機器人控制的一些零碎概念，包括控制器、驅動器、運動控制器、PLC、單片機等，習慣了從理論和算法上談控制，當回到硬件上時多少對這些概念有些模糊，甚至會混為一談?？刂葡到y(tǒng)是機器人的大腦，是工業(yè)機器人的核心零部件，本文將從硬件的角度將對控制器進行概述。

1 控制

（1）第一代控制

在最早的時候，控制器是由機械結構為控制手段的，以基地式儀表、水庫水位測量等為代表，如圖1，如果實際轉速降低到期望值以下，調速器的離心力下降，控制閥會上升，進入蒸汽量增加，蒸汽機轉速隨之增大，達到控制轉速的目的。

圖1 蒸汽速度控制系統(tǒng)

在機器人方面，有我國著名的木牛流馬、水轉百戲木偶、魯班鳥等純機械控制的機器人，采用人力、水力、風力為動力進行自動結構，以及一些靠彈簧發(fā)條、重力作為驅動力的隨動傳動機器人，在當今控制領域亦不失為一種精妙的控制手段。

圖2 木牛流馬機構動圖

圖3 依靠推力前行的足式設計

（2）第二代控制

隨著繼電器控制技術和調節(jié)器為代表，發(fā)展出了模擬控制技術，此時執(zhí)行機構以電氣元件、氣動元件、液壓元件等為主要機構，控制依靠繼電器與主開關進行控制，如圖4。

圖4 繼電器控制

可編程邏輯控制器PLC是基于繼電器的基礎上發(fā)展起來的，并迅速簡化了電氣連接，并豐富了控制手段。

如圖5，EPSON六軸機器人是由PLC邏輯控制不同關節(jié)的轉角，以滿足一定的動作時序。

圖5 EPSON六軸機器人

（3）第三代控制

20世紀70年代后，隨著計算機的發(fā)展，采用單一計算機控制整個工業(yè)系統(tǒng)即直接數(shù)字控制是第三代控制系統(tǒng)，主要技術代表包括用于流程工業(yè)的集散控制系統(tǒng)、用于離散工業(yè)的可編程控制器、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)等。

此時，控制器的種類開始層出不窮，目前控制器有三種主要的控制方式：PLC控制、專用控制、PC-Based控制等，其特點如表1.

表1 不同控制方式及特點

在第三代控制發(fā)展下，控制領域擴大到運動控制、過程控制、開關量邏輯控制等，其中運動控制最常應用，并植入復雜算法以滿足更智能更精準的功能需求。國產(chǎn)控制器是與國外產(chǎn)品相比，可控制的機器人類型齊全，主要差距在于操作精度和穩(wěn)定性。

2 控制器

（1）伺服系統(tǒng) 與 控制系統(tǒng)的關系

伺服系統(tǒng)是系統(tǒng)終端執(zhí)行結構根據(jù)控制控制指令實現(xiàn)包括位移、轉速和力矩等唯獨動作的設備總成，包括控制器、伺服驅動器、伺服電機、編碼器等組成，決定了自動化機械的精度、控制速度和穩(wěn)定性。

可分為液壓、啟動和電氣三類，目前廣泛使用的是電氣伺服系統(tǒng)，其中交流同步伺服已成為高精度伺服系統(tǒng)的主流。

伺服系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，屬于控制系統(tǒng)中的一種。

（2）運動控制器、控制器與驅動器

運動控制器是控制電動機運行方式的控制器，屬于三類控制器中的專用控制器，比如電動機在由行程開關控制交流接觸器而實現(xiàn)電動機拖動物體向上運行達到指定位置后又向下運行，或者用時間繼電器控制電動機正反轉或轉一會停一會再轉一會再停。

運動控制主要涉及步進電機、伺服電機的控制，控制結構模式一般是：控制裝置+驅動器+（步進或伺服）電機。

控制裝置可以是PLC系統(tǒng)，也可以是專用的自動化裝置（如運動控制器、運動控制卡）。

電機驅動器是用來控制和給電機供電的一個器件，其包括電機控制板和電機驅動板兩個部分（均在驅動器內部）。

電機控制板上面包括主控芯片，pwm輸出電路，濾波電路，加密芯片等部分，電機驅動板部分包括逆變器部分（即ipm或者igbt和二極管的組合），電源轉換部分（包括整流部分，電源保護部分，放電部分等），電流采樣部分（數(shù)字采樣芯片或者電阻采樣等方式），通信部分等等。

所以，三者關系即運動控制器屬于控制器中的專用控制器一類，用于控制執(zhí)行機構的運動，當執(zhí)行機構是電機時，需要在運動控制器與電機之間使用驅動器。

（3）單片機、嵌入式控制器、PLC與運動控制卡

單片機一般用于電子電路的控制器，一般用于控制電路板上的元件，是一種芯片，不能單獨使用；

而PLC、嵌入式控制器是由單片機、微控制器組成的通用控制器，可以直接使用；

運動控制卡則需要基于PC運行，屬于PC-based控制器。

（4）Ardunio、arm、單片機、樹莓派

都用于嵌入式開發(fā)，但ARM是一種處理器架構，而單片機是一個包含了CPU內存ROM等的芯片，Arduino和樹莓派相當于老年機與智能機的開發(fā)平臺/板，對比如表2

表2 嵌入式開發(fā)硬件架構