航天机电伺服系统（第二版）

本书内容均为作者从事相关研究的成果，大部分都以在实际的设备上进行了应用，有非常高的参考价值 

本书为航天机电伺服系统第二版，是在*版的基础上，对部分内容进行细化，增加了机电伺服系统多
学科联合仿真和设计优化章节。全书重点介绍了机电伺服系统技术发展状况、系统设计方法，以及组成机电
伺服系统的各核心零部件的关键技术，全书共分为10 章。第1 章介绍了航天机电伺服技术的特点和发展历程，
航天机电伺服系统各核心零部件技术，以及伺服系统控制方法。第2 章详细论述了伺服电动机的工作原理和
结构特点，以及永磁同步电机的设计方法。第3 章对伺服电动机驱动电路、控制算法进行详细阐述，讨论了
控制算法的工作原理，推导了控制策略及控制算法数学模型。第4 章介绍了机电伺服系统中常用传感器特点、
分类和工作原理。第5 章详细论述了精密传动机构的类型、结构形式、工作原理、结构参数计算方法和性能
测试方法。第6 章介绍了机电伺服作动器的分类、结构类型、设计方法、国内外发展现状。第7 章就航天伺
服动力电源的种类、特性以及应用进行了详细论述。第8 章介绍了航天机电伺服系统的总体设计流程，以及
主要参数的计算方法。第9 章介绍了航天机电伺服多学科融合建模方法，以及系统性能仿真与优化方法。第
10 章给出了机电伺服系统在海军、空军、陆军、机器人、工业自动化领域的典型应用。

本书作者为北京精密机电控制设备研究所总研究师，历任航天型号私服系统主任设计师和伺服技术研发中心主任，承担了大量的国家航空航天伺服系统科研项目。本书是他所带领的研究团队长期科研工作的总结和提高，对从事类似工作的工程技术人员有相当的指导意义。

前言第一版前言第１章　概论１ 　　１．１　航天机电伺服概况１ 　　１．２　机电伺服技术发展２ 　　１．３　机电伺服系统关键技术９ 　　　１．３．１　航天机电伺服作动器９ 　　　１．３．２　伺服电动机技术１１ 　　　１．３．３　驱动控制技术１２ 　　　１．３．４　伺服传动技术１３ 　　　１．３．５　电源及管理技术１４ 　　　１．３．６　可靠性技术１５ 　　　１．３．７　传感器技术１７ 　　１．４　机电伺服系统控制算法２４ 第２章　伺服电动机３０ 　　２．１　直流伺服电动机３０ 　　　２．１．１　直流电动机基本结构与分类３０ 　　　２．１．２　直流伺服电动机特点３１ 　　　２．１．３　基本原理与构成３１ 　　　２．１．４　直流伺服电动机数学模型３２ 　　２．２　无刷直流伺服电动机３４ 　　　２．２．１　无刷直流电动机本体组成３４ 　　　２．２．２　无刷直流电动机转子位置检测装置３６ 　　　２．２．３　功率电子驱动装置３６ 　　　２．２．４　无刷直流电动机工作原理３７ 　　　２．２．５　无刷直流电动机数学模型３７ 　　　２．２．６　无刷直流电动机的ＰＷＭ 调速控制３８ 　　２．３　永磁同步伺服电动机４１ 　　　２．３．１　永磁同步电动机基本结构４１ 　　　２．３．２　永磁同步电动机的数学模型４３ 　　　２．３．３　永磁同步电动机设计方法４６ 　　　２．３．４　常用磁性材料４８ 　　　２．３．５　永磁同步电动机的特点与应用４９ 　　２．４　交流感应电动机５１ 　　　２．４．１　交流感应电动机基本结构５１ 　　　２．４．２　交流感应电动机工作原理５３ 　　　２．４．３　交流感应电动机机械特性５３ 　　　２．４．４　交流感应电动机数学模型５４ 　　２．５　开关磁阻电动机５８ 　　　２．５．１　开关磁阻电动机结构５８ 　　　２．５．２　开关磁阻电动机工作原理６２ 　　　２．５．３　开关磁阻电动机特点６３ 　　　２．５．４　开关磁阻电动机数学模型６５ 　　２．６　直线电动机６７ 　　　２．６．１　直线电动机基本原理６８ 　　　２．６．２　直线电动机的分类６９ 　　　２．６．３　圆筒型直线电动机的特点与应用６９ 第３章　伺服电动机驱动技术７３ 　　３．１　ＰＷＭ 控制技术７３ 　　　３．１．１　ＰＷＭ 基本原理７３ 　　　３．１．２　ＰＷＭ 的理论基础７４ 　　　３．１．３　直流电动机的ＰＷＭ 控制技术７５ 　　３．２　矢量控制技术７５ 　　　３．２．１　矢量控制变换的思路７６ 　　　３．２．２　按转子磁场定向的矢量控制的实现７７ 　　　３．２．３　正弦波脉宽调制技术７９ 　　３．３　电压空间矢量控制技术８０ 　　　３．３．１　逆变器调制方式比较８０ 　　　３．