控制器件

《控制器件(第二版)》

总序

第二版前言

第一版前言

第1章 绪论 1

1.1 自动控制系统与控制器件 2

1.1.1 自动控制系统 2

1.1.2 控制器件的基本概念 2

1.1.3 控制器件涉及的知识结构 3

1.2 执行机构概述 4

1.2.1 执行机构的定义和分类 4

1.2.2 运动控制执行机构 4

1.2.3 现代执行机构的发展 4

1.3 传感器概述 5

1.3.1 传感器定义及分类 5

1.3.2 运动控制传感器 5

1.3.3 环境传感器 6

1.3.4 现代传感器发展动态 6

1.4 控制器件的特性与选用 7

1.4.1 传感器的特性 7

.1.4.2 执行机构的特性 11

1.4.3 执行机构的选用 12

1.4.4 传感器的选用 12

1.5 控制器件在典型运动控制系统中的应用 13

1.5.1 机器人 13

1.5.2 无人自主车 13

1.5.3 无人飞行器 14

1.5.4 微小卫星 14

1.6 本书的主要内容及学习方法 15

1.6.1 本书的主要内容 15

1.6.2 本课程的特点 15

1.6.3 本课程的学习方法 16

本章小结 17

思考题与习题 17

执行机构篇

第2章 直流伺服电动机 19

2.1 直流伺服电动机的原理和结构 20

2.1.1 直流伺服电动机的工作原理 20

2.1.2 直流伺服电动机的结构 20

2.2 直流伺服电动机的稳态特性 23

2.2.1 直流伺服电动机的稳态基本关系式 23

2.2.2 直流伺服电动机的机械特性 26

2.2.3 调节特性 28

2.3 直流伺服电动机的动态特性 29

2.3.1 直流伺服电动机的动态基本关系式 29

2.3.2 直流伺服电动机的过渡过程与过渡特性 30

2.3.3 直流伺服电动机的传递函数与方框图 33

2.4 直流伺服电动机的控制方法 35

2.4.1 直流伺服电动机的启动 35

2.4.2 直流伺服电动机的励磁方式 35

2.4.3 直流伺服电动机的调速 37

2.4.4 直流伺服电动机的制动 37

2.4.5 直流伺服电动机的工作状态 37

2.4.6 影响直流伺服电动机性能的因素 39

2.5 直流伺服电动机的性能指标 39

2.5.1 额定电压 39

2.5.2 额定电流 39

2.5.3 额定功率 40

2.5.4 额定转速 40

2.5.5 定额 40

2.5.6 额定输出力矩 40

2.6 直流伺服电动机在运动控制中的应用 40

2.6.1 转速控制 41

2.6.2 位置控制 41

2.6.3 力矩控制 42

2.6.4 直流伺服电动机的选用 43

本章小结 43

思考题与习题 43

第3章 交流伺服电动机 45

3.1 交流伺服电动机的原理和结构 46

3.1.1 交流伺服电动机的基本工作原理 46

3.1.2 交流伺服电动机的结构 46

3.2 两相绕组的圆形旋转磁场 48

3.2.1 对称两相绕组的圆形旋转磁场 48

3.2.2 旋转磁场的转动方向 49

3.2.3 旋转磁场的转速 50

3.2.4 产生圆形旋转磁场的条件 51

3.3 圆形旋转磁场运行分析 51

3.3.1 转速与转差率 52

3.3.2 电压平衡方程式 52

3.3.3 磁势平衡方程式 54

3.3.4 电磁力矩 54

3.3.5 机械特性 56

3.4 椭圆形旋转磁场运行分析 57

3.4.1 椭圆形旋转磁场的产生 57

3.4.2 椭圆形旋转磁场的分解 59

3.4.3 椭圆形旋转磁场的机械特性 59

3.5 交流伺服电动机的控制 60

3.5.1 转速控制与调节特性 60

3.5.2 相位控制方法 62

3.5.3 起动和停转控制 64

3.5.4 交流伺服电动机的传递函数 65

3.6 交流伺服电动机的性能指标 66

3.6.1 额定电压 66

3.6.2 频率 66

