【申万宏源】机器人行业深度报告系列之15：机器人控制器：人形机器人行动之脑，全球本体厂商必争之地.pdf

2023-12-04

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1. 控制器：人形机器人之“大脑&小脑”

1.1 控制器：人形机器人核心基础

人形机器人控制器框架通常包括感知、语音交互、运动控制等层面。1）视觉感知层：由硬件传感器，算法软件组成，实现识别、3D 建模、定位导航等功能；2）运动控制层：由触觉传感器、运动控制器等硬件及复杂的运动控制算法组成，对机器人的步态和操作行为进行实时控制；3）交互算法层：包括语音识别、情感识别、自然语言和文本输出等。

以 UCLA 的人形机器人平台 ARTEMIS 为例，其控制架构包括硬件接口、仿真界面、控制器接口、安全接口，由中央处理器（CPU）来共享和存储数据和信息。由于目前人形机器人技术方案尚未定型，技术快速迭代，控制器适合采用模块化结构，从而便于更换组件，简化创建不同控制器组合的过程。① 硬件接口：包括执行器、惯导（IMU）、传感器等，反馈关节位置、速度、扭矩等数据信息；② 仿真界面：模仿硬件接口的功能从而进行仿真环境的模拟测试；③ 控制器接口：读取到内外部环境信息后，对运动控制器等发送指令；④ 安全接口：在检测到任何错误行为时关闭机器。

运动控制器是人形机器人控制架构中最重要且复杂的模块之一。对于人类而言，人类可以结合使用不同的感官，如视觉、触觉和听觉等来应对环境中的不确定性，经过长时间的走路训练，运动控制早已内化为“下意识”动作。对于机器人而言，如果机器人在不平坦地面和不确定的外部环境中进行动态运动，运动控制器需要实时调整其计划和轨迹，并协调双足和全身肢体的状态。以 ARTEMIS 为例，其运动框架十分复杂，由运动控制器、步态调度、步态规划、轨迹规划器、全身控制器组成。运动控制器接收当前广义坐标（q,q  ）、力矩(  )和接触状态 ( c )，并计算所需的前馈力矩(τ)和关节反馈。步态调度决定何时移动末端执行器，步态规划决定将末端执行器移动到哪里，轨迹规划器和全身控制器决定如何移动末端执行器、质心和身体。

1.2 技术攻关关键环节，国家政策重点支持

“大脑”和“小脑”是人形机器人产业化落地的关键所在，也是技术难点所在，不仅是各家人形机器人厂商竞争的关键点，也是目前政策层面重点支持的环节。在今年两大工信部发布的人形机器人重磅政策中，“运动控制”均放在关键位置。 2023 年 9 月工信部发布《人形机器人揭榜挂帅任务榜单》中，排在核心基础首位的技术为全身动力学控制算法。揭榜任务为：面向人形机器人高动态行走的全身控制问题，突破人形机器人多体动力学实时模型、基于全身力矩的模型预测控制、长距离离线身体姿态和落足点规划、在线步态规划与实时姿态跟踪、面向仿人机器人高爆发关节伺服阻抗控制等关键技术。形成人形机器人高动态行走控制方法，在人形机器人实物平台上进行实验验证。预期目标为：到 2025 年，建立人形机器人高动态行走控制算法，可支持具有双足、双臂、腰、髋、膝、踝等不少于 28 个自由度的人形仿生机构。支撑人形机器人实现平地、斜坡、台阶、非平整路面、松软路面等环境的高动态行走，平地最大行走速度≥4km/h, 最大奔跑速度≥9km/h。

2023 年 11 月，工信部联合多部门发布《人形机器人创新发展指导意见》，控制器为重点突破产品。政策目标到 2025 年，人形机器人创新体系初步建立，“大脑、小脑、肢体” 等一批关键技术取得突破。其中，“大脑”基于人工智能大模型，增强环境感知、行为控制、人机交互能力；“小脑”用于控制人形机器人运动，搭建运动控制算法库，建立网络控制系统架构。控制器产品发展目标为：面向高实时协调运动控制需求，研发具有高动态运动驱动、高速通信等功能的专用芯片，研制“感-算-控”一体化的高性能运动控制器。面向人形机器人认知与决策需求，研发具有多模态空间感知、行为规划建模与自主学习等能力的智能芯片，提升人形机器人协调控制能力。

1.3 横向对比成熟产业，底层原理殊途同归

1.3.1 工业机器人 vs 人形：控制精度和工艺理解要求更高

工业机器人控制器作为机器人的“大脑”，具有控制机械臂的工作状态、运动轨迹、空间位置、操作顺序等功能。工业机器人对控制器的基本要求包括：① 控制工业机器人的位置、速度、加速度等，对连续轨迹运动的机器人还要有轨迹规划和插补运算功能；② 人机交互：工作人员使用示教器、操作面板，对机器人进行编程等；③ 外部感知：部分场景需要工业机器人对视觉、力觉、触觉等有关信息进行测量感知，有时需要与其他设备交换信息和协调工作。

工业机器人控制器通常是 PC-Based 控制，由硬件和软件组成： ① 硬件：硬件由工控计算机和示教器（示教编程使用）/电脑面板（离线编程使用）组成。其中，工控计算机由 PCB 电路板（将电子元器件与电气连接）、IC 芯片（晶体管、电阻、电容等微电子元器件形成的集成电路）、晶体管（基于输入电压控制输出电流）、电阻电容（阻碍电流，在电路中起分压、分流、限流等作用）组成。工控计算机另外包含操作面板、通信接口、网络接口、传感器接口和驱动器接口等。 ② 软件：软件由控制算法和二次开发（客户定制化开发），部分工业机器人采用示教编程，工作人员通过示教器控制工控计算机；部分工业机器人需要工作人员进行离线编程，生成机器人的运行轨迹。

