运动控制管理系统是依照具体的运动轨迹要求，根据负载情况，通过驱动器、驱动执行电机完 成相应运动轨迹要求的系统。通常包括运动控制器、驱动、执行器、运动反馈单元等。 运动控制管理系统是依照具体的运动轨迹要求，根据负载情况，通过驱动器、驱动执行电机完 成相应运动轨迹要求的系统。通常包括运动控制器、驱动、执行器、运动反馈单元等。

  运动控制系统经过多年发展，目前普遍以基于计算机的数字控制为基础，在云计算、工业 互联网、人工智能等新技术加持下，运动控制系统的智能化、柔性化、控制精度等各方面 能力均快速提升。

  运动控制系统属于国家战略物资，对于数字控制机床、机器人及各类高端装备高质高小运行至 关重要，运动系统的智能化控制是装备领域和制造业的核心技术，决定了装备的精度、 效率。

  1.2 运动控制器为运动控制开始，通用运动控制器分为 PLC 控制器、嵌入式控制器、 PC-based 控制卡

  运动控制器由轨迹生成器、插补器、控制回路和步序发生器四部分构成。首先由轨迹生成 器计算出任务希望的理想轨迹，插补器根据位置或速度反馈单元的实际状态，按照轨迹生 成器的要求，计算出驱动单元下一步将要执行的命令，然后交由控制回路进行精确控制。 如果是步进电机，则还有一部分就是步序发生器，步序发生器根据控制回路控制指令进一 步生成控制相序和脉冲，达到控制运动对象的目的。

  运动控制器的硬件按照核心器件组成包括基于微处理器（MCU）、专用芯片（ASIC）、PC-Based、 数字信号处理芯片（DSP）、可编程逻辑控制器（PLC）、多核处理器等。随技术的进步和 完善，运动控制器从以单片机、微处理器或专用芯片作为核心处理器，发展到以 DSP 和 FPGA 作为核心处理器的通用开放式运动控制器。

  根据平台不同，通用运动控制器可大致分为 PLC 控制器、嵌入式控制器和 PC-Based 控制卡 三大类。

  伺服系统是一种能对机械运动按预定要求做自动控制的系统，其作用是使输出的机械位 移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角），实现输出变量精确跟随或复现输入变量。

  为实现高速度、高精度运动控制，伺服系统需对距离、位移、速度、加速度（力）、角度、 角速度、角加速度等参数进行仔细的检测，并通过实时监测实现闭环反馈，需要与传感器进行配 套使用。

  常见传感器包括光栅尺（直线位移检测）、编码器（角位移检测）、激光雷达/视觉检测（距 离检测）、电阻应变式传感器（力矩检测）等。

  2.1 工业机器人一般会用 PC 作为上位机完成人机交互/轨迹规划，基于 PLC 或 PC-Based 控制器通过关节控制、位置控制、力控制实现运动控制

  工业机器人大范围的应用于工业自动化领域，控制管理系统是机器人的核心部分，其功能强弱、性 能优劣直接影响机器人的最终性能。一般会用 PC 上位机+专用运动控制器的架构，以 PC 为上位机完成人机交互和运动轨迹规划，重点设计了基于DSP和FPGA的专用运动控制器， 其中 DSP 完成机器人运动控制任务的调度，实现对机器人关节空间的实时控制，FPGA 则 用于控制系统所需各功能接口的设计。实现了直角坐标空间的机器人轨迹规划和速度控制， 具备直线和圆弧基本轨迹插补算法及 S 形曲线加减速算法，改善机器人前端运动的平稳性。

  轨迹规划直接决定了机器人的运动方式。轨迹规划为基于工作任务和机器人性能，求解机 器人位姿等运动量关于时间的函数，输入为期望轨迹、运动学和动力学参数，输出机器人 各关节或末端执行器的运动量，包括位移、速度、加速度等的时间序列。 工业机器人机器人轨迹规划大体上分为基本轨迹规划和最优轨迹规划，其中基本轨迹规划分 为笛卡尔空间规划和关节空间规划。

