本书主要内容在于基于控制概念与原理，在理论与实际之间建立起桥梁，使得工程人员能够进行完整的运动控制集成系统设计与应用。

无

在过去的几十年里，学术界在机电一体化和控制的基础教育资料以及实验训练方面已经取得了显著的进步。学生可以学习了解数学控制理论、板级电子器件、接口和微处理器，并辅以教学实验设备。当新的机械工程和电气工程的毕业生成为工程师时，他们所从事的工程项目要求他们必须掌握工业运动控制技术，因为工业自动化的设计主要就是设计专门的运动控制硬件和软件。
本书介绍的是工业运动控制，它是在工业领域广泛应用的技术，也几乎是所有自动化机械和过程的核心。工业运动控制应用采用专门的装备，并且要求设计和集成系统，而控制只是系统的一部分。为了设计这样的系统，工程师需要熟知工业运动控制产品；能够将控制理论、运动学、动力学、电子学、仿真、编程和机械设计融合到一起；运用跨学科的知识处理实际应用问题。这些知识在一般的本科课程中均有涉及，但是在各自学科的场合下，学生则很难把握这些知识的联系。
我写这本书的初衷是将理论、工业机械设计范例、工业运动控制产品和实用指南融合在一起。工业运动控制应用的场景可以跨越边界将不同的学科主题紧密地联系起来。这本书的内容来源于本人的本科机电一体化课程和自动化课程的教学经验，以及与运行控制行业工程师的交流讨论。例如，即使有多种类型的电机
motor一词原为电动机，出于工程习惯表述，本书用电机一词表示电动机。本书中的电机均指电动机。——译者注
可供选择，我也选择以运动控制行业中输入为三相的交流伺服电机和感应电机作为关注点。本书对控制理论、电机设计和电力电子进行阐述，并将理论和实践平衡地综合在一起。书中的很多素材来源于厂商的数据手册、用户指南、产品目录，各种大学课程、网站、行业杂志的节选，以及实践工程师的经验。本书将这些素材连贯地呈现出来，在提供给学生基本知识的同时以实际应用中已解决的案例作为补充。
第1章介绍典型运动控制系统组成部分，主要内容是系统框图和各组成部分基本功能的介绍。
第2章探讨一台机器的轴移动时运动曲线产生的机理。接着，概述基本运动学，阐述两种常见的运动曲线，并在最后介绍多轴协调的两种方法。
鉴于各轴和整体机器的机械设计是完成运动目标的重要因素，第3章重点阐述传动系统设计，介绍惯量折算、转矩折算和惯量比的概念，深入研究五种类型的传动装置，给出这些装置中电机的转矩速度曲线（机械特性曲线）、齿轮箱、不同类型电机和传动机构轴的选择过程。
电机是目前工业运动控制中最常用的执行器。第4章以电气周期、机械周期、极对数以及三相绕组这些基础概念开始，介绍交流伺服电机和感应电机的结构和操作细节，比较了正弦换相法和六步换相法的交流伺服电机转矩性能。该章最后阐述这两种类型电机的数学模型和仿真模型。
运动控制系统中除了运动控制器以外还使用了各式各样的传感器和控制元件。第5章介绍各种用于位置测量的光学编码器、限位开关、接近传感器、光电传感器和超声波传感器，解释了传感器到I/O卡兼容性的扇入和扇出设计，展示了包括按钮、选择开关和指示灯等控制器件。该章的最后概括了电机启动器、接触器、过载继电器、软起动器和一种三线电机控制电路。
驱动器是电机和控制器之间的连接纽带。它将控制器产生的小信号放大到足以驱动电机工作的高功率的电压等级和电流等级。第6章首先介绍驱动器电子器件模块，介绍常用的脉冲宽度调制（PWM）控制技术，然后介绍应用于驱动器中基础的闭环控制结构，并深入研究单环PID位置控制和带前馈的级联的速度环与位置环，给出了控制器的数学模型和仿真模型。实现控制算法时需要调整增益，使得伺服系统每个轴尽量跟随指令轨迹。该章最后描述了前述控制算法的增益调整过程，包括一些积分器限幅的使用方法。
本书以第7章结尾，主要内容是编程和运动控制应用，研究运动控制器的直线运动模式、圆弧运动模式和轮廓移动模式。接着，介绍通用运动控制器项目中基础的可编程逻辑控制器（PLC）算法。该章结尾回顾了运动控制器通过实时计算机器的正向和逆向运动来控制一台非直角坐标的机器，比如控制一台机器人。
写这本书的挑战之一在于，市场中运动控制器硬件和软件种类繁多而且具有专用性。每一个控制器制造商在其产品中都有自己的编程语言和编程环境。因为每一款硬件都有特定的编程细节，所以我试图给出算法的大纲，而不是提供由一种特定编程语言或结构编写的完整程序。将这些算法运用到每款具体的运动控制器中需要仔细参考用户手册和制造商建议。写这本书的另一个挑战则是数字控制系统在控制器中的实现。这些采样数据系统建立在Z变换（z域）的基础上，然而几乎所有的本科生工科类课程只包含利用拉普拉斯变换（s域）建立的连续时间系统。因此，我选择在s域中建立系统控制模型。这种方法提供了一个很好的近似，因为当前的控制器采样频率很高，而它们控制的机械系统具有相对较缓慢的动力特性。
在陈述概念的同时，尤其是面对已解决的传动系统案例时，援引了工业产品数据手册和表格中的数据。现在，每一章中的数据资料通过章尾的参考文献在网络上可以找到。随着时间的推移，制造商会更新它们的产品并且这些目录将不再适用。然而，相应的理论和实际的选择过程同样适用于类似的新产品。
本书的目的是向机械工程和电气工程的大学生介绍工业运动控制。因为许多工程师从事于运动控制系统行业，所以本书对于该行业的系统设计工程师、项目经理、工业工程师、制造工程师、产品经理、安装工程师、机械工程师、电气工程师以及程序员是一本重要的参考书。例如，第4章中的增益调整过程利用数学仿真来展示。不过如果有一个带有运动控制器的实际系统，这些步骤可以直接用于调整实际系统的参数而不需要任何仿真。同样地，第7章给出了运动控制应用常用类型（如卷绕）的算法。这些算法可以作为实际系统编程语言的起点去继续完成整个控制项目。前面已经提到，将这些算法运用到某种实际的运动控制系统硬件时，需要仔细参考产品手册和制造商的建议。
在撰写这本书的过程中，衷心感谢那些帮助过我的人。感谢Applied Motion Systems公司总裁Ken Brown先生、Concept Systems公司总裁Ed Diehl先生，许多想法来自于同他们的讨论。特别感谢Delta Tau Data Systems公司总裁Dimitri先生、负责工程研究的副总裁Curtis Wilson先生，感谢他们为实验室和本书的撰写提供深入的技术指导。感谢机械工程师Dean Ehnes先生、电气工程师John Tollefson先生、Columbia/Okura的有限责任公司总经理Brian Hutton先生，感谢他们对材料处理系统、电机和实例问题提出了有见解的观点。非常感谢我的同事——从事电气工程的梁晓东博士，感谢他提供了电机和电机驱动器章节的详细综述。感谢我以前的学生Ben Spence先生，他目前在Applied Motion Systems公司担任系统工程师，我们长期在实验室一起工作，一起讨论许多关于运动控制的技术问题，使我受益匪浅。感谢Applied Motion Systems公司机械工程师Matthew Bailie先生，感谢他对电机尺寸工序给予的指导以及提供的对于实例问题的想法。非常感谢为这本书提供产品图片的各家公司。感谢John Wiley & Sons出版社的资深编辑Paul Petralia先生和Wiley的Sadra Grayson、Cliv Lawson和Siva Raman Krishnamoorty，感谢他们对整本书的指导。在过去的几年教学生涯里，我很荣幸与许多优秀的学生一起来学习这些材料，真的很感谢他们有价值的反馈和建议，以及他们的热情和耐心。
在这个过程中，我发现写一本教科书是一项艰巨的工作。衷心感谢我的妻子，在过去的3年里，感谢她不断地鼓励我、支持我，使得我顺利地完成了这本书的撰写。