机器人控制器架构分为集中控制、主从控制、分布控制三种类型。 1）集中控制是由一台机器人实现全部控制功能，结构简单，成本低；但实时性差，难以拓展，可靠性低，是早期机器人的常用结构；2）主从控制是采用主、从两级处理器实现系统的控制功能，主 CPU 实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等，从 CPU 实现所有关节的动作控制，实时性好，适用于高精度、高速场景；但系统扩展性较差，维修困难； 3）分布控制采用“分散控制，集中管理”思路，系统对总体目标和任务进行综合协调和分配，子系统协调来完成控制任务；其特点为灵活性好，可靠性提高，有利于系统功能的并行执行，提高效率，易于拓展，可实现智能控制；缺点为当自由度数量和算法变得复杂时，控制性能会恶化。

与人形机器人控制器相比，工业机器人的区别主要在于： 1）工业机器人有精度要求：工业机器人目前达到的运动控制精度在 0.1mm，相比机床的控制精度微米级别有所差距，但远高于人形机器人的要求； 2）控制器算法决定运动精度，算法与工艺理解密切相关：工业机器人应用于汽车、光伏等工厂场景中，控制器需要二次编程，程序员需要深入了解工艺 knowhow 和客户需求，才能不断优化算法，提高控制器的运动精度；人形机器人不用于精密加工，因此对工艺理解和精度要求低。 3）控制的复杂度不同：工业机器人控制器控制的自由度少，传感器数量少；人形机器人控制器主要用于控制更复杂的全身自由度以及灵巧手自由度、步态控制和全身协调控制等，需要连接的外部传感器更多（视觉、力觉、触觉、听觉等），应用场景更加复杂多元化，需要引入人工智能大模型，算法和算力要求高。

1.3.2 扫地机器人 VS 人形：简化的移动型机器人框架

扫地机器人系统可以分为以下几个子系统：传感器、控制器、驱动电机、电池及电源管理等部分。首先，扫地机器人通过激光雷达、摄像机以及多种传感器构建的"感知层"，将环境的信息传递给扫地机器人的"大脑"。导航系统利用这些传感器提供的数据利用 SLAM 算法，通过软件的方式进行路径规划，确保机器人在空间中准确定位自己的位置并构建环境地图。地图建立完成后，导航系统将其传递给 MCU 芯片。MCU 芯片主要负责运动控制，根据地图信息和路径规划，精确地指导扫地机器人进行清洁工作。

扫地机器人作为智能化的小家电产品，控制器是核心零部件之一。目前常见的扫地机器人主要使用 MCU 控制器。它主要完成以下任务： ① 数据采集功能：MCU 控制器通过向各传感器发送选通信号，按顺序与各个传感器通信，实时完成信息数据采集。 ② 障碍物识别与规划：MCU 根据接收到的数据信息，计算并判断障碍物的相对位置和体积大小。结合预设规则，确定相应的避障措施，如前进、左转、右转、后退或调头。 ③ 电机控制：在确定避障措施后，MCU 向步进电机输出相应的控制脉冲，确保机器人以精确的方式执行避障动作，灵活地移动。 ④ 远程控制和状态调整：MCU 接受来自遥控器的指令，允许用户调整机器人的工作状态。同时，监测电池剩余电量，指挥智能吸尘器自动返回充电桩进行充电管理。

人形机器人的控制原理与扫地机器人相似：1）扫地机器人控制器主要用来规划路径，避障，以及人机交互。例如：人类设定打扫范围，以及语音指导扫地机器人进行打扫，由数字信号处理器和微控制器对执行层（电机）进行控制和回馈外部信息。小米及 TCL 等扫地机器人采用意法半导体的 M3 微控制芯片作为路径规划的控制芯片。2）人形机器人控制器涵盖运动规划和人机交互。运动控制器接收当前广义坐标、力矩和接触状态，并计算所需的前馈力矩和关节反馈，进而控制执行器的状态。

区别在于：人形机器人控制器所需的算法实时性要求高，控制器处理能力远高于扫地机器人。人形机器人的执行器和传感器数量更多，并且要求在尽可能短的时间内完成感知、决策规划和运动控制以及反馈，对软硬件的响应程度和配合要求较高。另外，基于软件算法的研发及模型化执行和操作对算力要求也很高。

1.3.3 汽车控制器 VS 人形：涉及环节更复杂，车规级要求

随着汽车电动化、智能化持续渗透，汽车控制器不断更新迭代，从分布式向域控制、中央集中的趋势发展。① 分布式架构：分为模块化（汽车的每个功能拥有独立 ECU）和集成化（设计开始进行功能集成），传统分布式架构缺点包括算力分散无法高效利用、线束成本重量劣势、无法支持高带宽车内通信、后续升级维护困难等。② 域控制器架构：包括集中化（域中心控制器）和域融合（跨域中心控制器，如特斯拉 Model 3）。集中式架构优势包括节约成本、降低装配难度；提高通信效率，实现软硬件解耦，便于整车 OTA 升级；集中算力，减少冗余等。③ 车辆集中架构：分为车载电脑和车-云计算，也是未来汽车发展的方向。

以特斯拉的汽车控制器为例，其主要经历了三次发展：1）Model S 基于功能进行域划分，ADAS 模块横跨动力域和底盘域；2）Model X 实现跨域的模块化深入，使用跨域中心控制器控制整车；3）Model 3 打破了域的限制，实现了全车模块化。汽车行业内的主流发展方向是五大各有一个大脑，起到中枢运算的作用，该域内所有的运算逻辑均由域控制器完成，其下面通过 CAN 或 LIN 总线连接各种传感器和执行器。Model 3 的设计思路与此并不相同，其采用了大集成的概念，即把一个区域范围内可见到的控制器都集成在一起，融合成一个超大控制器，好处在于大大降低了单车成本。

从 HW2.0 起，特斯拉开始采用自研智驾域控制器，FSD（完全自动驾驶）是特斯拉推出旨在实现全无人驾驶的智驾产品。其由多颗英伟达芯片构成的算力平台，8 颗 1.2MP 的摄像头接入到域控当中，并与毫末波雷达信息进行融合。当前大规模部署的 HW3.0，特斯拉对域控算力进行了大升级，从英伟达的算力平台改为自研的 FSD 芯片和 NPU，GPU 算力提升了 12 倍，每秒可以处理的视频帧数也提升了将近 21 倍。

