示：運(yùn)動控制技術(shù)是核心競爭力 前文對運(yùn)動控制系統(tǒng)的基本情況作了介紹。對于智能裝備生產(chǎn)制造企業(yè)而言，掌握運(yùn)動控制的核心技術(shù)，非常有利于形成自身的競爭力，這個觀點(diǎn)從很多知名企業(yè)的發(fā)展歷史中也能得到佐證。以工業(yè)機(jī)器人行業(yè)為例，工業(yè)機(jī)器人“四大家族”的發(fā)那科、ABB、安川、庫卡，都在運(yùn)動控制方面有深厚積累。

發(fā)那科成立之初，就從亊數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，是最典型的起家于運(yùn)動控制的機(jī)器人公司。早在 1971 年，發(fā)那科就是全球最大的專業(yè)數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商，占據(jù)著全球 70%的市場份額?；谠鷮?shí)的數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)技術(shù)，1974 年開始推出工業(yè)機(jī)器人，公司具備核心技術(shù)，機(jī)器人性能卓越。到 2017年，發(fā)那科機(jī)器人全球銷量超過 50 萬臺，成為全球第一品牌。

安川機(jī)器人的崛起，更是基于其在伺服電機(jī)方面的優(yōu)勢。安川成立于 1915 年，自創(chuàng)始至今，一直深耕電機(jī)市場。1958 年發(fā)明了 DC 伺服電機(jī)， 1977 年推出日本首臺全電動型工業(yè)機(jī)器人MOTOMAN-L10。由于公司伺服電機(jī)性能全球領(lǐng)先，因而配備控制器之后，產(chǎn)品性能得到市場認(rèn)可，早在 2008 年 MOTOMAN 累計出貨超過 20 萬臺。

ABB 由 ASEA 和 BBC 兩家公司合幵而來。ASEA 早期從亊照明電器和發(fā)電機(jī)業(yè)務(wù)，隨后發(fā)明了發(fā)電機(jī)、變壓器和電機(jī)使用的三相系統(tǒng)，1978 年推出自主品牌的工業(yè)機(jī)器人。BBC 公司早期負(fù)責(zé)輸送高壓電，后建成全球最大容量的變壓器。兩家公司 1988 年合幵后，基于兩家公司在機(jī)電產(chǎn)品多年的布局，推出自主研發(fā)的控制器，加上一流的本體制造技術(shù)，最終成為全球工業(yè)機(jī)器人龍頭。

庫卡早期一直探索焊接技術(shù)， 1973 年，庫卡推出全球首臺擁有六個機(jī)電驅(qū)動軸的工業(yè)機(jī)器人FAMULUS，一舉進(jìn)入機(jī)器人領(lǐng)域。1996 年，庫卡作為首家機(jī)器人制造商著手研發(fā)開放式、以計算機(jī)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)（PC-Based 運(yùn)動控制器），再次領(lǐng)先同行。 總結(jié)來看，四大家族中，有兩家起步于運(yùn)動控制，另外兩家在進(jìn)入工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展過程中，亦選擇了重點(diǎn)攻占運(yùn)動控制系統(tǒng)，最終造就了各家機(jī)器人頂尖水平，最終在大浪淘沙的行業(yè)發(fā)展中， 成為全球工業(yè)機(jī)器人龍頭品牌。

在討論工業(yè)機(jī)器人的核心競爭力時，難以避克的要談到另外一個核心零部件：精密減速器。在工業(yè)機(jī)器人成本極成中，減速器約占 35%，伺服電機(jī)、控制器分別占 20%、15%，可以說精密結(jié)構(gòu)件和運(yùn)動控制各占半壁江山。

雖然如此，可以看到四大家族，以及其他更多的優(yōu)秀的工業(yè)機(jī)器人企業(yè)，著力攻占和打造的，都是運(yùn)動控制，布局精密減速器者少之又少，精密減速器環(huán)節(jié)幾乎被日本三家企業(yè)——納単特斯占、哈默納科、住友所壟斷。精密減速器雖然制造工藝難度非常高，但四大家族均從外采購，因此減速器幵不是各工業(yè)機(jī)器人廠商形成差異化的原因，不構(gòu)成工業(yè)機(jī)器人廠商差異化競爭的核心環(huán)節(jié)。

本文認(rèn)為，這與工業(yè)機(jī)器人本身的屬性關(guān)系很大：減速器是一種純結(jié)構(gòu)件，其最大的特點(diǎn)和壁壘在于精度（包括重復(fù)精度），而工業(yè)機(jī)器人是一種機(jī)電一體化的產(chǎn)品，作為智能制造的代表性產(chǎn)品，其最大的特點(diǎn)在于“柔性”，這也是未來智能制造的主要發(fā)展方向，而精度只是基本要求；能夠?qū)?yīng)“柔性”這一特點(diǎn)的，非運(yùn)動控制莫屬。

需要說明的是，這里的論述，幵不是否認(rèn)減速器環(huán)節(jié)的投資價值， 而是說，對于一個工業(yè)機(jī)器人制造商來說，應(yīng)該著重布局的、投入研發(fā)的是運(yùn)動控制，這可以讓一個機(jī)器人廠商的產(chǎn)品在技術(shù)上顯示出優(yōu)勢和差異化；而布局研發(fā)減速器，得到結(jié)果更多的成本上的優(yōu)勢。 減速器作為一種通用精密結(jié)構(gòu)件，有著廣闊的市場，前景可觀。尤其是近年來國內(nèi)精密減速器取得重要突破，仍有可能迎來一波進(jìn)口替代的浪潮，這將使國產(chǎn)品牌的成本大大降低，性價比優(yōu)勢將進(jìn)一步凸顯。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：加大基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā) 我國運(yùn)動控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和未來前景

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