运动控制是近年来自动化产业的重点发展技术之一，这种控制技术是以软体平台的CPU核心来进行指定功能，只要以软体的方式，透过单一网路线如EtherCAT即控制各种马达、机器，如此可以节省电缆、AD/DA转换电路等成本，并降低空间占用与噪音量。

基本上，运动控制是透过软体以函式库与高阶语法，来进行运动控制的开发，这种架构适合用在规划大型系统的应用环境。在大型系统应用上，软体运动控制可进行较为复杂的动作规划，这种作法通常在传统以PLC为主的架构上不易做到。

而运动控制除了弹性之外，另外一个发展重点在于智慧制造的最终目标，使用者可以任意调整产线的产能与制程项目，让运动控制依需求进行调整。不过工业通讯标准仍处百家争鸣的情况，要透过系统来达成即时性控制需求的设定会有一定困难，这也是现在软体运动控制在技术发展上，必须克服的挑战。

运动控制系统的元件

在一个运动控制系统中，通常都会包含许多不同层面的元件。这包括以下元件：

●应用软体：应用软体可设定目标位置与运动控制轨迹（Profile）。

●运动控制器：运动控制器如同系统的大脑，可管理目标位置与运动轨迹、建立马达所应行进的轨道、针对伺服马达输出+/-10V的讯号，或针对步进马达输出步进与方向脉波。

●放大器或驱动：放大器（亦称为驱动）可接收控制器的指令，并产生所需的电流以转动马达。

●马达：马达将电能转换为机械能，产生足够力矩将马达推送至所需的位置。

●机器要素：马达可为某些机器提供力矩。其中包含滚珠滑组（Linear slide）、机器手臂，与特殊致动器。

●反馈装置或位置感测器：位置反馈（Feedback）装置并非所有运动控制应用所必须（如控制步进马达），却为伺服马达所必要。反馈装置一般为相位差编码器（Quadrature encoder），可感测马达位置并将结果回报予控制器，以关闭运动控制器的回路。

步进马达与伺服马达

伺服驱动器与马达整合成伺服驱动模组元件是趋势。目前整合式的伺服系统，已将伺服驱动器与伺服马达整合为一。

在运动控制的关键元件中，马达是用于将电能转换为机械能，并产生足够力矩以推送至所需的位置。马达种类繁多，形状和尺寸各有不同。大多数用于运动控制的马达，都属于步进马达与伺服马达。

图一 : 伺服马达具有控制??路可以检查马达当下的状态，因此比步进马达更为稳定。

步进马达是一种常见的马达种类。相较于尺寸相近的伺服马达，步进马达较便宜，而且更容易使用。步进马达由于依照离散的节距转动，因此称为步进马达，设计上通常需要一个步进驱动器和控制器才能控制步进马达。透过为驱动器提供步进和方向讯号，再由驱动器解读 这些讯号并驱动，即可控制步进马达。步进马达可以采用开放回路配置运作，因此适用于低成本的应用。

通常随着步进马达低速运转时会产生高扭矩，至于高速运转时扭矩则为低。除非驱动器具有微步进（micro-stepping）功能，否则低速运转时，步进马达容易有断电情况。高速运转时，步进马达扭矩较高，因此较为稳定。至于空转时，由于电流在步进马达绕组中连续流动，使得步进马达比尺寸相近的伺服马达具有更高的转矩。

伺服马达

伺服马达是对用于使用伺服机构的电动机总称。所谓伺服系统，就是依照指示命令动作所构成的控制装置，应用于电机的伺服控制，将感测器装在电机与控制对象机器上，侦测结果会返回伺服放大器与指令值做比较。由此可知，因为伺服电机是以回馈讯号控制，与藉由输入脉冲讯号控制的步进电机有所区别。

图二 : 伺服马达系统对於工业4.0的产线自动化，将是一个重要趋势。

伺服马达不同于步进马达，主要的差异是伺服马达会按照定义来使用控制回路运行，并且需要某种反馈。控制回路则利用来自马达的反馈，借以帮助马达来实现所需的位置与速度等不同状态。伺服马达的控制回路有很多种类，常见的控制回路是PID控制回路。

使用PID控制回路时，就需要调谐伺服马达，其用意在于使马达以理想的方式运作。虽然马达调谐是非常困难且繁琐的过程，但却可以让使用者更容易控制马达的行为。由于伺服马达具有控制回路可以检查马达当下的状态，因此伺服马达通常比步进马达更为稳定。伺服马达的控制回路会不断检查马达是否在正确的路径上，如果不是，将会进行必要的调整。相较之下，步进马达如果因为任何原因导致失常时，将没有控制回路来进行补偿。

一般而言，除非步进马达使用了微控制，否则伺服达比起步进马达将更能够顺畅运作。此外，随着速度的增加，伺服马达的扭矩保持不变，因此在高速运作下（通常高于1000RPM）能够比步进马达更为顺畅。

伺服系统

伺服驱动器与马达整合成伺服驱动模组元件是趋势。一般伺服系统与整合伺服系统并不相同，一般伺服系统通常是一个伺服马达搭配一台伺服驱动器。而整合式的伺服系统，已将伺服驱动器与伺服马达整合为一。如此一来，控制箱配线将省下七成，对于未来工业4.0的产线自动化可提供更简便配线的解决方案。

整合式伺服系统的连结，是藉由一条电源线提供环路上所有伺服马达整合驱动器的系统，同时也透过一条控制通讯线连结。这种系统可省去大量的配线与电控箱的装置，可以节省许多线材与电控箱费用，更可以延伸应用。对于未来工业4.0的工业产线自动化，这将会是一个重要趋势。另外，由于整合伺服系统是将驱动器与马达整合在一个元件，驱动器的发热也将成为一个重要议题。此时可选用低损耗的功率元件，例如有日本公司已开始采用新一代的GaN元件推出低功耗新产品。

结语

图三 : 运动控制除了弹性之外，另外一个发展重点在于智慧制造的最终目标。

伺服马达的动作特性是进行位置定位控制和动作速度控制，其主要特点是转速可以精确控制、速度控制范围广，除了可以稳定等速运转之外，还可以根据需求随时变更速度，即使在极低速度也可以稳定转动，不只能迅速做出正转与逆转，也能迅速加减速。在由静态改为动态运作，或由动态改为静态运作所需费时极短，而且即便有外力附加于上仍可以保持位置。并在额定容量范围内瞬间产生大转矩，输出功率大且效率也高。

伺服马达对于产线工业自动化格外重要，特别是藉由整合式的伺服系统连结，透过一条电源线提供线路上所有伺服马达整合驱动器的系统，同时也透过一条控制通讯线来进行连结，这将是未来工业4.0的一个重要趋势。