3.6.3 堵转电流和堵转力矩 66

3.6.4 额定输出功率、额定输出力矩和额定转速 66

3.6.5 空载始动电压 66

3.6.6 非线性度 66

3.6.7 机电时间常数 67

3.7 变频调速技术简介 68

3.7.1 变频调速原理 68

3.7.2 变频技术 69

3.7.3 变频调速控制 70

3.7.4 变频调速交流电动机的传递函数 71

3.8 交流伺服电动机在运动控制中的应用 71

本章小结 72

思考题与习题 72

第4章 步进电动机 75

4.1 步进电动机的结构和原理 76

4.1.1 步进电动机的结构 76

4.1.2 步进电动机的工作原理 76

4.1.3 转速和步距角 78

4.2 步进电动机的工作特性 78

4.2.1 力矩特性 79

4.2.2 单步运行和静态特性 81

4.2.3 连续运行和动态特性 82

4.2.4 步进电动机的传递函数 83

4.2.5 步进电动机的起动和调速 85

4.3 步进电动机的主要性能指标 85

4.3.1 步距角和静态步距角误差 85

4.3.2 最大静力矩 85

4.3.3 起动频率和起动矩频特性 85

4.3.4 运行频率和运行矩频特性 86

4.3.5 额定电流和额定电压 86

4.4 步进电动机的使用 86

4.4.1 步进电动机驱动器 86

4.4.2 步距角的细分 86

4.4.3 实用控制方案 88

4.4.4 步进电动机在运动控制中的应用 89

本章小结 89

思考题与习题 90

第5章 液压驱动系统 91

5.1 液压驱动系统基本原理 92

5.1.1 液压驱动系统的特点 92

5.1.2 液压传动相关理论 92

5.1.3 液压传动系统基本原理 95

5.2 液压控制元件 96

5.2.1 液压泵 96

5.2.2 液压缸 98

5.2.3 液压阀 100

5.2.4 辅助装置 106

5.3 常用液压控制回路原理 108

5.3.1 压力控制回路 109

5.3.2 速度控制回路 112

5.3.3 方向控制回路 115

5.3.4 多缸控制回路 115

5.4 液压驱动系统设计方法 116

5.4.1 液压系统工作状况分析 117

5.4.2 液压驱动系统的总体设计 117

5.4.3 液压控制元件的选取 118

5.4.4 液压驱动系统的性能验算 118

5.5 液压驱动系统的传递函数 119

5.6 液压驱动系统在运动控制中的应用 120

本章小结 120

思考题与习题 121

第6章 其他执行机构简介 123

6.1 其他电动机与电磁类执行机构 124

6.1.1 无刷直流电动机 124

6.1.2 开关磁阻电动机 124

6.1.3 交流同步电动机 125

6.1.4 直线电动机 126

6.1.5 电磁铁 126

6.1.6 电磁离合器 127

6.2 液压（气动）马达和膜片式驱动装置 127

6.2.1 液压（气动）马达 127

6.2.2 膜片式驱动机构 128

6.3 静电执行机构 128

6.3.1 静电电动机 128

6.3.2 静电微泵 129

6.4 惯性执行机构——飞轮 129

6.5 基于材料物理特性的执行机构 130

6.5.1 磁致伸缩驱动器 130

6.5.2 压电驱动器 130

6.5.3 超声波电动机 130

6.5.4 形状记忆合金驱动器 131

本章小结 131

思考题与习题 132

传感器篇

第7章 位置与速度传感器 133

7.1 电阻式位置传感器 134

7.1.1 线性电位器 134

7.1.2 函数电位器 135

7.1.3 环形电位器 135

7.2 电容式位置传感器 136

7.2.1 电容式位置传感器的原理和应用 136

7.2.2 电容值的读取方法 138

7.3 感应式位置传感器 141

7.3.1 自整角机 141