基于功能集中分区，智能驾驶汽车电子控制系统分为动力域、底盘域、座舱域、自动驾驶域和车身域五域。其中，自动驾驶域是现阶段承载整车个性化智能体验的关键所在，也是目前车企的竞争焦点和布局重点。在现阶其功能开发和实现需要涉及大量 AI 运算，因此对芯片所提供算力、操作系统底层算法要求很高；而其他域控制器涉及整车安全的部件较多，因此对功能安全等级要求更高，对芯片算力要求和功能智能化程度相对较低。

自动驾驶汽车域控制器和人形机器人的控制器的结构和控制原理类似。 1）自动驾驶域能够使车辆具备多传感器融合、定位、路径规划、决策控制、图像识别、高速通讯、数据处理的能力。自动驾驶域通常需要外接多个摄像头、毫米波雷达、激光雷达等等车载传感器来感知周围环境，通过传感器数据处理及多传感器信息融合，以及适当的工作模型制定相应的策略，进行决策与规划。域控制器的输入为各项传感器的数据，所进行的算法处理涵盖了感知、决策、控制三个层面，最终将输出传送至执行机构，进行车辆的横纵向控制。 2）机器人运动控制器充当着大脑和小脑的作用，用来控制机器人的肢体行为。比如，机器人行走这一动作，需要根据感知的环境规划出目标路径，经由运动规划器（Locomotion Planner）生成参照投影，产生步伐运动行走方案，再由运动控制器转化为机器人身上各个执行器的扭矩、速度输出，呈现为机器人按照运动规划的步伐方案前进。但是汽车和人形机器人在控制精度、算法要求、接口复杂程度不同：1）自动驾驶对运作精细度、安全性等要求更高：通常车的驾驶速度远高于人形机器人的行走或奔跑速度。2）人形机器人外部环境复杂，对算法的要求更高，更需要依赖神经网络来解决路径规划和执行的问题。车辆主要面对道路环境。3）汽车要控制的零部件数量远多于机器人，所以采用域控制结构来进行集中管理，提高效率；但人形机器人的部件较少，且分布相对密集。

1.3.4 Tesla FSD vs Optimus

2023 年 11 月 25 日，特斯拉已经向员工推出全自动驾驶（FSD）V12 版本。这一版本将实现全新的“端到端自动驾驶”技术，首次采用神经网络进行车辆控制，包括转向、加速和制动，摒弃了之前超过 30 万行的代码，更加依赖神经网络，减少了对硬编码编程的依赖。FSD V12 通过将摄像头获取的图像数据输入神经网络，使网络能够直接输出车辆控制指令，如转向、加速、制动等。这种方法更类似于人类大脑的工作方式，其中 99%的决策都由神经网络完成，不再需要高精度地图或激光雷达。仅凭借车身摄像头的视觉输入，系统能够进行分析和思考，输出相应的控制策略。

FSD 落地的两大技术底座为：BEV+Transformer 的感知算法架构、Dojo 超算系统。前者为 FSD 提供了不依赖高精地图的感知和定位能力，后者则是支持算法快速迭代响应用户反馈，实现高效数据闭环。

1）BEV+Transfomer

在特斯拉 2021 年的 Tech Day 中，提出采用 BEV（Battery Electric Vehicle）并结合 Transformer 技术进行特征级融合。该技术将车辆四周摄像头捕捉到的画面进行三维构建，通过 Transformer 提取共同特征。在无需依赖高精度地图的情况下，实现对车辆周边的实时构图，并准确判断车辆周围物体的位置、轮廓，以及交通设施如车道线、路墩、信号灯等。

2）Dojo 超算系统

特斯拉于 2021 年 AI Day 推出 Dojo 超算系统，Dojo 系统是一个创新的非冯诺依曼设特斯拉在 2021 年的 AI Day 中发布了 Dojo 超算系统，这一创新性的非冯诺依曼设计支持并行运算。Dojo 系统配备了丰富的网络结构和接口，平衡了资源扩展和功耗，并提供了相应的存储和调度结构。公司认为，超算中心对于支持 FSD（Full Self-Driving）大数据模型演进至关重要。通过充分利用 Dojo 系统的高稳定性、高拓展性以及高并行算力特性，公司构建了更为高效的数据标注、算法迭代和模拟验证能力，持续扩大 FSD 的算法领先优势。特斯拉可将汽车的 FSD 技术运用到了人形机器人上。特斯拉工程师团队表示，从机器人概念到设计，再到生产和验证的全过程，他们均使用车辆设计作为基础。两者有许多相似之处，大部分设计经验可以从汽车延续到机器人。马斯克曾说“汽车是四的轮子的机器人，而 Optimus 则可以看作是一个有四肢的机器人”。1）人形机器人的外部环境更复杂，更需要依赖神经网络解决路径规划和执行问题，FSD 系统若整合到人形机器人系统中，端到端解决方案有望显著提升人形机器人的视觉感知水平和运动规划、控制能力；2）人形机器人的算力要求高，Dojo 超算系统可为其提供支持。

自从 Optimus 在 2022 年 AI Day 首次亮相以来，其视觉感知能力大幅提升，运动控制能力不断进化迭代。根据 2022 AI Day 展出的视频，2022 年 4 月，Optimus 迈出第一步；2022 年 7 月，Optimus 解锁了骨盆的应用来保持平衡；2022 年 8 月，手臂开始发挥作用；2022 年 9 月，脚趾开始感应，运动速度提升。随着越来越多关节加入训练，运动速度提升。另外，Optimus 采用运动重心控制算法，对高度信息和质心判断自身状态，从而在行走时或者在受到一定外力冲击的情况下保持平衡。根据特斯拉后续公布的视频，Optimus 的运动控制能力进步飞快。2023 年 5 月，单腿实现原地跳跃，整机完整度和稳定性提升，机器人步态、灵巧手抓取更加流畅（之前步态缓慢、手部抖动）。2023 年 9 月，Optimus 可以基于纯视觉和关节位置编码器，自我校准双手、手臂和腿，可以在空间中精准定位四肢；机器人在视频里实现拉伸、伸展全身、单腿站立平衡等高难度动作，姿态控制和自平衡能力跃升。可以看到，特斯拉已经打通了 FSD 和机器人的底层模型，依赖神经网络模型和视觉技术，不断优化 FSD 算法，在感知环境与自主分析做出运动方面表现较好。