  最优轨迹规划通常考虑效率、能量小号、平稳性等因素，找到每种工况环境需要的最优轨 迹规划方案： 1）时间最优规划：最常见的最优轨迹规划需求，通常通过运动学或动力学约束寻找最优 解；运用遗传算法等各种优化算法来求解最优解；将时间模型转化为其他更为通用的模型。 2）能量最优规划：一方面试图寻找出最平滑的轨迹来减少关节间的能量损耗，另一方面 也通过优化整个动力系统来达到能量分配最优。 3）冲击最优规划：旨在找到使机器人冲击最小的轨迹，其目的一种原因是为了减小机器人 在运动过程中的冲击，在很大程度上能减小轨迹跟踪的误差，另一方面能大大减少机 器人因为冲击过大而产生的共振、抖动、机械磨损、常规使用的寿命缩减等缺陷，使机器人能够 稳定平顺运行。 4）混合最优轨迹规划：考虑两种或以上最优性优化方案，其中时间-能量最优轨迹研 究开展时间最长，也是工业生产中要求最高的两项指标。 工业机器人根据不同的结构形态、用途、作业要求等不同有较多分类，但控制上以多轴实 时运动控制为主，基于关节控制、位置控制、力控制完成作业任务。

  1）关节控制：关节控制为工业机器人最基础和核心的控制过程，单关节控制不考虑关节 之间的影响，机器人的机械惯性被当做扰动项来做处理，通常通过电机实现驱动，由电 流检测、速度检测、位置检测构成闭环控制。

  多关节控制在单关节的基础上要考虑关节之间的影响，通常将其他关节的对当前关节的影 响作为前馈项引入位置控制器，从而构成多关节控制管理系统。

  2）位置控制：工业机器人位置控制与关节空间轨迹有紧密联系，以六自由度工业机器人 为例，可通过笛卡尔位置控制由给定位置、关节空间位置转换、6 路单关节位置控制器实 现工业机器人末端按照给定的位置和姿态运动。

  3）力控制：采用多维力传感器获取笛卡尔坐标系中的多维力、力矩信息，多维力传感器 主要由力敏元件、信号采集电路、信号调理电路、多维信号解耦系统(硬件或软件解耦)、 上位机或嵌入式系统信息处理软件等构成。

  多维力传感器广泛装配在机器人机械臂。在工业现场生产线中，将多维力传感器装载于小 型机械臂的前端或者机械手爪末端。协助机器人手臂实现力度的控制、轮廓追踪、孔位搜 索以及机械臂防碰撞等功能，保障机器人操作安全与功能实现。

  以机械臂控制为例，每个关节均含有离合器、制动器、谐波减速器，以电机为动力源，经 齿轮组、减速器为关节提供动能，通过对关节速度、位置、力进行调节，完成多自由度旋 转运动。

  2.2 人形机器人强调“类人”属性，步态控制、抗冲击、轨迹规划要求均更高，难度显著 提升

  人形机器人由于采用了“类人”腿部结构，步行状态下的运动控制系统属于非线性和强耦 合，人形机器人需保持步行稳定同时按照期望的轨迹行走，同时存在在地面不平整、路面 障碍物的干扰，控制难度较高。 根据《基于动作捕捉技术对仿人机器人运动学分析与仿真》信息，人形机器人下肢可简化 为 14 自由度系统，其中，髋关节为 3 个自由度，分别为横滚、俯仰和偏转，通过 1 个虎 克副和 1 个旋转副来连接；同样的传动方式也作用于踝关节的 3 个自由度，每个膝关节 1 个前向自由度，通过 1 个旋转副连接。

  目前人形机器人的步态控制一种方式为基于具有反馈机制的控制回路 PID 控制器，通过 PSO 计算来控制优化。优化后可通过 Matlab 仿真对于控制管理系统的响应速度、机器人跟 踪路径是否有改善进行验证。

  2.2.2 手臂控制：视觉前馈+逆运动学求解实现轨迹规划，“类人”属性对于冲击等指标要 求更高

  以一个四自由度双臂人形机器人为例，其运动控制管理系统包含机械臂与伺服电机及控制器， 机械臂在肩部含有两个自由度、肘部含有两个自由度。

  机械臂控制类似工业机器人多关节控制，以肩关节作为坐标系原点，通过机器视觉确定机 械臂末端姿态与要达到的定位，再通过逆运动学算法求解得到关节变量的解析解，最后 控制各关关节以“类人”姿态完成作业任务。

