运动控制是工业控制领域的核心之一，在焊接、抛光、封装、装配等工业场景中发挥着重要作用。运动控制起源于更早的电机控制。电机控制的任务是控制单个电机的转矩、速度、位置等参数，使电机完成规定的动作。运动控制以电机控制为基础，控制系统自动协调多个电机完成指定的运动。复杂精密运动控制系统的应用可以大大降低生产成本，减少加工中误操作的发生，提高产品质量。如今，随着工业生产自动化技术的快速发展，各种运动控制系统被广泛应用于物流行业和大型装配生产线。

比如频繁出现在我们视野中的机械臂，就是运动控制系统帮助工业生产的关键环节。目前世界上先进的机械臂有七个无齿轮关节，每个电机驱动一个关节运动。当机械臂正常运行时，运动控制系统同时协调7个电机，机械臂可以轻松抓取空间任意位置的物体。不仅如此，它还可以实现其他复杂的功能，甚至可以帮助人们清理或演奏乐器。

几年前，互联网上的扫地机器人是运动控制的一个缩影。当扫地机器人制定好运动路线后，运动控制系统会驱动电机执行不同的动作，使扫地机器人高效完成任务。在工厂里，机械臂被广泛用于装配线。在汽车生产线上，机械臂可以轻松举起几十公斤甚至几百公斤的零件，完成焊接和装配。我们可以看到，运动控制系统不仅应用在工业上，也存在于我们的生活中。

为了理解运动控制系统，理解运动命令的执行者——马达是很重要的。运动控制系统中使用的大多数电机是步进电机和伺服电机。下面简单介绍两种电机。

一、步进电机

步进电机可以将输入的脉冲信号转换成角位移。在步进电机正常运行的情况下，电机的转速、位置、加减速只取决于脉冲信号的频率和个数，不受负载变化的影响。当步进电机驱动器接收到脉冲信号时，他驱动步进电机在设定的方向旋转一个固定的角度。它被称为“步进角”，它的旋转是一步一步进行的，每一步旋转一个步进角，因此得名步进电机。

伺服电机将接收到的电信号转换成电机轴上的角位移，伺服电机驱动器控制三相电形成电磁场，转子在磁场的作用下旋转。伺服电机的编码器将信号反馈给驱动器，驱动器将反馈值与目标值进行比较，以调整转子的旋转角度。那么伺服电机和步进电机有什么区别呢？

1.不同的控制方法

步进电机采用开环控制，伺服电机采用闭环控制。两种控制方式的区别在于闭环控制将目标值与实际值进行比较，调整电机位置。相比之下，伺服电机的控制精度优于步进电机。

2.不同的控制精度

步进电机的相位越多，精度越高。两相电机成本低，但低速时振动大，高速时转矩下降快。5相电机振动较小，高速性能好，比2相电机高30~50%，在某些场合甚至可以替代伺服电机。伺服电机有自己的编码器，编码器的刻度越多，精度越高。通常情况下，伺服电机的精度相当于步进角为0.036度的步进电机，但没有步进角这么小的步进电机。一般步进电机的步距角为1.8°，这只是一个类比。因此，在实现高精度运动控制时，伺服电机的性能远远超过步进电机。

3.不同的低频特性

与伺服电机不同，步进电机会采用阻尼技术或细分技术来克服低速时的低速振动现象。步进电机在低速时仍然容易振动，而伺服电机在高速或低速时不会振动。

4.不同的运动表现

步进电机采用开环控制，启动频率过高或负载过大时容易造成失步现象，停止时转速过高容易出现超调现象。伺服电机采用闭环控制，伺服驱动器可以直接采样电机编码器的反馈信号，内部形成速度环和位置环，一般不会出现失步或超调现象。

5.速度也相应不同

步进电机从静止加速到工作速度需要几百毫秒，而伺服电机一般只需要几毫秒，可用于需要快速启停的控制场合。

从上面的对比来看，伺服电机在很多性能方面都要优于步进电机，所以我们在选择电机型号的时候，应该选择全伺服电机。事实并非如此。伺服电机的价格会比步进电机高很多，从性价比上来说步进电机会战胜伺服电机。在掌握了两种电机的特点后，根据不同的需求选择合适的电机类型就显得尤为重要。

运动控制系统不仅由电机和驱动器组成，更重要的是控制和协调多个电机运动的控制方案或算法。比如有这样一个运动系统，由两个电机驱动的转盘被薄膜覆盖。为了实现薄膜可以从一个转盘上展开，然后以设定的薄膜卷绕速度卷绕到另一个转盘上而不会断裂。在薄膜卷绕过程中，两个转盘的卷绕直径会不断变化。为了保证薄膜不断裂，满足规定的薄膜卷绕速度，需要不断调整两个电机的转速，这就需要PID算法和闭环控制，使被控对象的反馈值:张力影响电机的转速。这样，依靠伺服电机的快速响应性能，在张力过高时降低转速，在张力过低时加速。在不断调整下，薄膜的张力和卷绕速度满足要求。

在6自由度甚至7自由度机械手控制系统中，不仅会用到PID算法，还会用到运动补偿算法，以保证机械手运行到指定位置。运动控制系统的方案决定了系统是否安全、可靠、高效。拥有优秀的设计能力会让我们更有竞争力。