2. 工控领域：控制器发展成熟，国产替代潜力巨大

2.1 控制器经上百年发展，多种技术路线共进

运动控制系统是机械设备的核心部件，其功能为实时控制机械运动部件的轨迹、位置、速度、加速度等，以确保它们按照预定的运动要求进行移动。一套完整的运动控制系统包括：运动控制器，驱动器、电机、传感器等。其中，控制器利用对被控制的机械系统的运动学和动力学模型进行运动规划和控制预测。同时，通过多种传感器提供的信息进行反馈，实现闭环控制。运动控制器内部集成了逻辑控制、精确定位、轨迹控制等算法，从而完成特定的运动轨迹、位置、速度和加速度，以及精确输出符合控制目标的指令，例如温度、流量、压力、位移等。

运动控制系统伴随着工业电气化、自动化、智能化的过程，不断吸收先进技术，衍生出众多分支。早期运动控制系统由数字逻辑电路构成，随着微电子和计算机技术的发展，计算机软件已取代硬件电路，进而可以实现复杂控制算法，并且可以在使用过程中通过升级来提升性能或改变用途。根据使用场景不同，运动控制系统分为数控系统（CNC）、通用运动控制器（GMC）、可编程逻辑控制器（PLC）等。

① 数控系统（CNC，Computer Numerical Control System）

数控系统是专门针对数控机床开发的运动控制系统，它能够按照零件加工程序的数值信息指令进行控制，使机床完成工作运动并加工零件。根据所控制的运动轴数和联动关系，数控系统被定义为 M 轴 N 联动数控系统。机床的运动控制与其他设备的运动控制并不存在本质区别，因此也经常能够见到数控系统用在其他自动化设备上，例如自动化装配线等。

② 可编程逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller）

最初发明的 PLC 只能进行逻辑控制，所以被称为可编程逻辑控制器，随着计算机的发展也增加了许多新功能。PLC 特点在于它主要面向逻辑控制，控制对象为 IO（Digital 或 Analog），类型更广泛，运动控制只是其中一个部分，因此运动控制相对较为简单。

③ 通用运动控制器（GMC，General Motion Controller）

通用运动控制器是不面向特定设备的运动控制器。其主要任务是根据运动控制的要求和传感器件的信号进行必要的逻辑、数学运算，为电机或其它动力和执行装置提供正确的控制信号。PC-Based 控制器是指基于个人电脑（PC）的控制系统或控制器。这种控制器通常使用个人电脑硬件和软件来执行各种自动化、监控和控制任务。

④ 专用控制器

专用运动控制器是一种特定类型的控制器，设计用于实现高度定制化和特定应用的运动控制任务。与其他通用控制器相比，专用运动控制器更加专注于执行特定的机械运动或运动控制任务。专用运动控制器在许多领域得到广泛应用，如数控机床、激光切割控制系统、激光标刻控制系统、点胶控制系统等需要高度精准和可定制化运动控制的领域，由控制器厂家根据行业应用工艺需求完成应用软件的开发，设备制造商无须二次开发即可直接使用。不同类型运动控制系统在持续迭代中也存在交叉之处，因此边界往往并不清晰。例如， ① 原先 PLC 用于控制自动化程度较低的设备，但随着纺织机械、印刷机械、包装机械等领域的自动化需求不断提高，PLC 运动控制功能越来越强；② 随着设备的不断创新，数控机床与自动化设备缺乏严格的界定标准；有些设备采用了 GMC 架构的数控系统，有些配置了吸收 CNC 功能的通用运动控制器。

2.2 通用控制器：灵活性、通用性强，可用于复杂控制

运动控制器由硬件、固件、软件等组成。其中硬件部分包括微处理器、存储器、接口电路、通信接口、电源等；固件是指固化在微处理器、存储器、可编程逻辑器件等元件中的软件；软件部分由实时操作系统、运动控制指令编译器、运动控制参数的预处理及优化、运动控制函数、通信管理等模块构成。PC-Based 控制器是指基于个人电脑（PC）的控制系统或控制器。这种控制器通常使用个人电脑硬件和软件来执行各种自动化、监控和控制任务。

PC-Based 控制器根据具体型号可以分为插卡式，嵌入式和网络式三类。 ① 插卡式控制器需要插入工业计算机中才能运行，以“板卡”形态存在，通常采用高性能 DSP 和 FPGA 作为核心处理器，系统通用性强，可拓展性强；适用于 3C 电子、半导体、工业机器人、包装等应用场景。 ② 嵌入式控制器集成了工业计算机和插卡式控制器，对于那些需要高速运算和微秒级响应时间的应用，采用专门设计的运动控制器更为合适。这些专用处理器可以确保非常快速的控制周期，特别适用于对速度和精度有极高要求的高级制造领域。适用于针织机械、激光、切割、点胶机等场景， ③ 网络式控制器，其与伺服驱动系统的链接是采用各类工业总线形式，如 Ethercat。等，应用场景包括半导体加工、激光加工设备、PCB 钻铣设备、机器人、数控机床、木工机械、印刷机械、电子加工设备和自动化生产线等。

根据睿工业 MIR 数据，2022 年中国 PC-based 运动控制器行业规模约为 32.64 亿元，预计到 2025 年中国 PC-based 运动控制器行业规模约为 40.2 亿元。PC-Based 运动控制器主要应用于 3C、半导体、工业机器人和机床等领域。截至 2022 年，PC-Based 运动控制器的主要应用领域中，3C 产业、半导体制造、工业机器人分别占据前三位，分别占比 16%、 15%和 11%。

PC-based 控制器市场以国外成熟厂商占据市场前端，但是国产品牌渗透率较高。根据睿工业 MIR 数据，2022 年市场前五名除去海外企业倍福占比 21%，其余均为国产品牌，以研华，固高、雷赛、维宏电子为代表的国产企业占据市场 35%，逐步成为 PC-based 运动控制器领域的重要力量。因此，在 PC-based 运动控制器市场，中低端市场主要以国产厂商为主，但整体技术水平与外资厂商还有一定差距，高端市场仍然受外资企业控制。

