工业自动化中的驱动与控制

本书以工业伺服驱动技术和控制技术为主要内容，介绍了液压伺服系统、气动系统、电力驱动系统、压电驱动器和伺服驱动控制系统，书中详细介绍了各种工业伺服和驱动的基本原理、结构和特点，以及现场总线协议和通用现场总线。此外，本书总结了工业运动控制的发展趋势，特别是超精密机加工、微制造、微组装、精密计量测试及相应的驱动技术。本书的主要读者对象是对驱动、传感器、控制系统设计感兴趣的工程技术人员，尤其是那些致力于系统设计与控制同时需要在驱动与控制系统方面有很广知识面的技术人员，本书也很好适合作为“控制系统” “机电一体化系统设计” “工业驱动” “设备与传感器”等课程的教材。

Tan Kok Kiong教授是新加坡国立大学电力与计算机工程系智能控制中心主任，其研究团队在工业运动控制技术领域享有很高的声誉。

译丛序言
译者序
前言
第1章伺服控制系统概述1
1.1伺服控制系统的目标1
1.2伺服控制单元4
1.2.1测量4
1.2.2驱动4
1.2.3功率调制5
1.2.4控制5
1.2.5系统集成6
第2章液压伺服和气动驱动7
2.1伺服液压和气动驱动概述7
2.2液压和气动驱动基础9
2.2.1基本定义和原理9
2.2.2液压油11
2.2.3流体驱动的优势12
2.3液体驱动系统的构成13
2.3.1主电源13
2.3.2液压泵13
2.3.3液压马达17
2.3.4液压活塞/液压缸20
2.3.5控制阀22
2.3.6传感器28
2.3.7辅助设备31
2.4基本液压回路34
2.4.1恒流系统34
2.4.2恒压系统34
2.4.3恒功率系统34
2.4.4液压回路的联锁35
第3章电力驱动系统36
3.1电力驱动概述36
3.2电动机38
3.2.1步进电动机39
3.2.2直流电动机42
3.2.3交流电动机45
3.2.4线性电动机50
3.3电力电子52
3.3.1直流-直流转换器53
3.3.2直流-交流转换器58
3.3.3交流-交流转换器60
3.3.4交流-直流转换器61
3.4传感器63
3.4.1位置测量63
3.4.2速度测量66
3.4.3加速度测量66
3.4.4转矩测量66
3.5电力驱动程序的配置67
第4章压电驱动器70
4.1固态驱动器和压电致动器70
4.2压电效应71
4.3非线性压电致动器73
4.4压电致动器的机械连接75
4.4.1缺口接头77
4.4.2交叉带轴和车轮铰链77
4.4.3被动接点78
4.4.4标准旋转接头79
4.4.5标准平移接头80
4.5应用实例80
第5章控制系统的伺服驱动器86
5.1开环控制与闭环控制86
5.2伺服控制器的挑战86
5.2.1系统设计87
5.2.2非线性动力学87
5.2.3扰动92
5.3伺服控制结构93
5.3.1轨迹发生器94
5.3.2反馈控制94
5.3.3前馈补偿103
5.3.4状态反馈观测器104
5.3.5陷波滤波器105
5.4实现106
5.4.1数字控制106
5.4.2模拟控制109
5.5IEC 61131-3编程标准110
5.5.1梯形图111
5.5.2指令列表（IL）112
5.5.3结构化文本（ST）112
5.5.4顺序功能图（SFC）113
5.5.5功能框图（FBD）114
5.5.6连续功能图（CFC）116
第6章数字通信协议117
6.1现场总线的发展117
6.1.1分布式控制系统117
6.1.2私有协议的问题120
6.2现场总线协议栈121
6.2.1物理层122
6.2.2链路层124
6.2.3网络层126
6.2.4应用层127
6.2.5用户层127
6.2.6遍历堆栈127
6.3通用现场总线127
6.3.1CANopen总线127
6.3.2过程现场总线128
6.3.3基础现场总线129
6.3.4火线130
6.3.5Sercos总线131
6.3.6以太网131
6.4液压/气动和电动驱动的应用132
6.4.1液压/气动驱动器的现场总线133
6.4.2电驱动装置的现场总线134
第7章运动控制的发展趋势135
7.1背景135
7.1.1纳米技术135
7.1.2生物技术135
7.2超精密加工136
7.2.1超精密主轴136
7.2.2准分子激光微加工137
7.3微制造138
7.3.1光刻技术138
7.3.2微机电系统(MEMS)138
7.4微组装138
7.5精密计量测试139
7.6驱动技术139
7.6.1微制造139
7.6.2微装配140
7.6.3微计量140
参考文献142

