運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

前言

　　目前，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、交通運(yùn)輸、石油石化、航空航天、國(guó)防科技、生物工程、日用化工、醫(yī)療衛(wèi)生、人居生活等方方面面。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)作為自動(dòng)化的一個(gè)主要子系統(tǒng)，對(duì)提升整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平起著舉足輕重的作用，對(duì)加快社會(huì)進(jìn)步和改善人類生活都十分必要。　　隨著微電子技術(shù)與控制理論的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)得到了快速發(fā)展，其趨勢(shì)為產(chǎn)品一體化。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展離不開(kāi)控制理論的發(fā)展，離不開(kāi)控制器的發(fā)展，離不開(kāi)執(zhí)行器的發(fā)展，也離不開(kāi)傳感器等與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展?！　”緯?shū)以運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成要素為主線，根據(jù)要素的功能，全面系統(tǒng)地介紹了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理、組成、分析和設(shè)計(jì)方法。考慮到運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)屬于實(shí)用性很強(qiáng)的技術(shù)，自身發(fā)展與進(jìn)化很快，因此本書(shū)對(duì)很多傳統(tǒng)技術(shù)的內(nèi)容做了調(diào)整，把不太具有實(shí)用性的內(nèi)容做了刪減，主要體現(xiàn)在各種電機(jī)調(diào)速控制的方法上。例如，對(duì)于直流電機(jī)調(diào)速，本書(shū)的重點(diǎn)是PWM調(diào)壓調(diào)速，其他方式不予討論；再如，對(duì)于交流電機(jī)調(diào)速，就圍繞交流電機(jī)模型與解耦講述，采用技術(shù)是PWM變頻調(diào)速技術(shù)的三種模式——標(biāo)量控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。本書(shū)專門(mén)增加一定的篇幅來(lái)介紹新興執(zhí)行器技術(shù)、金屬形狀記憶合金、磁致伸縮和電磁流變等，使讀者可以更加全面地理解和掌握運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部件。本書(shū)還有一個(gè)特點(diǎn)，就是從讀者使用的角度系統(tǒng)地介紹商用交流電機(jī)變頻器和商用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的選型原則、模式設(shè)定及接線使用。另外，還通過(guò)應(yīng)用實(shí)例，從運(yùn)動(dòng)分析的角度講述各類運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)都涉及的要素使用問(wèn)題?！　∮捎诠た票究平虒W(xué)中需要壓縮基本理論學(xué)時(shí)，增加實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，因此本書(shū)按照48學(xué)時(shí)編寫(xiě)。其中，理論學(xué)時(shí)為40學(xué)時(shí)，實(shí)踐學(xué)時(shí)為8學(xué)時(shí)。實(shí)踐的主要內(nèi)容是直流PWM調(diào)速控制器、交流商用變頻器、商用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器等。　　本書(shū)共8章，第1章是本書(shū)概述，其主要內(nèi)容有5點(diǎn)：①運(yùn)動(dòng)控制研究的問(wèn)題、第一類運(yùn)動(dòng)問(wèn)題、第二類運(yùn)動(dòng)問(wèn)題和運(yùn)動(dòng)軸的定義；②運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成；③運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)有關(guān)術(shù)語(yǔ)；④運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程、發(fā)展趨勢(shì)及發(fā)展運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的意義；⑤本書(shū)內(nèi)容介紹與讀者適用范圍?！　