2.3 PLC：面向逻辑控制，编程简单易用性高

PLC 硬件结构与微型计算机类似，由电源、CPU、存储器、I/O、功能模块、通信模块等构成。根据按 I/O 点数的不同，可分为微型、小型、中型和大型。小型 PLC 接口点数小于 256，体积更小，价格更低，但功能单一，只能实现简单的控制系统。中大型 PLC 接口点数大于 256，往往具有更强大的控制功能，可用在复杂的逻辑生产系统或大型生产设备的自动化控制中，但是其价格高，技术壁垒高。

PLC 和 PC-Based 控制器在项目精度和实时性等功能上存在区别，因此适用于不同的下游应用场景。 1）PC-Based 控制器和专用运动控制器注重复杂运动算法的控制，拥有更强的数据传输和管理能力，适用于连续性控制和高精尖的流程型行业。因此，这些控制器经常适用在需要高度精确和实时性的领域，如工业机器人、半导体制造和医疗设备等。这些控制器具有强大的计算能力和快速的控制周期，以确保运动和操作的高精度和高速度。 2）PLC 更侧重于局部逻辑控制，更适用于单点控制的离散性作业。因此，在一些对精度和实时性的要求较低的应用中，例如家用电器，传统制造业等，通常可以使用较简单的 PLC 控制器。

根据睿工业 MIR 数据，2022 年 PLC 市场规模大约为 170 亿元。具体细分为大型 PLC 市场规模约为 85.8 亿元，同比增长 8.8%；小型 PLC 市场规模约为 84.1 亿元，同比增长 5.6%。此外，根据 MIR 的预测，到 2025 年，PLC 市场规模预计将增至约 180 亿元，其中小型PLC 市场规模预计将达到86.5 亿元，而中大型PLC 市场规模预计将达到93.6 亿元。

PLC 作为工业控制的核心控制器，是整个工控系统的大脑，也是维护工控产业链安全的核心组成部分。目前 PLC 大陆厂商市占率依然较低。在全球市场竞争格局中，欧美厂商在中大型 PLC 市场具有强大的话语权，而日系和台系厂商主要专注于中小型 PLC 市场。随着自主可控性的提高，中国大陆厂商凭借产品性价比高、交期短、快速响应客户需求的优势，正迅速占领中小型 PLC 市场份额，挑战日、台系厂商的地位。

① 小型 PLC：小型 PLC 市场的准入门槛相对较低，主要应用于 OEM 市场，由于下游客户对价格敏感，导致小型 PLC 市场同质化问题严重，竞争激烈。OEM 市场主要以代工生产为主，通常涉及传统产业的升级和新兴产业的自动化。行业种类较为分散，2022 年电池、纺织、包装、电子制造分别占比 7%、7%、6%、5%。小型 PLC 市场竞争格局相对分散，呈现一超多强的市场模式。2022 年我国小型 PLC 市场竞争相对分散，其中 TOP2 占据约 53%的市场。西门子的小型 PLC 表现强竞争力，汇川、三菱、欧姆龙分列二三四位。以汇川、新捷为主的国产品牌市场竞争力持续提升。

② 中大型 PLC：中大型PLC 市场的技术难度较高，主要应用于项目型市场。由于中大型 PLC 工艺复杂，主要应用于项目型市场，用户对产品安全性和抗干扰性要求高。项目型市场指的是独立的单一项目，通常要求满足特定行业的极强针对性需求。在项目型 PLC 市场中，客户对工业事故的容忍度较低，因此需要 PLC 设备与平台之间形成强大的稳定性。行业种类相对集中， 2022 年电池、冶金、石化、物流分别占比 13%、10%、9%、7%。中大型 PLC 存在“技术+客户+组网/排他性”等壁垒，外资品牌凭借领先的技术优势、完善的销售与服务网络占据垄断市场地位。长期的技术积累使得设备与平台的稳定性成为 PLC 企业的核心竞争力。客户信任成本、前期投入、PLC 生态、售后服务以及使用习惯等因素共同提高了 PLC 客户的迁移成本，加强了客户的粘性，使得客户壁垒较为显著。 2022 年中大型 PLC 市场竞争相对集中，以西门子、欧姆龙和三菱为主导，合计占比超过 85%。罗克韦尔，基恩士，施耐德占比均超过 4%。西门子的中大型 PLC 在市场中表现最为强势，欧姆龙和三菱的市场占比分别为 14%、9%。罗克韦尔、施耐德和基恩士在中大型 PLC 市场中分别占有 7%、4%和 6%，中国企业在中大型 PLC 市场中竞争力不足。

2.4 数控系统(CNC)：针对数控机床开发，精度要求高

数控系统是数控机床的“大脑”，是数控机床中技术含量极高的核心部件，占数控机床成本 20%左右，一般由控制系统、伺服系统和检测系统三部分组成：1）控制系统硬件（数控装置）是具有输入输出功能的专用计算机系统，发出控制指令到伺服系统；2）检测系统可检测机床部件运动位置、速度，并反馈到控制系统和伺服系统，来修正控制指令；3）伺服系统将来自控制系统的控制指令和检测系统的反馈信息进行比较和控制调节，驱动机床部件按要求运动。数控系统是专门针对数控机床开发的运动控制系统，它能够按照零件加工程序的数值信息指令进行控制，使机床完成工作运动并加工零件。根据所控制的运动轴数和联动关系，数控系统被定义为 M 轴 N 联动数控系统。根据其控制机床类型不同，数控系统可以分为：车床系统、铣床系统、加工中心系统、雕刻雕铣机系统、切割机系统等。车床等加工的机械零件较为标准化，运动控制功能比较简单。加工中心、雕刻、雕铣等数控系统面向复杂的空间曲面加工，有些整合了如自动换刀、网络、机器视觉等功能，系统更加复杂。

经济型系统已基本实现国产化，国内企业正专注于中高端数控系统的进口替代。中国机床工具工业协会对数控系统按功能、水平分为三类，即经济型数控系统、标准型数控系统和高档型数控系统。其中，标准型和高档型数控系统由于技术难度大，功能、性能和可靠性要求高，国内生产企业相对较少，市场份额主要集中在日本发那科、德国西门子等国际企业，国内以华中数控为代表的优秀系统公司目前正专注于中高端数控系统的进口替代。经济型数控系统技术较为成熟，国内市场份额已基本被国产品牌占据。

