運動控制系統(第2版)（簡體書）

本書以運動控制系統的組成要素為主線，全面系統地介紹了運動控制系統的基本原理、組成和設計方法。其主要內容包括緒論、經典運動控制器技術、智能運動控制器設計、執行器設計與執行器、直流電機控制技術、交流電機控制技術、伺服電機控制技術、運動系統檢測技術，以及運動控制系統應用實例。同時，本書還配有電子課件和書中插圖，讀者可通過華信教育資源網（www.hxedu.com.cn）免費註冊申請。

班華，華南農業大學教師，國家863項目評審委員會 專家；廣東省科技廳諮詢專家；廣州市科信局科技諮詢專家，曾獲廣東省科技進步三等獎一項；廣東省科技進步二等獎一項；廣東省農業廳科技推廣一等獎一項等。

前 言
運動控制系統是自動化技術的一個分支，廣泛地應用於機械製造、冶金、交通運輸、石油石化、航空航天、國防科技、生物工程、日用化工、醫療衛生、人居生活等方方面面。隨著近期人工智能技術的快速發展，運動系統的智能控制對提升整個國民經濟發展水平起著舉足輕重的作用，對加快社會進步和改善人類生活都十分必要。
自20世紀40年代起，由於經典控制理論的提出，經典PID控制器在運動控制系統得到廣泛應用，使得運動系統的穩定性和可控性大幅度提升。20世紀80～90年代後，微電子技術、電力電子技術、智能控制技術迅猛發展，推進了運動控制系統的控制器智能化。尤其是近三年，隨著智能裝備與智能製造、機器人等工業4.0計劃的制訂，運動控制系統的智能化趨勢不可逆轉。
一個典型的運動控制系統由運動感知、運動控制和驅動執行組成，本書就以這三個要素作為基本架構進行編寫。本書分四篇九章，第一篇是運動系統與運動控制器，涵蓋本書的前三章，重點介紹有關運動系統的概念、運動控制器的組成及運動控制器的設計，考慮到智能控制技術的快速發展，控制器設計的重點放到智能控制器設計上。第二篇是執行器設計與驅動控制技術，由第4～7章組成，考慮到運動控制技術屬￿實用性很強的技術，自身發展與進化很快，之前很多同類書籍主要偏重驅動技術，忽略執行器設計基本方法，因此本篇主要對執行器的通用設計規則進行討論，對動力形式做了全面系統的介紹。就驅動技術而言，本篇對很多傳統技術的內容進行了調整，把不太具有實用性的內容做了刪減，主要體現在各種電機調速控制的方法上。例如，對於直流電機調速，本書的重點是PWM調壓調速，其他方式不予討論；再如，對於交流電機調速，就圍繞交流電機模型與解耦講述，採用PWM變頻調速技術的三種模式―標量控制、矢量控制和直接轉矩控制。另外，著眼於最新科技，本篇專門介紹新興執行器技術如金屬形狀記憶合金、磁致伸縮和電磁流變等，使讀者可以對運動控制系統的核心部件有一個更加全面的理解和掌握。本篇還有一個特點，就是從讀者使用的角度系統地介紹商用交流電機變頻器和商用伺服電機驅動控制器的選型原則、模式設定及接線使用。第三篇是運動感知技術，由第8章組成，因為近五年電動汽車與無人駕駛汽車的發展，本篇新增加了距離檢測技術。第四篇是運動系統應用實例，由第9章組成，通過包括無人駕駛汽車在內的七個應用實例，從系統應用的角度對運動軌跡進行分析並提出控制解決方案，目的是對本書前三篇的內容進行歸納總結。