  冲击（Jerk）为机器人运动过程中加速度的导数，代表力矩变化的快慢，冲击会产生振动、 过冲、机械磨损和寿命减少等问题。考虑人形机器人的机械臂有“类人”属性，在操作上 需要平稳地进行抓取和抬举物品，对于实现最小冲击要求更高。

  人形机器人要实现“类人”行为，自由度相比工业机器人更高，传感器的应用也会明显增 加，例如需要引入视觉传感以实现与环境交互和空间定位（用于轨迹规划）。在工业机器 人应用中，轨迹规划的应用往往要专业工程师通过编程处理，学习成本比较高。考虑人形 机器人未来有消费级应用场景，轨迹规划一定要通过软件进行封装，将功能集成并设计出可 视化界面，以此来降低使用门槛。

  3.1 运动控制 22 年全球市场空间 155 亿美元，预计 27 年达到 200 亿美元

  根据 MARKETS AND MARKETS 数据，22 年全球运动控制市场空间 155 亿美元，预计到 27 年 达到 200 亿美元，期间复合增速 5.2%。增长大多数来源于于工业机器人需求持续增长、工业 4.0 持续发展等。

  3.2 国内运动控制市场规模 19 年达到 425 亿元，后续有望保持高增长

  根据固高科技招股说明书数据，2019 年中国运动控制管理系统的总体市场规模为 425 亿元， 其中运动控制器市场规模 85 亿元，伺服系统市场规模 340 亿元。

  《“十四五”智能制造发展规划》明白准确地提出，到 2025 年，我国的供给能力显著地增强，智能 制造装备和工业软件技术水平和市场竞争力明显提升，国内市场满足率要分别超过 70%和 50%，未来运动控制市场有望保持高增长。

  海外企业在产品丰富度、产品成熟度方面处于领头羊，以倍福（Beckhoff Automation） 为例，其 22 年全球销售额为 15.15 亿欧元，同比增长 28%，全球员工数 5680 人。

  倍福基于 PC 平台打造开放式自动化系统，产品有工业 PC、I/O 和现场总线组件、驱动 技术、自动化软件、无控制柜自动化系统和机器视觉硬件等，产品丰富度、成熟度较高。

  目前国内市场参与者包括禾川科技、华中数控、埃斯顿、雷赛智能、汇川技术、固高科技 等企业。

  国内企业在运动控制器、伺服驱动等领域的核心技术、市场占有率上已实现一定突破。

  通用控制器市场分为 PLC 控制器、专用控制器、PC-based 控制卡等，外资品牌定位高端， 国内品牌在 PC-Based 控制卡市场形成一定突破： 1）PLC 控制器和嵌入式控制器市场，日本三菱、松下、西门子等外资品牌占据主要高端 市场，中低端市场是完全市场化的竞争格局； 2）PC-Based 控制卡市场，高端市场由美国泰道、翠欧等外资品牌占据，但国内品牌逐渐 向中高端发力，外资品牌市场占有率呈现萎缩态势。目前，以固高科技、雷赛智能、成都乐 创、众为兴为代表的国内品牌占据了 70%以上的市场占有率。 汇川技术、禾川科技等企业在伺服系统市场形成了突破，但仍有较大国产替代空间。

  禾川科技是一家技术驱动的工业自动化控制核心部件及整体解决方案提供商，基本的产品包 括伺服系统、PLC 等，其中伺服系统又分为伺服驱动器、伺服电机和伺服系统附件。目前， 产品已经覆盖了工业自动化领域的控制层、驱动层和执行传感层，并在近年沿产业链上下 游不断延伸，涉足上游的工控芯片、传感器和下游的高端精密数控机床等领域。

  根据禾川科技公告，当前下游应用领域中光伏、锂电、激光、机器人等先进制造业占比 75%，木工、纺织、物流等传统制造业占比 25%。禾川科技下游客户资源优质，覆盖宁德 时代、隆基股份、捷佳伟创、先导智能等多家行业龙头企业。