〉?章主要圍繞運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制器的硬件構(gòu)成與軟件架構(gòu)展開(kāi)討論，詳細(xì)分析了運(yùn)動(dòng)控制器硬件組成中的各種可能選項(xiàng)；對(duì)控制器軟件功能模塊進(jìn)行了剖析，并介紹了兩款軟件開(kāi)發(fā)工具。　　第3章的專題是執(zhí)行器，重點(diǎn)為：①執(zhí)行器基礎(chǔ)知識(shí)與機(jī)械設(shè)計(jì)需求；②氣動(dòng)執(zhí)行器；③液壓執(zhí)行器；④電動(dòng)執(zhí)行器；⑤新興執(zhí)行器技術(shù)?！　〉?章主要講述了直流電機(jī)調(diào)速原理和調(diào)速驅(qū)動(dòng)控制器，其主要內(nèi)容包括直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展歷程、調(diào)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)、單閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、多閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)；由于計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)在幾乎所有的直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)與控制都利用MCU實(shí)現(xiàn)，故4.2.4節(jié)對(duì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制器的數(shù)字仿真做了介紹?！　〉?章主要內(nèi)容包括交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型、交流電機(jī)的四大方程、交流電機(jī)的控制理論基礎(chǔ)、交流變頻調(diào)速技術(shù)基礎(chǔ)。有關(guān)PWM可能涉及三種技術(shù)方案：PWM標(biāo)量控制技術(shù)、PWM矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。作為交流變頻調(diào)速技術(shù)的代表——變頻器，介紹變頻器的基本種類、使用方法和使用模式。　　第6章主要講述有關(guān)伺服電機(jī)的調(diào)速控制原理和數(shù)學(xué)模型的建立，以PMSM伺服電機(jī)為主要對(duì)象，對(duì)交流伺服調(diào)速控制從電路到軟件進(jìn)行了全面介紹。同時(shí)，還對(duì)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器做了詳細(xì)討論，希望讀者掌握伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的選型與使用方法。　　第7章講述了有關(guān)運(yùn)動(dòng)對(duì)象位置、速度、加速度與力矩檢測(cè)的方法，介紹了傳感器的基本檢測(cè)原理、基本結(jié)構(gòu)和性能。　　第8章給出了6個(gè)有關(guān)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的應(yīng)用實(shí)例，實(shí)例均從功能分析入手，研究生產(chǎn)流程對(duì)運(yùn)動(dòng)的需求和實(shí)現(xiàn)方法，然后搭建實(shí)現(xiàn)需要的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制功能?！　”緯?shū)第1～7章由班華高級(jí)工程師編寫(xiě)，第8章由李長(zhǎng)友教授編寫(xiě)，應(yīng)用實(shí)例主要取材于班華、李長(zhǎng)友、沈玉杰等的相關(guān)科研項(xiàng)目和論文。在編寫(xiě)過(guò)程中借鑒了很多同類教材和論文，詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)，在此不一一列舉。在此，對(duì)在參考文獻(xiàn)中提及的相關(guān)文章作者表示由衷的感謝。電子工業(yè)出版社余義編輯對(duì)文字和內(nèi)容給出了很多中肯的建議，并做了大量有益的修改，付出了辛勤的勞動(dòng)，在此也表示深深的感謝?！　∮捎诒緯?shū)作者學(xué)識(shí)和水平的局限性，錯(cuò)誤和缺陷在所難免，歡迎各位讀者批評(píng)指正。　　編者　　2012年7月

