機器(qi)人(ren)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)的(de)一些零(ling)碎概念，包括控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)、驅動器(qi)、運(yun)動控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)、PLC、單(dan)片機等(deng)，習慣了從理(li)論和(he)算法上談(tan)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)，當回到硬件(jian)上時多少對(dui)這些概念有些模糊，甚至(zhi)會混為一談(tan)。控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)系統是(shi)機器(qi)人(ren)的(de)大腦，是(shi)工業(ye)機器(qi)人(ren)的(de)核心(xin)零(ling)部件(jian)，本(ben)文(wen)將從硬件(jian)的(de)角度將對(dui)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)進(jin)行概述。

1 控制

（1）第一代控制

在最早的(de)(de)時(shi)候，控制(zhi)(zhi)器是由機械(xie)結構為控制(zhi)(zhi)手段的(de)(de)，以基地式(shi)儀表(biao)(biao)、水(shui)庫水(shui)位測量(liang)等為代表(biao)(biao)，如(ru)(ru)圖1，如(ru)(ru)果實際(ji)轉(zhuan)(zhuan)速(su)降(jiang)低到(dao)(dao)期望值(zhi)以下，調速(su)器的(de)(de)離(li)心力下降(jiang)，控制(zhi)(zhi)閥會上升，進(jin)入蒸汽量(liang)增加，蒸汽機轉(zhuan)(zhuan)速(su)隨之增大(da)，達到(dao)(dao)控制(zhi)(zhi)轉(zhuan)(zhuan)速(su)的(de)(de)目的(de)(de)。

圖1 蒸汽速度(du)控(kong)制系(xi)統

在(zai)機器人方面，有我國著名的(de)(de)木牛流(liu)馬、水轉百戲木偶、魯班(ban)鳥等純(chun)機械控(kong)制(zhi)的(de)(de)機器人，采用(yong)人力(li)、水力(li)、風力(li)為動(dong)(dong)(dong)力(li)進行自(zi)動(dong)(dong)(dong)結構，以(yi)及一些靠彈簧(huang)發條、重力(li)作為驅動(dong)(dong)(dong)力(li)的(de)(de)隨動(dong)(dong)(dong)傳動(dong)(dong)(dong)機器人，在(zai)當今控(kong)制(zhi)領域亦不失為一種精妙(miao)的(de)(de)控(kong)制(zhi)手段。

圖(tu)2 木牛流馬(ma)機構動圖(tu)

圖3 依靠推力前行的足式設計

（2）第二代控制

隨著繼電器(qi)控(kong)制技(ji)(ji)術和(he)調節器(qi)為代表(biao)，發展出了模擬控(kong)制技(ji)(ji)術，此時執行機構以電氣(qi)元(yuan)件、氣(qi)動(dong)元(yuan)件、液(ye)壓元(yuan)件等為主要機構，控(kong)制依(yi)靠繼電器(qi)與主開關進行控(kong)制，如圖4。

圖4 繼電器控制

可編程邏輯控(kong)制器(qi)PLC是基(ji)于繼電器(qi)的基(ji)礎上發展起來的，并迅(xun)速簡化了電氣連接，并豐富了控(kong)制手段。

如圖(tu)5，EPSON六軸機器(qi)人是由(you)PLC邏輯控制不同關節的轉角，以滿足一定(ding)的動作時序。

圖5 EPSON六(liu)軸(zhou)機器人

（3）第三代控制

20世紀70年代后，隨著(zhu)計算(suan)機(ji)的(de)發展，采用(yong)(yong)單一(yi)計算(suan)機(ji)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)整個工(gong)業系統(tong)(tong)即直接(jie)數字(zi)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)是第三代控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)系統(tong)(tong)，主要技術(shu)代表包括(kuo)用(yong)(yong)于流程工(gong)業的(de)集散控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)系統(tong)(tong)、用(yong)(yong)于離散工(gong)業的(de)可(ke)編程控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)器、現場總線(xian)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)系統(tong)(tong)等。

此(ci)時，控制(zhi)(zhi)器的(de)種(zhong)類開始層出不窮，目前控制(zhi)(zhi)器有三(san)種(zhong)主(zhu)要的(de)控制(zhi)(zhi)方式(shi)：PLC控制(zhi)(zhi)、專用控制(zhi)(zhi)、PC-Based控制(zhi)(zhi)等，其特(te)點(dian)如表1.

表1 不同控(kong)制方(fang)式及特(te)點(dian)

在(zai)第三代控制(zhi)(zhi)發展下(xia)，控制(zhi)(zhi)領域擴大(da)到運動(dong)控制(zhi)(zhi)、過程控制(zhi)(zhi)、開關量(liang)邏輯控制(zhi)(zhi)等，其(qi)中運動(dong)控制(zhi)(zhi)最常(chang)應用，并植入(ru)復雜(za)算法以滿足更(geng)智能更(geng)精準的功能需求。國(guo)產控制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)是與國(guo)外產品相(xiang)比，可控制(zhi)(zhi)的機器(qi)(qi)人類型齊全，主要差距在(zai)于操作精度和(he)穩(wen)定性。