工业自动化在现代工业中扮演着非常重要的角色，尤其是在这个高精度快速生产的时代。工业自动化的目标是在工业领域中用合理的费用来实现快速高效的生产。工业自动化最适合大规模生产同质化产品，然而大部分行业生产的产品数量较低。在这种状况下，我们的挑战就是如何在合理的安装成本下发展自动化系统，因此广大读者对与之相关的知识技术的需求也与日俱增。
    在工业自动化中，控制系统与驱动是密不可分的两个部分，本书重新整理了与工业自动化控制与驱动相关的资料，从伺服控制宏观角度写起，重点介绍了用于实现精确控制的主要驱动类型，包括液压伺服、气动驱动、电力驱动和压电驱动。每一章都对执行器、传感器、控制器主要部件进行了详细讨论，考虑到上述驱动的控制原理相似，因此没有深入分析控制理论，而是将与运动控制自身相关的技术和理论单独放在第5章中讨论。同样，数字通信协议单独放在了第6章，并总结了运动和数字化精确控制的重要性和快速发展趋势。第7章对运动控制进行了更为通用的介绍。本书体现了机电一体化的整体性、细微差别和协同集成性，也反映了当前工业自动化协同效应的现实问题。
    忽略机电一体化之间的细微差别，本书的结构非常适合循序渐进的教学。同时每一章的内容都可以在不影响读者理解的情况下独立学习。本书的读者范围很广，包括工业自动化专业的学生、技术人员、工程师和科研人员等。本书使用了简洁的基础知识和语言，如用方程的基本原理解释一些确切的概念，这样既不会降低初学者的积极性，又不会使基础扎实的读者觉得冗余。想了解工业自动化领域各种传感器、执行器、控制器应用的读者通过本书可以有所收获。读者也会发现这本书所反映的当前工业采用的方法和观点，至今非常合理且简单易懂，而且可以联系到自己以前所学的专业知识。
    液压和压电驱动，以及控制原理和数字通信协议的引入都是为了使本书能够涵盖控制系统的每个方面。本书的讨论从每个设备的发展和基本原理到组装系统的过程。书中各执行器、传感器、控制系统和组装系统的协同一致性也展示了当前工业的应用趋势。本书的主要读者对象是对驱动、传感器、控制系统设计感兴趣的专家、工程师和学生。本书也非常适合作为“控制系统”“机电一体化系统设计”“工业驱动”“设备与传感器”课程的教材。对于专业人士，本书最适合那些致力于系统设计与控制同时需要在驱动与控制系统方面有较宽较深入认识的读者。
    为了准确地向读者介绍每一个概念，本书配有很多插图，尤其是为了体现出工业系统的工作原理和结构。
    如果没有同事和朋友们的慷慨帮助，本书就不可能完成。作者要在此向以下这些人表达最真诚的谢意，他们分别是Dr.HuangSunan，Dr.ZhaoShao,Dr.TangKokZuea和Mr.ChenSilu，他们都对本书提供了非常珍贵的参考资料。作者也要感谢以下这些人，他们分别是Mr.OliverJackson,Ms.AislinnBunning和Ms.CharlotteCross，他们对本书的编辑和出版都做出了很大贡献。最后，我要向我的家人表示感谢，感谢他们对我的爱和支持。

    新加坡  Tan Kok Kiong  Andi Sudjana Putra