  禾川科技近年收入规模持续扩张，22 年达到 9.44 亿元，同比增长 25.66%。22 年利润同 比有所下降，主要由于客户在光伏、锂电等新能源行业上较为集中，为了快速进入市场， 在产品销售价格上有所降低，同时受上游原材料价格上涨及产品更新换代影响，产品毛利 率下降。伴随未来禾川科技产品在光伏、锂电行业销量大幅增加，业绩有望持续发力。

  根据禾川科技招股说明书，IPO 公开发行 3776 万股，募集资金 8 亿元，将投入数字化工 厂项目、杭州研究院项目、营销服务网络建设项目等，以提高竞争力。其中，数字化工厂 项目将针对伺服驱动、伺服电机等产品进行产能扩产建设，突破现有产能瓶颈；杭州研究 院项目将协助完善研究开发和实验测试，持续进行新技术研究；营销网络建设项目将助力 拓宽覆盖区域以及渗透率，营销体系进一步完善。

  新增产能有望进一步提升竞争力。根据禾川科技招股说明书披露，数字化工厂项目计划建 设期为 36 个月，预计投入 3.85 亿元，全部投产后可以新增产能 148.8 万台，其中包括伺 服驱动器 55 万台、伺服电机 55 万台、PLC20 万台。预计禾川科技通过产能扩产建设，充分满足下游市场需求，增强市场竞争力，提升工控领域市场份额。

  华中数控目前收入以工业机器人与智能产线，数控系统与机床业务为主。数控系统配套业 务主要为各类数控机床企业和航空航天、汽车、3C、木工、磨床等重点行业用户提供数控 系统配套和服务，包括为各类专机、高速钻攻中心、加工中心、五轴机床等机型提供华中 高档数控系统，以及针对普及型数控车床和数控铣床等提供系列数控系统、系列伺服驱动、 系列伺服电机等。

  公司从 1993 年开发出华中 1 型数控系统，2018 年公司华中 8 型数控系统的“04 专项”课 题通过验收，标志着公司在关键技术指标、产品可靠性达到国外主流数控系统技术水平。 目前在航空航天、汽车零部件制造、3C 制造、机床工具、通用机械加工、木工、玻璃加 工等领域得到批量应用。根据公司公告信息，2020 年公司在国产高端数控系统市占率近 50%，在国产品牌中排名第一。

  收入端：伴随公司智能产线 年后由于下 游消费电子、通用机械需求疲软，公司营收增速下降。 利润端：公司 20/21 年对子公司江苏锦明分别计提商誉减值 8174.49 万元、3745.90 万元， 影响利润增长。22 年受经济环境影响营收增速下滑，考虑公司收入增速有望回暖，同时 商誉减值影响逐步降低，公司利润有望回暖。

  华中数控工业机器人核心的控制、伺服驱动均采用自研技术。机器人本体包括 BR 双旋、 垂直多关节、水平多关节、SCARA、Delta、特殊系列六大系列的 40 余款产品，采用自研 伺服控制技术、自制高性能伺服电机，零部件自主化比例超过 80%。机器人本体 22 年实 现收入 3.34 亿元，同比增长 24.13%。

  埃斯顿产品线丰富，从机床数控系统到工业机器人实现业务拓展。埃斯顿成长初期以金属 成型机床数控系统和电液伺服系统为主，2010 年后凭借自身核心零部件优势开始布局工 业机器人产品，15 年登陆深交所中小板，依托品牌优势和技术优势加速扩张，“通用+细 分”战略助公司跻身成为国内工业机器人行业龙头。 目前埃斯顿主营业务模块包括自动化核心部件及运动控制系统和工业机器人及智能制造 系统两大板块。22 年埃斯顿有 64 款工业机器人产品，包括六轴通用机器人、四轴码垛机 器人、SCARA 机器人以及行业专用定制机器人，工作负载从 3kg 到 600kg。机器人标准化 工作单元产品有 20 多种类别，主要应用于光伏、锂电、焊接、钣金折弯、冲压、压铸、 木工打孔、装配、分拣、打磨、去毛刺、涂胶等，其中钣金折弯、冲压、光伏排版等均处 于行业领先地位。