2 控制器

（1）伺服系統 與 控制系統的關系

伺服(fu)系統是系統終端執行結(jie)構根據控(kong)(kong)制(zhi)控(kong)(kong)制(zhi)指令實現(xian)包(bao)括位移、轉(zhuan)速(su)和(he)力矩(ju)等唯獨(du)動(dong)作的設備總(zong)成(cheng)(cheng)，包(bao)括控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)、伺服(fu)驅(qu)動(dong)器(qi)、伺服(fu)電(dian)機(ji)、編碼器(qi)等組(zu)成(cheng)(cheng)，決定了(le)自動(dong)化機(ji)械(xie)的精度、控(kong)(kong)制(zhi)速(su)度和(he)穩定性。

可分為(wei)液壓、啟動和電氣三類，目前廣泛(fan)使用的是電氣伺(si)服系統(tong)，其中交流同步伺(si)服已(yi)成為(wei)高(gao)精度伺(si)服系統(tong)的主流。

伺服系(xi)統(tong)(tong)是一種反饋(kui)控(kong)制(zhi)系(xi)統(tong)(tong)，屬于控(kong)制(zhi)系(xi)統(tong)(tong)中的一種。

（2）運動控制器、控制器與驅動器

運動控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)(qi)是(shi)控(kong)(kong)制(zhi)電動機運行(xing)(xing)方(fang)式的(de)(de)控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)(qi)，屬于三類控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)(qi)中的(de)(de)專用控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)(qi)，比如電動機在由行(xing)(xing)程開關控(kong)(kong)制(zhi)交流接(jie)觸器(qi)(qi)而實現電動機拖動物體向上運行(xing)(xing)達到(dao)指定位(wei)置后又向下運行(xing)(xing)，或者用時間(jian)繼電器(qi)(qi)控(kong)(kong)制(zhi)電動機正反(fan)轉(zhuan)(zhuan)或轉(zhuan)(zhuan)一會停(ting)一會再轉(zhuan)(zhuan)一會再停(ting)。

運動(dong)(dong)控(kong)制(zhi)(zhi)主要涉及(ji)步進(jin)電(dian)機、伺服電(dian)機的控(kong)制(zhi)(zhi)，控(kong)制(zhi)(zhi)結(jie)構模式(shi)一般是：控(kong)制(zhi)(zhi)裝置+驅動(dong)(dong)器+（步進(jin)或伺服）電(dian)機。

控(kong)制(zhi)裝置(zhi)可以(yi)是PLC系統，也可以(yi)是專用的自動(dong)化裝置(zhi)（如(ru)運(yun)動(dong)控(kong)制(zhi)器、運(yun)動(dong)控(kong)制(zhi)卡）。

電機(ji)驅動(dong)器(qi)(qi)是用來控(kong)制(zhi)和(he)(he)給(gei)電機(ji)供電的一個(ge)器(qi)(qi)件(jian)，其包括電機(ji)控(kong)制(zhi)板和(he)(he)電機(ji)驅動(dong)板兩個(ge)部分（均在驅動(dong)器(qi)(qi)內(nei)部）。

電(dian)(dian)機控(kong)制(zhi)板上面包括(kuo)主控(kong)芯片(pian)(pian)，pwm輸(shu)出電(dian)(dian)路，濾波電(dian)(dian)路，加密芯片(pian)(pian)等(deng)部(bu)分(fen)，電(dian)(dian)機驅動板部(bu)分(fen)包括(kuo)逆(ni)變器部(bu)分(fen)（即(ji)ipm或者igbt和二(er)極(ji)管(guan)的組(zu)合），電(dian)(dian)源(yuan)轉換部(bu)分(fen)（包括(kuo)整流部(bu)分(fen)，電(dian)(dian)源(yuan)保護部(bu)分(fen)，放電(dian)(dian)部(bu)分(fen)等(deng)），電(dian)(dian)流采(cai)樣(yang)部(bu)分(fen)（數字(zi)采(cai)樣(yang)芯片(pian)(pian)或者電(dian)(dian)阻(zu)采(cai)樣(yang)等(deng)方式），通信部(bu)分(fen)等(deng)等(deng)。

所以，三者關系即運(yun)動(dong)控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)屬于控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)中的(de)(de)專用(yong)控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)一(yi)類，用(yong)于控(kong)制(zhi)(zhi)執(zhi)行(xing)機構(gou)的(de)(de)運(yun)動(dong)，當執(zhi)行(xing)機構(gou)是電機時，需要(yao)在運(yun)動(dong)控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)與(yu)電機之間使用(yong)驅動(dong)器(qi)(qi)。

（3）單片機、嵌入式控制器、PLC與運動控制卡

單(dan)片(pian)機一(yi)般(ban)用于電(dian)子電(dian)路(lu)的控制器，一(yi)般(ban)用于控制電(dian)路(lu)板上的元件(jian)，是一(yi)種芯片(pian)，不能單(dan)獨使(shi)用；

而PLC、嵌入式控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)是由單(dan)片機、微控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)組成的(de)通用控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)，可以直接使用；

運動控制(zhi)卡則需要基于PC運行，屬于PC-based控制(zhi)器。

（4）Ardunio、arm、單片機、樹莓派

都用于(yu)嵌入式開發(fa)，但ARM是一(yi)(yi)種處理器架構，而(er)單片機(ji)是一(yi)(yi)個包含了(le)CPU內存ROM等的芯片，Arduino和(he)樹莓派相當于(yu)老年機(ji)與智能機(ji)的開發(fa)平臺/板，對比如表2

表2 嵌入式開發硬件(jian)架構