３．２　ＳＶＰＷＭ 调制方式算法原理８０ 　　　３．３．３　永磁同步电动机的电压空间矢量控制８５ 　　３．４　直接转矩控制８５ 　　　３．４．１　电压型逆变器的模型８７ 　　　３．４．２　磁链轨迹的控制８８ 　　　３．４．３　磁链轨迹区段的确定８９ 　　　３．４．４　转矩控制９０ 　　　３．４．５　感应电动机定子磁链和转矩的估算９３ 　　３．５　迭代学习控制方法９３ 　　　３．５．１　开关磁阻电动机转矩脉动产生原因９４ 　　　３．５．２　基于模型控制和迭代学习控制９４ 　　　３．５．３　迭代学习控制过程和开环ＰＩＤ迭代学习控制９５ 　　　３．５．４　开关磁阻电动机的迭代学习控制理论分析９６ 　　３．６　永磁同步式起动／发电机的最大转矩／电流控制１０２ 　　３．７　基于滑膜变结构永磁同步电机无传感器矢量控制技术１０５ 　　　３．７．１　滑模变结构控制理论１０５ 　　　３．７．２　基于传统滑模观测器的高速ＰＭＳＭ 无传感器控制方式１０８ 　　　３．７．３　传统滑模观测器的抖振问题１１０ 第４章　机电伺服系统传感器１１２ 　　４．１　电流传感器１１２ 　　　４．１．１　电流传感器组成与分类１１２ 　　　４．１．２　霍尔电流传感器工作原理１１４ 　　　４．１．３　电流互感器工作原理１１７ 　　　４．１．４　磁阻式电流传感器工作原理１１９ 　　　４．１．５　电阻式电流传感器１２０ 　　　４．１．６　电流传感器在电动机控制中的应用１２１ 　　４．２　电压传感器１２４ 　　　４．２．１　电压传感器的分类和特点１２４ 　　　４．２．２　电磁式电压互感器工作原理１２５ 　　　４．２．３　电容式电压互感器的工作原理１２６ 　　　４．２．４　霍尔电压传感器１２７ 　　　４．２．５　电压传感器在传动系统中的应用１３１ 　　４．３　转子位置传感器１３２ 　　　４．３．１　光电编码器传感器１３２ 　　　４．３．２　旋转变压器１３４ 　　　４．３．３　磁编码器１３９ 　　　４．３．４　编码器在伺服系统中的应用１４２ 　　４．４　位移传感器１４４ 　　　４．４．１　位移传感器的分类１４５ 　　　４．４．２　光栅位移传感器的工作原理１４６ 　　　４．４．３　光学三角位移传感器的工作原理１４７ 　　　４．４．４　光学编码尺位移传感器１４８ 　　　４．４．５　直线磁编码器１４８ 　　４．５　加速度传感器１５０ 　　　４．５．１　压电式加速度传感器１５０ 　　　４．５．２　电容式加速度传感器１５１ 第５章　机电伺服传动机构１５３ 　　５．１　概述１５３ 　　５．２　谐波传动１５４ 　　　５．２．１　谐波齿轮传动原理１５４ 　　　５．２．２　谐波齿轮传动的传动比计算１５５ 　　　５．２．３　谐波传动主要构件的结构形式１５６ 　　　５．２．４　谐波齿轮传动的失效形式１５７ 　　　５．２．５　谐波齿轮传动的效率１５７ 　　５．３　滚珠丝杠１５８ 　　　５．３．１　滚珠丝杠副的工作原理及结构形式１５９ 　　　５．３．２　滚珠丝杠副的承载能力１６４ 　　　５．３．３　滚珠丝杠副的预紧１６７ 　　　５．３．４　滚珠丝杠副的驱动力矩及传动效率１７１ 　　５．４　行星滚柱丝杠１７６ 　　　５．４．１　行星滚柱丝杠的工作原理与结构类型１７６ 　　　５．４．２　行星滚柱丝杠的运动分析１７９ 　　　５．４．３　行星滚柱丝杠的尺寸参数１８３ 　　５．５　行星齿轮差速器１８５ 　　　５．５．１　行星齿轮差速器工作原理与结构类型１８５ 　　　５．５．２　行星齿轮差速器参数设计１８９ 　　　５．５．３　行星齿轮差速器运动学与动力学分析１９１ 　　５．６　传动机构性能测试１９４ 　　　５．６．１　承载能力和效率测试试验１９４ 　　　５．６．２　动态性能测试试验１９６ 　　　５．６．３　传动精度测试试验１９８ 第６章　机电作动器２０１ 　　６．１　概述２０１ 　　６．２　机电作动器分类２０１ 　　６．３　机电作动器结构形式２０２ 　　　６．３．１　直线式机电作动器２０２ 　　　６．３．２　旋转式机电作动器２０５ 　　　６．３．３　空间摆动式机电作动器２０６ 　　　６．３．４　余度式机电作动器２０７ 　　６．４　机电作动器设计研究２１８ 　　　６．４．１　机电作动器设计流程２１８ 　　　６．４．２　机电作动器布局设计２１８ 　　　６．４．３　机电作动器参数设计２１８ 　　　６．４．