  伴随中国高端制造业快速成长，埃斯顿收入规模持续提升，22 年实现营收 38.81 亿元， 同比增长 28.49%；实现归母净利润 1.66 亿元，同比增长 36.28%。埃斯顿产品毛利率较高 但净利率较低，主要由于扩大市规模，提升品牌影响力仍是主要的发展策略，随着品牌知 名度的提升，业务规模的扩大，大客户战略的有效实施和正在推进的降本增效及管理变革， 盈利指标有望逐步改善。

  在运动控制方面，埃斯顿通过全资收购英国 TRIO，TRIO 的控制器产品可以完善埃斯顿在 运动控制方面的布局，通过不断加强和 TRIO 的整合，加快提升以 TRIO 控制器为核心的解 决方案供应能力。埃斯顿运动控制产品的行业定位将从核心部件生产商转化为行业高端运 动控制解决方案提供商，与重要客户进行深度合作，以更多的产品价值创造，提升盈利水 平。

  汇川技术为国内工业自动化龙头企业，专注“信息层、控制层、驱动层、执行层、传感层” 核心技术，形成了通用自动化、智慧电梯、新能源汽车、工业机器人、轨道交通五大业务 板块。

  汇川技术通用自动化领域产品有变频器、伺服系统、控制系统（PLC/CNC）、工业视觉系 统、传感器、高性能电机、高精密丝杠、工业互联网等核心部件及光机电液一体化解决方 案。

  汇川技术 22 年收入以通用自动化业务为主占比接近 50%，通用自动化业务实现销售收入 114.65 亿元，同比增长 27.64%，其中，通用变频器实现销售收入 43.29 亿元，通用伺服 系统实现销售收入 49.89 亿元，PLC&HMI 实现销售收入 13.13 亿元，电液系统实现销售收 入 4.50 亿元（含伊士通）。同时毛利率较高，22 年达到 45.64%.

  22 年汇川技术紧抓新能源汽车、光伏、风电等行业市场结构性机会，实现营业收入 230.08 亿元，同比增长 28.23%，实现归母净利润 43.2 亿元，同比增长 20.89%。

  根据公司年报、睿工业统计数据，2022 年，公司通用伺服系统在中国市场份额约 21.5%， 位居第一名；低压变频器产品（含电梯专用变频器）在中国市场的份额约 14.9%，位居第 三名，位列内资品牌第一名；小型 PLC 产品在中国市场的份额约 11.9%，位居第二名，位 列内资品牌第一名。

  公司实现了工业机器人电控系统、伺服系统、丝杠、本体均自制，根据公司年报、睿工业 统计数据，2022 年，公司工业机器人在中国市场的份额为 5.2%，排名第七；其中，SCARA 机器人在中国市场的份额为 17%，排名第二，且为内资品牌第一名。

  雷赛智能专注为智能制造装备业提供运动控制核心部件及行业运动控制解决方案，产品包 括运动控制器、驱动器、电机等，产品已经广泛应用于智能制造和智能服务领域的各种精 密设备，例如光伏设备、锂电设备、3C 制造设备、半导体设备、物流设备、特种机床、 工业机器人、5G 制造设备、PCB/PCBA 制造设备、包装设备、医疗设备等。

  22 年雷赛智能收入中控制技术类收入占比 13.59%，驱动类（步进系统、伺服系统）收入 占比 77.92%。整体产品毛利率较高，控制技术类产品毛利率高达 70%左右。根据雷赛智能 公告信息，公司高端伺服产品已经达到并逐步超过外资品牌的中等水平，进口替代正在加 速；预计带动伺服产品营收增长 30%以上。随着高端产品比例提升，自产的电机与编码器 质量提升并且成本降低，伺服系统的平均毛利率预计会 1~2 年之内，逐步提升到 35%-40% 之间。

  22 年公司实现营业收入 13.38 亿元，同比增长 11.2%；实现归母净利润 2.2 亿元，同比增 长 0.91%，受自动化行业需求放缓影响公司增速也有下降。

  22 年公司分别发布限制性股票计划（草案）、股票期权激励计划（草案），限制性股票接 触限售期考核目标、期权行权考核目标为 22 至 24 年，以 21 年营收、净利润为基数，22 至 24 年增长率分别不低于 10%、30%、60%。