Hakan Giirocak
Vancouver,Washington, USA

工业控制

运动控制广泛应用于各种行业，包括包装、装配、纺织、造纸、印刷、食品加工、木材制品、机械、电子和半导体制造业。它几乎是所有自动化机械和过程的核心，其应用采用专业设备并要求系统化设计及集成。为了设计这样的系统，工程师需要熟悉工业运动控制产品，能够把控制理论、运动学、动力学、电子学、仿真、编程和机械设计结合起来，应用交叉学科知识处理实际应用问题。

本书将产品资料选择思想和设计过程相结合，通过大量的工程实例进行相关的理论分析和计算，通过对实例的简单扩展就能对一个新对象进行工业运动控制设计，为工业运动控制的设计与应用提供了翔实的资料。

本书是一本优秀的工程技术图书，可进一步提高系统设计工程师、机械工程师、电气工程师、项目经理、工业工程师、制造工程师、产品经理、现场工程师和工业领域程序员的工程设计水平；还为机械与电气工程专业学生提供了工程技术入门指导。

[美]哈肯·基洛卡（Hakan Gürocak）著：哈肯·基洛卡（Hakan Gürocak）博士，美国华盛顿州立大学工程与计算机科学学院院长，是模糊逻辑、机器人精密装配和虚拟现实触觉接口领域的资深研究学者。他在美国国家科学基金会（NSF）和制造工程师协会的资助下，开发了专门的机电一体化硬件/软件课程，并可实时地在互联网上远程讲授。他曾获得华盛顿州立大学教师研究卓越奖和美国工程教育协会（ASEE）会议的最佳论文奖和机电一体化工程教育奖，还是美国工程技术评审委员会成员。