高档型数控系统关键在于技术水平，产品附加值极高，市场主要由德国西门子、海德汉占据。标准型数控系统关键在于产品可靠性，产品附加值较高、稳定性高，市场主要由日本发那科、三菱占据（日本厂商基本不向我国出口高档数控系统）。经济型数控系统主要取决于产品价格，进入门槛较低，主要以国产品牌为主，市场竞争激烈。

数控系统产品技术壁垒高，市场仍被海外品牌所占据，中高端系统国产替代空间广阔。根据中国机床工具工业协会数控系统分会统计，在国内不同档次的数控系统市场中，国产和国外品牌的占有率差异较大。根据睿工业 MIR 数据，按系统销量计算，2022 年发那科、三菱、西门子等国外品牌占有率约 45%，按照数控系统销售金额计算，这三家厂商合计占据我国数控系统市场 67%的份额。以国内数控机床生产商纽威数控为例，2018-2020 年公司数控系统进口或境外品牌的采购占比分别为 99.81%、99.53%和 99.88%，其中采购自发那科的占比分别 82.97%、82.13%和 79.85%。

2.5 硬软件和集成为突破瓶颈，国产替代空间巨大

从运动控制器包括硬件、软件、定制设计和集成等，是控制器产品拉开差距的原因。1）硬件：硬件包括处理器、控制芯片、传感器、电机驱动器和连接器等，高性能的处理器和专用的控制芯片通常价格较高，而高精度的传感器和电机驱动器也会增加成本。2）软件：控制器需要开发相应的控制算法和运动规划软件，以实现精准的运动控制和定位。软件的开发和调试需要专业的开发人员和工具支持。3）工程设计和集成：针对专用运动控制器特定的应用需求，可能需要定制化的工程设计和集成过程，以确保控制器的适配性和可靠性。

（1）硬件差距主要在于芯片

芯片是影响工控系统性能和未来发展最为关键的零部件。目前 DCS 、SIS 、PLC 所应用的关键 MCU 芯片、工业总线芯片、高精度传感器、工业级模拟芯片等主要来自进口。常规系统国产芯片用量占比不足 30%。美国近年来以芯片为武器，对我国采取一系列不断升级的限制措施。由于工控系统所用芯片基本采用成熟工艺，较少采用先进工艺，目前看来对工控系统供应链的稳定影响并不大，但断供的潜在风险非常大。而且，对先进制程的限制将会限制未来工控系统的技术进步。当前工控系统使用国产芯片存在的主要问题有：产品种类少、部分关键品类缺失；国内厂商设计、工艺能力相对较弱，针对工控行业客户的应用经验少，客户群体少，和行业应用场景匹配性比较差，在降额设计、材料应用测试等方面的不足都会影响产品细节参数；前期器件验证通过后，后面批量产品质量一致性差等。在芯片方面，西门子、施耐德、罗克韦尔的 PLC 均采用定制 SoC 芯片替代主控制模块和 IO 模块的通用 CPU 芯片。在足够大的产品数量条件下，定制 SoC 芯片方案相比分立芯片方案的 BOM 成本有较大的下降，且体积小，功耗低，抗干扰强，性能高。国产 PLC 由于产量小，开发投入有限，无力定制 SoC 芯片。

（2）软件差距较大：主要在于精度和通用性

运动控制器软件性能包括控制器算法和二次开发平台的易用性。 1）控制器的算法水平对运动精度产生直接影响。算法水平的高低又受到对客户工艺的理解、并且需要时间和项目经验的积累，形成应用-反馈-迭代的闭环，外资具有先发优势，在控制器算法方面的优势相对难以撼动。 2）控制器通常采用封闭结构，导致了开放性、软件独立性、容错性、扩展性和网络功能等方面的不足，难以满足智能化和柔性化的需求。不同的工业机器人公司通常拥有自己独立的软件开发环境和专用的机器人编程语言，如 ABB 的 RAPID、库卡的 KRL、安川的 INFORM、川崎的 AS 以及发那科的 Karel 等。因为不同制造商采用不同的软件系统，再加上国内制造商在机器人控制器软件技术方面的优势尚不明显，所以国内工业机器人控制器在市场上尚未广泛应用。 3）易用性：国外 PLC 大厂大多采用实时多任务操作系统和实时控制软件，可以实现单次、周期、连续运行、中断等多种 PLC 运行模式和多任务控制，组态软件提供与 SCADA 、 MES 等系统的一体化设计能力和工具，可以实现一次编程处处可用，降低了智能工厂工程实施工作量。国产 PLC 大多采用通用嵌入式操作系统，多任务性能差，任务执行周期不稳定，不能满足高速多轴联动控制、高速生产线等复杂机器控制要求，组态软件与第三方系统集成工作量偏大，且操作方式复杂，易用性差。

（3）国内厂商使用的网络协议不足以进入高端市场

网络协议方面，国外产品大多自主研发工业实时以太网协议，且一般只将常规协议部分形成 IEC 国际标准或开源部分代码，而用于复杂控制应用的协议部分和代码不公开。国内厂家由于网络研发能力不足，大多直接使用 IEC 标准和开源代码，经常在复杂控制应用时发现不够用，难以进入高端市场。通用控制器市场国产替代潜力大。外资品牌通常定位于高端市场，随着近年来国内品牌的不断发展，也取得了一定的突破。1）PLC 控制器市场，以汇川等国内企业逐步扩大销售规模。2）PC-Based 控制器市场，国内品牌公司，如固高科技、雷赛智能、成都乐创、众为兴等，已经占据了市场份额的 70%以上。《“十四五”智能制造发展规划》明确提出，到 2025 年，我国的供给能力明显增强，智能制造装备和工业软件技术水平和市场竞争力显著提升，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。

3. 重点环节及公司梳理

3.1 工业领域控制器

3.1.1 通用控制器

（一）固高科技：运动控制核心部件类、系统类、整机类全产品体系覆盖

公司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。其中，核心部件类是公司自成立以来的业务根基和主要收入来源；系统类、整机类产品是公司聚焦特定应用场合、立足解决特殊产业痛点而实施的垂直整合战略，是未来重点布局业务。公司长期专注于运动控制及智能制造核心技术的自主研发，技术、产品和系统解决方案广泛应用于半导体装备、工业机器人、数控机床、3C 自动化与检测装备、印刷包装设备、纺织装备等高端装备制造领域。公司服务的客户包括大族激光、博众精工、新益昌、联赢激光、阿达智能、南通振康、广东科杰、亚威股份、慈星股份等国内高端装备制造行业企业等。

