工业运动控制:电机选择、驱动器和控制器应用_[美]哈肯·基洛卡（Hakan Gürocak）_9787111603399

本书将理论、工业机械设计范例、工业运动控制产品和实用指南揉和在一起，旨在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。这本书的内容来源于作者的本科机电一体化课程和自动化课程的教学经验，以及与工业运动控制行业工程师的交流讨论。

前言在过去的几十年里，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 GiirocakVancouver,Washington, USA

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