前言

运动控制系统是自动化技术的一个分支，广泛地应用于机械制造、冶金、交通运输、石油石化、航空航天、国防科技、生物工程、日用化工、医疗卫生、人居生活等方方面面。随着近期人工智能技术的快速发展，运动系统的智能控制对提升整个国民经济发展水平起着举足轻重的作用，对加快社会进步和改善人类生活都十分必要。

自20世纪40年代起，由于经典控制理论的提出，经典PID控制器在运动控制系统得到广泛应用，使得运动系统的稳定性和可控性大幅度提升。20世纪80～90年代后，微电子技术、电力电子技术、智能控制技术迅猛发展，推进了运动控制系统的控制器智能化。尤其是近三年，随着智能装备与智能制造、机器人等工业4.0计划的制订，运动控制系统的智能化趋势不可逆转。

一个典型的运动控制系统由运动感知、运动控制和驱动执行组成，本书就以这三个要素作为基本架构进行编写。本书分四篇九章，第一篇是运动系统与运动控制器，涵盖本书的前三章，重点介绍有关运动系统的概念、运动控制器的组成及运动控制器的设计，考虑到智能控制技术的快速发展，控制器设计的重点放到智能控制器设计上。第二篇是执行器设计与驱动控制技术，由第4～7章组成，考虑到运动控制技术属于实用性很强的技术，自身发展与进化很快，之前很多同类书籍主要偏重驱动技术，忽略执行器设计基本方法，因此本篇主要对执行器的通用设计规则进行讨论，对动力形式做了全面系统的介绍。就驱动技术而言，本篇对很多传统技术的内容进行了调整，把不太具有实用性的内容做了删减，主要体现在各种电机调速控制的方法上。例如，对于直流电机调速，本书的重点是PWM调压调速，其他方式不予讨论；再如，对于交流电机调速，就围绕交流电机模型与解耦讲述，采用PWM变频调速技术的三种模式—标量控制、矢量控制和直接转矩控制。另外，着眼于最新科技，本篇专门介绍新兴执行器技术，如金属形状记忆合金、磁致伸缩和电磁流变等，使读者可以对运动控制系统的核心部件有一个更加全面的理解和掌握。本篇还有一个特点，就是从读者使用的角度系统地介绍商用交流电机变频器和商用伺服电机驱动控制器的选型原则、模式设定及接线使用。第三篇是运动感知技术，由第8章组成，因为近五年电动汽车与无人驾驶汽车的发展，本篇新增加了距离检测技术。第四篇是运动系统应用实例，由第9章组成，通过包括无人驾驶汽车在内的七个应用实例，从系统应用的角度对运动轨迹进行分析并提出控制解决方案，目的是对本书前三篇的内容进行归纳总结。

由于工科本科教学中需要压缩基本理论学时，增加实践教学环节，因此本书按照48学时编写。其中，理论学时为40学时，实践学时为8学时。为了扩大读者的知识面，本书增加部分章节（目录中标有星号的章节），供老师或读者选择。实践的主要内容是直流PWM调速控制器、交流商用变频器、商用伺服电机驱动控制器与运动检测（转速、距离、力等）。

本书共九章，第1章是绪论，其主要内容有五点：①运动控制研究的主要问题、第一类运动系统问题、第二类运动系统问题和运动轴的定义；②运动控制系统的组成；③运动控制系统有关术语；④运动控制系统的发展历程、发展趋势及发展运动控制技术的意义；⑤本书内容介绍与读者适用范围。

第2章主要围绕运动控制系统控制器的构成要素展开讲述，核心是运动轨迹、运动插补与控制回路；并对运动控制器的硬件构成与软件架构展开讨论，详细分析了运动控制器硬件组成中的各种可能选项，对控制器软件功能模块进行了剖析，且介绍了两款软件开发工具。

第3章是智能运动控制器设计，重点为：①模糊控制技术与模糊控制器；②自适应控制技术与自适应运动控制器。

第4章是执行器设计与执行器，重点为：①执行器设计原则与设计步骤，主要讲解驱动连接形式及相对应的负载计算方法与公式；②电动执行器；③液压执行器；④气动执行器；⑤新型执行器。

第5章主要讲述直流电机调速原理和调速驱动控制器，其主要内容包括直流电机调速的发展历程、调速调节器设计、单闭环直流电机调速系统、双闭环直流电机调速系统、多闭环直流电机调速系统；由于计算机软件技术的快速发展，现在几乎所有的直流电机速度调节与控制都利用MCU实现，故5.2.4节对直流电机调速系统控制器的数字仿真做了介绍。

第6章主要内容包括交流电机数学模型、交流电机的四大方程、交流电机的控制理论基础、交流变频调速技术基础。有关PWM可能涉及三种技术方案：PWM标量控制技术、PWM矢量控制技术和直接转矩控制技术。作为交流变频调速技术的代表—变频器，介绍变频器的基本种类、使用方法和使用模式。

第7章主要讲述有关伺服电机的调速控制原理和数学模型的建立，以PMSM伺服电机为主要对象，对交流伺服调速控制从电路到软件进行了全面介绍。同时，还对伺服电机驱动控制器做了详细讨论，希望读者掌握伺服电机驱动控制器的选型与使用方法。

第8章讲述有关运动对象的距离、位置、速度、加速度与力矩检测的方法，介绍了传感器的基本检测原理、基本结构和性能。

第9章给出了7个有关运动问题的应用实例，均从功能分析入手，研究生产流程对运动的需求和实现方法，然后搭建需要的运动系统，实现相应的运动控制功能。

本书第1～8章由资深机电一体化高级工程师班华博士编写，第9章由李长友教授编写，应用实例主要取材于班华、李长友、沈玉杰、李涛等人相关的科研项目和论文。在编写过程中借鉴了很多同类教材和论文，详见参考文献。在此，对参考文献中提及的相关文章作者表示由衷的感谢。

由于本书作者学识和水平的局限性，错误和缺陷在所难免，欢迎各位读者批评指正。

编者

2018年9月