（二）雷赛智能：运动控制核心部件及解决方案供应商

公司是一家专注于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的高新技术企业。公司主要从事运动控制核心部件控制器、驱动器、电机的研发、生产和销售，以及相关行业应用系统的研究与开发，为客户提供完整的运动控制系列产品及解决方案。公司的运动控制系列产品下游应用广泛，已在电子制造装备、特种机床、工业机器人、喷绘印刷装备、医疗健康设备、纺织服装装备、物流装备等设备制造行业得到广泛应用。

（三）埃斯顿：自研工业机器人核心部件控制器

公司的业务分为两大部分，包括工业机器人和核心零部件。1）机器人业务：这一部分包括机器人本体和集成解决方案。公司的工业机器人本体涵盖了从 3-600kg 的全系列产品，广泛应用于折弯、弧焊、搬运、码垛等各种场景。机器人本体业务得益于新能源产业的迅速崛起，因为这些产业带来了大量的自动化需求。

2）核心零部件：这一部分包括数控系统、伺服系统和运动控制系统。数控系统主要用于金属成形机床，而伺服系统和运动控制器则主要应用于机器人、3C（计算机、通信、消费电子）、锂电池、光伏等多个行业。

（四）新时达：电梯控制系统领域巨头，积极布局机器人全产业链

公司成立于 1995 年，从传统的电梯控制领域厂商到现阶段的“电梯+机器人”双赛道布局。公司 2014 年收购众为兴，该公司是一家国内领先的专业为新兴应用领域自动化机器设备提供高性能运动控制系统整体解决方案的供应商，业务包括运动控制综合解决方案的设计、产品研制、系统实施与技术服务。目前公司主要业务分为两个板块：1）电梯控制器业务：主要分为电梯控制器、电梯控制系统两部分；2）机器人业务：工业机器人产品主要有关节型机器人与 SCARA 机器人两大品类。广泛应用于 3C、新能源、白电、包装、食品饮料、医药、金属加工等各个行业，并且在各细分领域积累了丰富的应用经验；控制与驱动产品主要包括控制器、伺服驱动器和变频器。控制产品涵盖从控制卡到 PAC 的低中高端产品，满足不同客户的不同需要。伺服驱动主要产品为Ω6 系列。

3.1.2 激光设备控制器

（一）柏楚电子：主营激光切割控制系统，智能焊接机器人打开成长空间

当前核公司心业务为激光切割运动控制系统。公司以激光切割运控系统业务为核心，发展了包括随动控制系统、板卡控制系统、总线控制系统在内的三大主要产品，其中，随动系统和部分板卡系统主要应用于中低功率激光切割机；总线系统和少部分板卡系统应用于高功率激光切割机。此外，公司其他产品还包括高精度视觉定位系统、I/O 扩展模块、轴扩展模块、管材套料软件、平面套料软件等。

公司针对智能焊接机器人推出的焊接系统，可实现自动、非标焊接，实现机器替人。智能焊接机器人具备免示教功能，专注于钢结构等非标工件的焊接。焊接机器人分为示教焊接机器人和智能焊接机器人两类。示教焊接机器人主要需要人工示教来编辑焊缝的加工路径，由于非标准化操作的示教过程耗时较长，因此示教焊接机器人大多应用于重复、标准化的加工中；而智能焊接机器人通过智能焊接离线编程软件、智能焊缝跟踪系统、智能焊接控制系统来生成焊缝加工路径，可以实现免示教功能，缩短调试周期，进一步提升智能焊接机器人的自动化程度，更适合小批量非标工件的柔性加工过程。

（二）维宏股份：深耕运动控制领域，运动控制卡及一体化控制器

维宏股份深耕运动控制领域，运动控制器业务包括运动控制卡和一体化运动控制器。具体产品主要为雕刻雕铣控制系统、切割控制系统、机械手控制系统，可应用于各类雕刻机、雕铣机、加工中心、水射流切割机、激光切割机、等离子切割机、火焰切割机、木工机床、玻璃加工机床、工业机械手等。其中，1）运动控制卡数数控软件的底层控制算法的载体以及硬件接口，需要整机厂商配备 PC 机，可以使用 PC 机上安装的 CAD/CAM 等其他软件，灵活性较高；2）一体化控制器集成了运动控制卡、CPU 主板、显示器、专业操作面板的呢过，试用方便，无需自行组合；但价格较贵，整机厂商无法对工业 PC 机配置的型号进行自由选择。

3.1.3 机床数控系统

华中数控：聚集中高端数控系统，稀缺的机床大脑

华中数控聚焦中高档数控系统。华中数控成立于 1994 年，主要从事国产中、高档数控系统研究和生产。公司以数控系统技术为核心，以机床数控系统、工业机器人与智能产线、新能源汽车配套为三个主要业务板块。1）数控系统及机床：公司专注中、高端数控系统，主要向数控机床厂商销售数控系统和配件，配套相应厂商的高速钻攻中心、加工中心、五轴机床等机型产品。2）机器人与智能产线：公司自制机器人产品核心的控制和伺服零部件，完成机器人本体的组装，并向消费电子、家电等行业的制造商或者教育院校客户销售，同时提供定制化服务。3）新能源汽车配套：围绕汽车电动化、轻量化、智能化开展技术研究和产品开发，具体产品包括新能源汽车伺服电机、新能源汽车驱动器、新能源汽车控制器、轻量化车身等。

3.1.4 PLC

（一）汇川技术：PLC 产品为重点突破产品线之一

公司成立于 2010 年，是专门从事工业自动化和新能源相关产品研发、生产和销售的高新技术企业。经过十多年的发展，公司已经从单一的变频器供应商发展成机电液综合产品及解决方案供应商。目前公司形成了以通用自动化、智慧电梯、新能源汽车、轨道交通、工业机器人五大业务板块，为自动化设备/自动化产线提供变频器、伺服系统、PLC/HMI、高性能电机、传感器、机器视觉、气动元件等工业自动化核心部件及解决方案，为电梯行业提供电梯电气大配套解决方案，为新能源汽车行业提供电驱&电源系统，为轨道交通行业提供牵引与控制系统，为自动化产线/车间/工厂提供工业机器人产品及解决方案。