內(nèi)容概要

　　《電氣工程、自動(dòng)化專業(yè)規(guī)劃教材·普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》以運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成要素為主線，全面系統(tǒng)地介紹了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理、組成和設(shè)計(jì)方法。其主要內(nèi)容包括緒論、運(yùn)動(dòng)控制器技術(shù)、執(zhí)行器技術(shù)、直流電機(jī)控制技術(shù)、交流電機(jī)控制技術(shù)、伺服電機(jī)控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例。同時(shí)，《電氣工程、自動(dòng)化專業(yè)規(guī)劃教材·普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》還配有電子課件和書(shū)中插圖，讀者可通過(guò)華信教育資源網(wǎng)免費(fèi)注冊(cè)申請(qǐng)。

書(shū)籍目錄

第1章 緒論1.1 運(yùn)動(dòng)控制研究的問(wèn)題1.1.1 第一類運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題1.1.2 第二類運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題1.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)1.3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)術(shù)語(yǔ)1.4 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)1.5 本課程的主要內(nèi)容和適用對(duì)象第2章 運(yùn)動(dòng)控制器技術(shù)2.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介2.1.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成2.1.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)2.2 運(yùn)動(dòng)控制器的基本原理2.2.1 運(yùn)動(dòng)控制器的構(gòu)成2.2.2 軌跡生成器2.1.5 插補(bǔ)器2.1.6 控制回路2.3 運(yùn)動(dòng)控制器的硬件2.3.1 按照運(yùn)動(dòng)控制器核心器件的組成分類2.3.2 按照數(shù)據(jù)的傳遞形式分類2.4 運(yùn)動(dòng)控制器的軟件2.4.1 運(yùn)動(dòng)控制器軟件體系2.4.2 運(yùn)動(dòng)控制器的開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件簡(jiǎn)介2.5 運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)要素2.6 運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)例習(xí)題與思考題第3章 執(zhí)行器技術(shù)3.1 執(zhí)行器技術(shù)基礎(chǔ)3.2 電動(dòng)執(zhí)行部件3.2.1 電動(dòng)缸3.2.2 電動(dòng)執(zhí)行閥3.3 液壓執(zhí)行部件3.3.1 液壓缸3.3.2 液壓馬達(dá)3.4 氣動(dòng)執(zhí)行部件3.4.1 氣缸3.4.2 氣動(dòng)馬達(dá)3.4.3 控制回路3.5 新型執(zhí)行器3.5.1 壓電執(zhí)行器3.5.2 形狀記憶合金執(zhí)行器3.5.3 電致聚合體執(zhí)行器3.5.4 磁致伸縮執(zhí)行器3.5.5 電、磁流變液體執(zhí)行器習(xí)題與思考題第4章 直流電機(jī)控制技術(shù)4.1 直流電機(jī)調(diào)速概述4.1.1 直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展歷程4.1.2 直流電機(jī)的調(diào)速方法4.1.3 直流電機(jī)PWM基本電路4.1.4 直流H型可逆PWM變換器-電機(jī)系統(tǒng)的能量回饋4.1.5 直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及機(jī)械特性4.1.6 調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)4.1.7 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性及性能指標(biāo)4.2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)與調(diào)速控制器4.2.1 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)4.2.2 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)4.2.3 工程方法——典型系統(tǒng)問(wèn)題4.2.4 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制器的數(shù)字仿真習(xí)題與思考題第5章 交流電機(jī)控制技術(shù)5.1 交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)基本理論5.1.1 研究交流電機(jī)的解耦問(wèn)題的必要性5.1.2 交流電機(jī)模型5.1.3 交流電機(jī)解耦分析5.1.4 交流電機(jī)在兩相（， ）靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型5.1.5 交流電機(jī)在兩相（d， q）旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型5.1.6 交流電機(jī)在兩相（M， T）旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型5.2 標(biāo)量控制5.2.1 電壓頻率協(xié)調(diào)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)5.2.2 可控轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)5.3 矢量控制5.3.1 矢量控制概述5.3.2 磁通開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)5.3.3 轉(zhuǎn)子磁通觀測(cè)模型5.3.4 速度、磁通閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)5.4 直接轉(zhuǎn)矩控制5.5 變頻器習(xí)題與思考題第6章 伺服電機(jī)控制技術(shù)6.1 伺服控制系統(tǒng)概述6.2 伺服控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型6.2.1 直流伺服控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型6.2.2 交流伺服控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型6.3 永磁同步電機(jī)交流伺服控制6.4 伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)6.4.1 單環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.4.2 雙環(huán)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.4.3 三環(huán)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.4.4 PMSM伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.5 標(biāo)準(zhǔn)商用伺服驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用簡(jiǎn)介習(xí)題與思考題第7章 檢測(cè)技術(shù)7.1 直線位移檢測(cè)7.1.1 光柵7.1.2 感應(yīng)同步器7.1.3 磁柵式傳感器7.2 角位移檢測(cè)7.2.1 旋轉(zhuǎn)變壓器7.2.2 光電編碼器7.3 速度、加速度檢測(cè)7.3.1 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)7.3.2 光電式速度傳感器7.3.3 加速度傳感器7.4 力、力矩檢測(cè)7.4.1 測(cè)力傳感器7.4.2 壓力傳感器7.4.3 力矩傳感器7.4.4 力與力矩復(fù)合傳感器習(xí)題與思考題第8章 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例8.1 高速電子鋸8.2 胡蘿卜汁的灌裝8.3 點(diǎn)膠機(jī)8.4 包裝生產(chǎn)線8.5 纏繞生產(chǎn)線8.6 恒壓供水系統(tǒng)參考文獻(xiàn)

編輯推薦

　　《電氣工程、自動(dòng)化專業(yè)規(guī)劃教材·普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》可作為高等學(xué)校自動(dòng)化、電氣工程、機(jī)電一體化和機(jī)械設(shè)計(jì)類專業(yè)的本科生教材，也可供非電氣類專業(yè)研究生，科研院所、工礦企業(yè)從事電氣傳動(dòng)的科技工作者參考。

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