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。控制系統是機器人的大腦，是工業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

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器為代表，發展出了模擬控制技術，此時執行機構以電氣元件、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，隨著計算機的發展，采用單一計算機控制整個工業系統即直接數字控制是第三代控制系統，主要技術代表包括用于流程工業的集散控制系統、用于離散工業的可編程控制器、現場總線控制系統等。

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。國產控制器是與國外產品相比，可控制的機器人類型齊全，主要差距在于操作精度和穩定性。

2 控制器

（1）伺服系統 與 控制系統的關系

伺服系統是系統終端執行結構根據控制控制指令實現包括位移、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，其中交流同步伺服已成為高精度伺服系統的主流。

伺服系統是一種反饋控制系統，屬于控制系統中的一種。

（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，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，用于控制執行機構的運動，當執行機構是電機時，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，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平臺/板，對比如表2

表2 嵌入式開發硬件架構