（二）信捷电气：较早布局 PLC 领域，初步完善工控产品线

公司主营工业自动化控制产品，主要产品包括：1）工业智能控制系统中电气控制系统，包括编程控制器（PLC）、驱动系统（伺服驱动器、伺服电机、步进驱动器、变频器）、人机界面（HMI）、智能装备等；2）电气控制集成应用，为工厂自动化（FA）领域客户提供“整体工控自动化解决方案”。主要客户分布在纺织服装、印刷包装、家居建材、食品饮料、汽车和新能源、机床工具、信息化、仓储物流等行业。公司在 PLC 领域较早，成立至今公司陆续推出了 XA 系列、XS 系列、XC 系列、XD 系列（含 XD3、XD5、XDM 运动控制型、XDC 运动控制总线型、XD5E 以太网型以及 XDH EtherCAT 运动控制型）、XE 系列、RC 系列、XL 系列、XG 系列等产品。 2022 年 PLC 产品实现收入 5.11 亿元，56.67%。

（三）禾川科技：较早布局 PLC 领域，初步完善工控产品线

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，主要从事工业自动化产品的研发、生产、销售及应用集成。产品矩阵已覆盖“控制+驱动+执行传感+机电一体化”，并且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。其中，控制器产品主要为 PLC，下游主要应用于光伏、锂电、机器人、机械手、3C、LED、机床、纺织、包装、食品、印染等行业。

3.2 消费领域控制器

（一）拓邦股份：“四点一网”技术为核心，面向五大领域提供智能控制方案

公司以电控、电机、电池、电源、物联网平台的“四电一网”技术为核心，面向家电、工具、新能源、工业和智能解决方案等行业提供各种定制化解决方案。① 家电智能控制产品涉及控制器、电机等类别，包括家电主控、电源控制、电机驱动和控制、显示控制等；产品主要应用于 HVAC、厨房电器、清洁电器、健康护理、照明和智能家居等各类领域。 ② 工具智能控制用于电动工具、园林工具和其它专业工具，公司提供定制化服务，产品包括控制器、电机、电池包 BMS、模组和整机。③ 新能源业务主要面向中小储能及新能源车辆两大应用领域。④ 工业控制领域公司为下游自动化装备客户提供 PLC、运动控制卡、步进/伺服驱动器、电机等核心部件以及基于行业工艺配套的运动控制解决方案。⑤ 智能解决方案：公司 AIoT（人工智能物联网）技术平台和智能产品创新能力为核心，面向“医食住行”和“工业、餐饮、酒店、园区”等细分场景，紧抓智能化升级、数据收集与分析、人机交互、智能制造等新机遇，积极融入包括 Matter 在内的各类主流 IoT 生态系统，为客户提供“创新产品+AIoT 平台+定制服务”的综合智能解决方案。

3.3 连接器

（一）维峰电子：兼具成长和稳健的工控连接器企业

维峰电子是一家提供高端精密连接器产品及解决方案，专业从事工业控制连接器、汽车连接器及新能源连接器的企业。连接器是电子设备中一种不可或缺的基础元器件，对电子设备的质量和性能起着关键性作用。公司主要产品已达国际一流厂商同等技术水平，为众多国内外知名企业提供高端精密连接器产品及解决方案。 ① 在工业控制领域，公司产品具体可应用在伺服电机、可编程逻辑控制器（PLC）、机械手臂、工业电脑等工业控制与自动化设备，对应客户包括汇川技术、台达电子、泰科电子等工控设备及元器件厂商。工业控制与自动化设备长期在振动和噪音环境下处于不间断运作状态，部分还涉及光电传感、电磁耦合等非接触式连接，应用场景复杂多样，零部件维修或更换成本高。这对工业控制连接器的可靠性及耐用性都提出了较高要求。 ② 在汽车领域，公司产品具体可应用在新能源汽车最为核心的电池、电机和电控系统（简称“三电系统”），以及车载媒体设备、高清影像系统等，对应客户包括比亚迪、上汽集团、安波福等整车及零部件厂商。汽车连接器需关注行驶状态下人车交互间的数据传输，包括反馈交通环境变化、执行驾驶员各种操作指令等。故连接器的稳定性成为安全性能的重要指标之一。同时汽车连接器还需匹配汽车厂商所提出的高集成度、高精度及轻量化标准，以降低整车能耗。 ③ 在新能源领域，公司产品主要应用在太阳能及风能逆变系统，对应客户包括阳光电源、固德威、Solaredge 等逆变器及其他配件厂商。逆变器在新能源系统中主要起到电流转换功能，而持续电流承载易导致元器件加速老化。据此连接器的高电气及机械性能便尤为重要。同时户外条件下动物撞击、天气影响等不确定因素也对新能源系统抗干扰能力形成挑战。故新能源连接器在有效处理电信号的同时，往往还需兼顾抗腐蚀、防漏电和面对户外复杂多变的气候环境等特点。

（二）瑞可达：连接器重点布局通信和汽车赛道

瑞可达专业从事连接器产品的研发、生产、销售和服务。经过十余年发展，公司已成为同时具备光、电、微波连接器产品研发和生产能力的企业之一。产品广泛应用于数据通信、新能源汽车、工业控制、医疗设备、轨道交通等领域，服务全球客户。① 在无线通信基站系统应用上，公司研发了 5G 系统 MASSIVE MIMO 板对板射频盲插连接器、无线基站的光电模块集成连接器等多款新型连接器。② 在新能源汽车连接器市场，公司开发了全系列高压大电流连接器及组件、充换电系列连接器、智能网联系列连接器和电子集成母排等产品，从而形成了公司在新能源汽车配套市场丰富的产品线。③ 在工业等领域，公司的车钩连接器、重载连接器、工业连接器主要应用于轨道交通、机车空调、电力、工业机器人、风能等行业。

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