随着工业40的提出以及国家相应政策的出台，以智能制造为主导的第四次工业革命已经渐行渐近。同时人工智能（AI）的飞速发展进一步推动了工业控制的自动化、智能化及应用普及。工业运动控制作为工业控制中一个重要分支，在国民经济中占有重要地位。如何根据实际应用需求，利用相关的原理，结合控制、检测、动力学、电路仿真及设计、机械设计及编程等多学科知识，去解决实际应用中的问题，是一个复杂的命题。如何将这个复杂命题分解，变成单个的模块化知识点，正是作者编写本书的目的。
本书最为突出的特点是将理论和实践紧密结合，通过大量的工程实例进行相关的理论分析和计算，为工业运动控制的设计与应用提供了翔实的资料。更为可贵的是将产品资料选择思想和设计过程步骤相结合，通过对实例的简单扩展，就可以进行一个新对象的工业运动控制设计。因此本书作为教学参考书，可以为机械和电气相关专业高年级本科生、研究生提供翔实的工程应用背景和工程应用规范；同时本书也是一本优秀的工程技术图书，工程技术人员通过对理论知识的学习并结合自身的工程实践，可以进一步提高工程设计水平，做到“知其然，知其所以然”。
本书由华中科技大学自动化学院的尹泉、中国地质大学（武汉）自动化学院的王庆义主持翻译。华中科技大学自动化学院的周永鹏教授对全书翻译给出了许多有建设性的意见。在本书初稿的翻译和后续校对过程中，研究生王雪芬、唐志伟、伍嘉伟、尹家俊、曹炳、李海春等同学也参与了部分相关的工作，在此一并表示衷心的感谢。
由于译者的水平有限，译文中难免存在错漏和不足之处，恳请广大读者予以批评指正。

译者

译者序
前言
第1章绪论
11运动控制系统的组成
111人机接口
112运动控制器
113驱动器
114执行器
115传动机构
116反馈
参考文献
第2章运动曲线
21运动学基本概念
22常见运动曲线
221梯形速度曲线
222S形速度曲线
23多轴运动
231摆转运动
232插补运动
习题
参考文献
第3章传动链设计
31惯量和转矩折算
311齿轮箱比
312惯量折算
313转矩折算
314效率
315总惯量
32惯量比
33传动机构
331传动机构的转矩和惯量折算
332带轮
333丝杠
334齿轮齿条传动
335直线运动中的带传动
336传送带
34运动转矩的计算
341加速（最大）转矩
342运行转矩
343减速转矩
344连续（有效值）转矩
35电机的机械特性
351交流伺服电机的机械特性曲线
352交流感应电机的机械特性曲线
36电机选择
37直接驱动电机选择
38电机与传动机构选择
39齿轮箱
391行星伺服减速器
392蜗轮减速器
310伺服电机和齿轮减速器选择
311交流感应电机和齿轮箱选择
312电机、齿轮箱和传动机构选择
习题
参考文献
第4章电机
41基本概念
411电气周期与机械周期
412三相绕组
42旋转磁场
421霍尔传感器
422六步换相法
43交流伺服电机
431转子
432定子
433正弦波换相
434正弦波换相的转矩计算
435交流伺服电机的六步换相法
436采用编码器和霍尔传感器的电机定相
44交流感应电机
441定子
442转子
443电机的运行
444直接电网恒速运行
445变频驱动器变速运行
45数学模型
451交流伺服电机模型
452交流感应电机模型
习题
参考文献
第5章传感器和控制器件
51光电编码器
511增量式编码器
512正余弦编码器
513绝对式编码器
514编码器的串行通信
515速度估算
52检测传感器
521限位开关
522接近传感器
523光电传感器
524超声波传感器
525扇入和扇出的概念
526三线传感器
53主令控制器件
531按钮
532选择开关
533指示灯
54交流感应电机的控制器件
习题
参考文献
第6章交流驱动器
61驱动器电路
611整流器和直流环节
612逆变器
62基本控制结构
621级联的速度环和位置环
622单环PID位置控制
623含有前馈控制的级联闭环
63内环
631交流感应电机的内环
632交流伺服电机的内环
64控制器的仿真模型
641交流感应电机矢量控制的仿真模型
642交流伺服电机矢量控制的仿真模型
65参数整定
651PI控制器的参数整定
652PID位置控制器的参数整定
653带前馈增益的级联速度/位置控制器的参数整定
习题
参考文献
第7章运动控制器编程与应用
71运动模式
711直线运动
712圆弧运动
713轮廓运动
72编程
721运动程序
722PLC功能
73单轴运动
731点动
732回零
74多轴运动
741多电机单轴驱动
742两轴或多轴联动
743主从同步随动
744张力控制
745运动学
习题
参考文献
附录控制理论概述
单位换算表