由於工科本科教學中需要壓縮基本理論學時，增加實踐教學環節，因此本書按照48學時編寫。其中，理論學時為40學時，實踐學時為8學時。為了擴大讀者的知識面，本書增加部分章節（目錄中標有星號的章節），供老師或讀者選擇。實踐的主要內容是直流PWM調速控制器、交流商用變頻器、商用伺服電機驅動控制器與運動檢測（轉速、距離、力等）。
本書共九章，第1章是緒論，其主要內容有五點：①運動控制研究的主要問題、第一類運動系統問題、第二類運動系統問題和運動軸的定義；②運動控制系統的組成；③運動控制系統有關術語；④運動控制系統的發展歷程、發展趨勢及發展運動控制技術的意義；⑤本書內容介紹與讀者適用範圍。
第2章主要圍繞運動控制系統控制器的構成要素展開講述，核心是運動軌跡、運動插補與控制回路；並對運動控制器的硬件構成與軟件架構展開討論，詳細分析了運動控制器硬件組成中的各種可能選項，對控制器軟件功能模塊進行了剖析，且介紹了兩款軟件開發工具。
第3章是智能運動控制器設計，重點為：①模糊控制技術與模糊控制器；②自適應控制技術與自適應運動控制器。
第4章是執行器設計與執行器，重點為：①執行器設計原則與設計步驟，主要講解驅動連接形式及相對應的負載計算方法與公式；②電動執行器；③液壓執行器；④氣動執行器；⑤新型執行器。
第5章主要講述直流電機調速原理和調速驅動控制器，其主要內容包括直流電機調速的發展歷程、調速調節器設計、單閉環直流電機調速系統、雙閉環直流電機調速系統、多閉環直流電機調速系統；由於計算機軟件技術的快速發展，現在幾乎所有的直流電機速度調節與控制都利用MCU實現，故5.2.4節對直流電機調速系統控制器的數字仿真做了介紹。
第6章主要內容包括交流電機數學模型、交流電機的四大方程、交流電機的控制理論基礎、交流變頻調速技術基礎。有關PWM可能涉及三種技術方案：PWM標量控制技術、PWM矢量控制技術和直接轉矩控制技術。作為交流變頻調速技術的代表―變頻器，介紹變頻器的基本種類、使用方法和使用模式。
第7章主要講述有關伺服電機的調速控制原理和數學模型的建立，以PMSM伺服電機為主要對象，對交流伺服調速控制從電路到軟件進行了全面介紹。同時，還對伺服電機驅動控制器做了詳細討論，希望讀者掌握伺服電機驅動控制器的選型與使用方法。
第8章講述有關運動對象的距離、位置、速度、加速度與力矩檢測的方法，介紹了傳感器的基本檢測原理、基本結構和性能。
第9章給出了7個有關運動問題的應用實例，均從功能分析入手，研究生產流程對運動的需求和實現方法，然後搭建需要的運動系統，實現相應的運動控制功能。
本書第1～8章由資深機電一體化高級工程師班華博士編寫，第9章由李長友教授編寫，應用實例主要取材于班華、李長友、沈玉傑、李濤等人相關的科研項目和論文。在編寫過程中借鑒了很多同類教材和論文，詳見參考文獻。在此，對在參考文獻中提及的相關文章作者表示由衷的感謝。
由於本書作者學識和水平的局限性，錯誤和缺陷在所難免，歡迎各位讀者批評指正。