  技术领先的激光切割控制系统龙头，高功率产品持续进口替代。柏楚电子是一家从事激光 切割控制系统研发、生产和销售的高新技术企业和重点软件公司，致力于发展成为工业自 动化控制领域内优秀的品牌公司。主营产品包括随动控制系统、板卡控制系统、总线控制 系统以及相关配套产品（智能切割头、套料软件）等。中低功率方面国内市场占有率稳居 第一；高功率方面，总线系统进一步加快进口替代的步伐，国内市场占有率持续提升。

  中低功率业务为柏楚电子拳头产品，高功率控制系统逐渐发力，新产品逐步放量。板卡系 统和随动系统通常服务于中低功率激光切割设备，而高功率激光切割设备则部分使用板卡 系统、绝大部分使用总线系统。具体看，柏楚电子收入集中在中低功率产品上，高功率业 务逐渐发力、收入占比不断提升。高功率激光切割系统产品（主要指总线系统）的技术指 标和使用性能已达国际领先水平，市场认可度不断提升，有望逐渐改变当前国际厂商近乎 垄断的竞争格局。22 年柏楚电子收入中其他类产品同比增长 69.13%，主要是切割头、主 战卡系列产品得到客户认可快速放量。

  22 年受制造业景气度影响业绩小幅下降，1Q23 增长加速。柏楚电子 22 年实现营业收入 8.98 亿元，同比下降 1.64%，实现归母净利润 4.8 亿元，同比下降 12.85%，主要收到制 造业景气度较低影响。1Q23 柏楚电子成长明显加速，营收、归母净利润增速分别达到 42.39%/28.52%。

  掌握底层核心五大技术，融资加速扩张。公司是一家技术创新驱动型公司，在经验丰富的 核心技术团队的带领下，公司已拥有 97 项专利技术及集中于五大技术领域的多项专有核 心技术，形成了能够覆盖激光切割全流程的技术链，技术体系的完整性全球领先。工控领 域底层技术具备通用性，下游工业应用场景领域可不断复制。2022 年 4 月，公司定向增 发 366.5 万股、募集资金净额 9.58 亿元，拟投向智能切割头扩产项目、焊接机器人、高 端驱控一体等应用领域。我们认为，公司有望凭借扎实的底层技术，不断拓展新行业新领 域，实现长期健康发展。

  固高科技二十余年来专注于运动控制及智能制造的核心技术研发，形成了运动控制、伺服 驱动、多维感知、工业现场网络、工业软件等自主可控的技术体系，构建了“装备制造核 心技术平台”，为各行业 2,000 多家装备制造商累计部署超过 50 万套先进运动控制系统， 协助装备制造商开发出适应终端产业发展且具备高性能、高性价比的工业装备。

  固高科技以运动控制技术为核心，形成运动控制核心部件类、系统类、整机类的产品体系。

  固高科技 22 年实现营业收入 3.48 亿元，同比增长 3.15%，增速有所放缓，主要由于 3C 为公司最大下游应用领域，22 年 3C 需求疲软对公司业绩造成一定影响。22 年固高科技归 母净利润增速低于收入增速，主要受股份支付费用、芯片等原材料涨价、员工薪酬等成本 费用增长较多的影响。

  固高科技目前收入主要来自于运动控制核心部件类产品，包括运动控制器、伺服驱动器、 驱控一体机等，部件类产品毛利率较高近年在 55%以上。

  在工业机器人控制领域，固高科技已实现了一定技术积累： 1）固高科技从成立之初就尝试在机器人行业提出一套全新的控制解决方案，到 2008 年启 动机器人驱控一体控制器硬件开发之时，软件算法层面已经形成了对机器人控制领域的创 新型架构：将公司创始人李泽湘教授在机器人在非完整约束下的运动规划理论实际运用于 公司面向机器人行业的复杂机器人构型运动学正逆解以及动力学优化，并形成算法层的硬 件加速能力。 2）基于开放性可重构的原则创新性地定义了面向机器人行业的驱控一体产品，更好地实 现机器人系统部件间功率平衡，从系统可靠性和可维护性角度出发大大降低了客户的综合 维护成本，同时又逐步提升了运动控制系统的易用性，近几年机器人行业已较为广泛采 用驱控一体的控制管理系统架构。

  （本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）