４　伺服电动机设计２２０ 　　６．５　机电作动器国内外研究现状２２０ 第７章　伺服动力电源２２３ 　　７．１　机电伺服用电特性２２３ 　　　７．１．１　机电伺服电源的工作过程２２３ 　　　７．１．２　机电伺服系统的用电特性２２４ 　　７．２　化学电源２２５ 　　　７．２．１　热电池２２５ 　　　７．２．２　锌银电池２３０ 　　　７．２．３　动力型锂离子电池２３５ 　　７．３　弹载发电机２３７ 　　　７．３．１　涡轮发电机２３８ 　　　７．３．２　涡轮发电机系统２３８ 　　　７．３．３　斯特林发电机２４４ 　　７．４　电源管理技术２５３ 　　　７．４．１　组合电源２５４ 　　　７．４．２　快响应升压技术２５４ 　　　７．４．３　先进储能及功率调节技术２５５ 　　　７．４．４　电源一体化技术２５５ 　　　７．４．５　再生电能的管理２５６ 第８章　航天机电伺服系统分析与设计２５８ 　　８．１　机电伺服系统设计需求２５８ 　　　８．１．１　结构与质量要求２５８ 　　　８．１．２　性能要求２５８ 　　　８．１．３　其他要求２５９ 　　８．２　机电伺服系统负载特性分析２５９ 　　　８．２．１　负载的种类和性质２５９ 　　　８．２．２　负载的计算２６０ 　　８．３　机电伺服系统方案设计２６２ 　　　８．３．１　初步方案设计２６２ 　　　８．３．２　静态计算２６３ 　　８．４　机电伺服系统参数设计和性能分析２６４ 　　　８．４．１　机电作动器设计２６４ 　　　８．４．２　伺服电动机设计２６６ 　　　８．４．３　伺服控制器与伺服驱动器设计２６７ 　　　８．４．４　伺服动力电源参数设计２６８ 　　　８．４．５　可靠性设计２６８ 　　８．５　机电伺服系统数学建模与仿真２７１ 　　　８．５．１　机电伺服系统数学建模２７１ 　　　８．５．２　机电伺服系统性能仿真２７３ 第９章　航天机电伺服系统多学科联合仿真与设计优化２７５ 　　９．１　航天机电伺服多学科联合仿真需求２７５ 　　　９．１．１　串行设计研发弊端２７５ 　　　９．１．２　“Ｖ”字设计研发优势２７５ 　　　９．１．３　仿真与设计的关系２７５ 　　９．２　航天机电伺服多学科融合建模方法２７７ 　　　９．２．１　产品质量估算２７７ 　　　９．２．２　控制特性建模２７７ 　　　９．２．３　功率特性建模２８０ 　　　９．２．４　融合建模实现２８４ 　　９．３　航天机电伺服系统性能仿真与优化２９２ 　　　９．３．１　机电伺服系统性能数字化试验２９２ 　　　９．３．２　目标函数确认与设计变量筛选２９４ 　　　９．３．３　高维度多目标多约束优化策略２９８ 　　　９．３．４　某机电伺服系统性能优化实例３０５ 第１０章　航天机电伺服技术应用３１２ 　　１０．１　海军领域的应用３１２ 　　　１０．１．１　潜艇３１２ 　　　１０．１．２　鱼雷３１３ 　　　１０．１．３　船舶减摇鳍３１３ 　　　１０．１．４　舰船消振３１３ 　　　１０．１．５　矢量推进水下机器人３１５ 　　１０．２　军事装备领域的应用３１６ 　　　１０．２．１　无人驾驶飞机的应用３１６ 　　　１０．２．２　战斗机副翼３１７ 　　　１０．２．３　飞机水平安定面３１８ 　　　１０．２．４　飞机飞行控制面３１８ 　　　１０．２．５　飞机起落架３１９ 　　　１０．２．６　飞机反推力装置３２０ 　　　１０．２．７　飞机电刹车系统３２１ 　　　１０．２．８　一次性飞行器３２５ 　　１０．３　陆军领域的应用３２６ 　　　１０．３．１　导弹３２６ 　　　１０．３．２　火箭３２６ 　　　１０．３．３　坦克３２７ 　　１０．４　机器人领域的应用３２８ 　　　１０．４．１　工业机器人３２８ 　　　１０．４．２　服务机器人３３０ 　　　１０．４．３　康复机器人３３０ 　　　１０．４．４　外骨骼机器人３３０ 　　１０．５　工业自动化领域的应用３３１ 　　　１０．５．１　六自由度列车驾驶运动平台３３１ 　　　１０．５．２　倾斜列车控制３３２ 　　　１０．５．３　风洞天平校准系统的自动加载装置３３４ 　　　１０．５．４　纺织并条机自调匀整系统控制系统３３５ 　　１０．６　其他领域的应用３３６ 　　　１０．６．１　汽车换挡操控机构综合性能试验系统３３６ 　　　１０．６．２　柴油机螺栓活塞装配３３７ 　　　１０．６．３　车辆主动悬架３３７ 　　　１０．６．４　高层建筑和高耸结构３３９ 参考文献３４１