7.3.2 旋转变压器 144

7.3.3 感应同步器 149

7.3.4 其他感应式位置传感器 150

7.4 磁敏式位置传感器 153

7.4.1 干簧管 153

7.4.2 霍尔元件 154

7.4.3 磁敏电阻 157

7.4.4 磁敏二极管和磁敏三极管 159

7.5 光电式位置传感器 162

7.5.1 光电池 162

7.5.2 光敏电阻 163

7.5.3 光敏二极管和光敏三极管 164

7.5.4 光栅传感器 164

7.5.5 光电码盘 167

7.6 直流测速发电机 168

7.6.1 直流测速发电机的工作原理和结构 168

7.6.2 直流测速发电机的特性 169

7.6.3 直流测速发电机误差分析 172

7.6.4 直流测速发电机的性能指标 176

7.7 交流测速发电机 177

7.7.1 交流测速发电机的结构和工作原理 178

7.7.2 交流测速发电机的主要性能指标 178

7.7.3 交流测速发电机的应用 180

本章小结 181

思考题与习题 183

第8章 力与惯性传感器 185

8.1 力传感器 186

8.1.1 力－位移转换装置 186

8.1.2 压电式传感器 187

8.1.3 压频式传感器 190

8.2 加速度表 191

8.2.1 加速度表基本原理 191

8.2.2 液浮摆式加速度表 191

8.2.3 挠性加速度表 192

8.2.4 硅微加速度表 193

8.2.5 加速度表误差模型 194

8.3 陀螺仪 195

8.3.1 陀螺仪基本特性 195

8.3.2 机械框架式陀螺仪 196

8.3.3 挠性陀螺仪 198

8.3.4 光学陀螺仪 200

8.3.5 硅微陀螺 204

8.3.6 陀螺误差模型 204

8.3.7 陀螺仪的应用 204

本章小结 208

思考题与习题 209

第9章 环境传感器 211

9.1 温度传感器 212

9.1.1 双金属片 212

9.1.2 热电阻 212

9.1.3 热电偶 213

9.1.4 热敏电阻 215

9.1.5 热敏二极管和热敏三极管 215

9.2 湿度传感器 217

9.2.1 湿度的概念 217

9.2.2 电解质式湿度传感器 217

9.2.3 半导体陶瓷湿度传感器 218

9.2.4 高分子湿度传感器 218

9.2.5 湿敏二极管和湿敏mos场效应管 219

9.2.6 湿度传感器的使用注意事项 220

9.3 气敏传感器 221

9.3.1 固态气敏传感器 221

9.3.2 液态气敏传感器 223

9.3.3 光学气敏传感器 223

9.4 颜色与图像传感器 223

9.4.1 色敏光电传感器 223

9.4.2 光固态图像传感器 224

9.5 辐射和声传感器 227

9.5.1 红外辐射传感器 227

9.5.2 声音传感器 227

9.5.3 超声波传感器 228

9.6 新型传感器 229

9.6.1 光纤传感器 229

9.6.2 激光探测器 230

9.6.3 生物分子传感器 231

9.6.4 智能传感器 232

本章小结 233

思考题与习题 234

应用篇

第10章 控制器件应用选型实例 235

10.1 车床数控改造 236

10.1.1 总体方案 236

10.1.2 控制器件参数计算与选型 236

10.2 机床工作台液压驱动系统 237

10.2.1 工况分析和参数计算 237

10.2.2 液压控制回路设计 239

10.2.3 液压元件选取 239

10.2.4 液压系统性能验算 240

10.3 步行机器人行走机构 241

10.3.1 总体方案 241

10.3.2 功率和转动力矩 242

10.3.3 电流和电压 243

10.3.4 电动机和负载的惯量匹配 243

本章小结 244

思考题与习题 244

参考文献 245