編 者
2018年9月

目 錄
第一篇 運動系統與運動控制器
第1章 緒論 2
1.1 運動控制研究的問題 3
1.1.1 第一類運動系統問題 3
1.1.2 第二類運動系統問題 8
1.2 運動控制系統 9
1.3 運動控制系統術語 10
1.4 運動控制系統的發展歷程與未來發展趨勢 11
1.5 本課程的主要內容和適用對象 13
第2章 經典運動控制器技術 15
2.1 運動控制系統簡介 15
2.1.1 運動控制系統的構成 15
2.1.2 運動控制系統的任務 15
2.2 運動控制器的基本原理 16
2.2.1 運動控制器的構成 16
2.2.2 軌跡生成器 16
2.2.3 插補器 26
2.2.4 控制回路 36
2.3 運動控制器的硬件 37
2.3.1 按照運動控制器核心器件的組成分類 37
2.3.2 按照數據的傳遞形式分類 42
2.4 運動控制器的軟件 44
2.4.1 運動控制器軟件體系 44
2.4.2 運動控制器的開發應用軟件簡介 46
2.5 運動控制器設計要素 49
*2.6 運動控制器實例 49
習題與思考題 51
第3章 智能運動控制器設計 52
3.1 模糊控制技術與模糊控制器 52
3.1.1 模糊控制技術 52
3.1.2 模糊PID控制器及其設計 53
*3.1.3 雙關節機械手 59
3.2 自適應控制技術與自適應運動控制器 63
3.2.1 自適應控制技術 63
3.2.2 自適應運動控制器設計 64
*3.2.3 模糊自適應控制器 68
習題與思考題 70
第二篇 執行器設計與驅動控制技術
第4章 執行器設計與執行器 72
4.1 執行器設計基礎 72
4.2 電動執行部件 77
4.2.1 電動缸 77
4.2.2 電動執行閥 78
*4.3 液壓執行部件 80
4.3.1 液壓缸 80
4.3.2 液壓馬達 81
*4.4 氣動執行部件 82
4.4.1 氣缸 82
4.4.2 氣動馬達 83
4.4.3 控制回路 84
*4.5 新型執行器 85
4.5.1 壓電執行器 85
4.5.2 形狀記憶合金執行器 87
4.5.3 電致聚合體執行器 88
4.5.4 磁致伸縮執行器 89
4.5.5 電、磁流變液體執行器 90
習題與思考題 96
第5章 直流電機控制技術 97
5.1 直流電機調速概述 97
5.1.1 直流電機調速的發展歷程 97
5.1.2 直流電機的調速方法 98
5.1.3 直流電機PWM基本電路 100
5.1.4 直流H型可逆PWM變換器-電機系統的能量回饋 105
5.1.5 直流PWM調速系統的數學模型及機械特性 105
5.1.6 調速系統性能指標 106
5.1.7 開環調速系統的機械特性及性能指標 107
5.2 閉環調速系統與調速控制器 109
5.2.1 閉環調速系統 109
5.2.2 控制器設計 121
*5.2.3 工程方法―典型系統問題 129
5.2.4 直流電機調速系統控制器的數字仿真 136
習題與思考題 143
第6章 交流電機控制技術 146
6.1 交流電機調速系統基本理論 146
6.1.1 研究交流電機解耦問題的必要性 146
6.1.2 交流電機模型 146
6.1.3 交流電機解耦分析 151
*6.1.4 交流電機在兩相（?, ?）靜止坐標系下的數學模型 153
*6.1.5 交流電機在兩相（d, q）旋轉坐標系下的數學模型 154
*6.1.6 交流電機在兩相（M, T）旋轉坐標系下的數學模型 154
6.2 標量控制 155
6.2.1 電壓頻率協調控制的變頻調速系統 156
*6.2.2 可控轉差頻率控制的變頻調速系統 158
6.3 矢量控制 159
6.3.1 矢量控制概述 159
6.3.2 磁通開環轉差型矢量控制系統 161
*6.3.3 轉子磁通觀測模型 162
*6.3.4 速度、磁通閉環控制的矢量控制系統 163
6.4 直接轉矩控制 163
6.5 變頻器 167
習題與思考題 173
第7章 伺服電機控制技術 175
7.1 伺服控制系統概述 175
*7.2 伺服控制系統的數學模型 176
7.2.1 直流伺服控制系統的數學模型 176
7.2.2 交流伺服控制系統的數學模型 178
*7.3 永磁同步電機交流伺服控制 179
*7.4 伺服控制系統的設計 183
7.4.1 單環位置伺服控制系統設計 183
7.4.2 雙環伺服控制系統設計 186
7.4.3 三環伺服控制系統設計 188
7.4.4 PMSM伺服控制系統設計 189
7.5 標準商用伺服驅動器應用簡介 192
習題與思考題 205
第三篇 運動感知技術
第8章 運動系統檢測技術 208
8.1 距離檢測 208
8.1.1 激光雷達 208
8.1.2 毫米波雷達和超聲波雷達 209
8.1.3 攝像機（圖像傳感器） 210
8.2 直線位移檢測 210
8.2.1 光柵 210
*8.2.2 感應同步器 213
8.2.3 磁柵式傳感器 215
8.3 角位移檢測 219
*8.3.1 旋轉變壓器 219
8.3.2 光電編碼器 220
8.4 速度、加速度檢測 222
*8.4.1 直流測速發電機 222
8.4.2 光電式速度傳感器 223
8.4.3 加速度傳感器 224
8.5 力、力矩檢測 225
8.5.1 測力傳感器 225
8.5.2 壓力傳感器 226
8.5.3 力矩傳感器 228
*8.5.4 力與力矩複合傳感器 228
習題與思考題 230
第四篇 運動系統應用實例
第9章 運動控制系統應用實例 233
9.1 無人駕駛汽車 233
9.2 高速電子鋸 236
9.3 胡蘿蔔汁的灌裝 239
*9.4 點膠機 244
*9.5 包裝生產線 248
*9.6 纏繞生產線 252
*9.7 恒壓供水系統 254
參考文獻 259