交流伺服运动控制系统（第2版）

在该书修订和编写过程中，力求把科学性与实用性、易读性结合起来，使该书具有由浅入深，循序渐进，概念清晰，通俗易懂，案例丰富等特点。

 

在机电一体化技术迅速发展的同时，高级伺服运动控制技术作为其关键组成部分，也得到前所未有的大发展，国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。本书主要研究全闭环交流伺服（Full Closed AC Servo）驱动技术、DSP交流伺服系统（DSP AC Servo System）技术、PLC交流伺服系统（PLC AC Servo System）技术、基于现场总线的运动控制（CANbusbased Motion Controller）技术、机器人技术和运动控制卡（Motion Controlling Board）等几项具有代表性的新技术，重点分析现代交流伺服运动控制系统的检测技术及检测元件、系统数学模型分析及仿真、专用数控系统，同时给出大量生产实践中交流伺服运动控制系统的应用实例。 本书涉及伺服系统、运动控制、机器人及现场总线等内容，是高等院校机械设计制造及自动化、电气自动化及自动化专业的专业基础课教材。在本书的修订过程中，注重精炼、概括原设置过窄的专业课，将原来数门课程教材的主要内容与基本概念、基本理论和基本方法重新组编，既对以往的教材有一定的继承，又体现先进制造技术及运动控制技术的发展和专业培养的要求。

第1章高级运动控制系统概论

1.1引言

1.2全数字高精智能型伺服系统驱动技术发展方向

1.3运动控制系统的发展历程

习题

第2章伺服运动控制系统检测技术及元件

2.1检测系统

2.2传感器技术

2.2.1传感器分类

2.2.2基础效应

2.2.3新型敏感材料

2.2.4新加工工艺

2.2.5新型传感器件

2.3现代检测技术

2.3.1软测量技术

2.3.2图像检测系统

2.3.3智能检测

2.3.4虚拟仪器检测技术

2.4检测元件

2.4.1旋转变压器

2.4.2感应同步器

2.4.3脉冲编码器

2.4.4光栅

2.4.5磁尺

习题

第3章交流伺服运动控制系统模型及仿真分析

3.1永磁同步电动机交流伺服运动控制系统

3.1.1永磁同步电动机交流伺服运动控制系统简介

3.1.2永磁同步电动机交流伺服运动控制系统的组成

3.2PMSM伺服系统的数学模型

3.2.1PMSM的基本结构及种类

3.2.2PMSM的数学模型

3.2.3PMSM等效电路

3.2.4PMSM的矢量控制原理

3.2.5PMSM的id＝0矢量控制方式

3.2.6PMSM解耦状态方程

3.3PMSM伺服运动控制系统电流环设计

3.3.1影响电流环性能的主要因素分析

3.3.2电流环PI综合设计

3.4PMSM伺服运动控制系统速度环设计

3.4.1速度环PI综合设计

3.4.2滑模变结构基本原理

3.4.3PMSM伺服运动控制系统速度环的变结构设计

3.5PMSM伺服运动控制系统位置环设计

3.5.1变结构控制在伺服运动控制系统中的应用剖析

3.5.2PMSM伺服运动控制系统位置环的变结构设计

3.6PMSM伺服运动控制系统仿真分析

3.6.1基于矢量控制的电流滞环仿真分析

3.6.2伺服运动控制系统变结构仿真

习题

第4章基于DSP、FPGA和ARM的运动控制系统

4.1嵌入式运动控制系统的发展现状及发展方向

4.1.1何谓嵌入式系统

4.1.2嵌入式运动控制系统简介

4.1.3嵌入式系统的优势

4.1.4嵌入式系统的发展现状及趋势

4.2基于DSP的交流伺服系统的设计

4.2.1DSP技术的简介与发展概况

4.2.2基于DSP控制系统的总体结构

4.2.3基于DSP控制系统的硬件设计

4.2.4基于DSP控制系统的软件设计

4.2.5基于DSP控制系统的测试

4.3基于FPGA的PMSM控制系统设计

4.3.1FPGA技术的简介与发展概况

4.3.2基于FPGA控制系统的硬件设计

4.3.3PMSM的智能PID控制器的FPGA实现

4.3.4基于FPGA控制系统的测试

4.4基于ARM的运动控制系统设计与分析

4.4.1ARM技术的简介与发展概况

4.4.2基于ARM的运动控制系统总体设计

4.4.3基于ARM的运动控制系统硬件设计

4.4.4基于ARM的运动控制系统软件设计

4.4.5基于ARM的运动控制系统的性能测试与结果分析

习题

第5章基于PC运动控制板卡的交流伺服运动控制系统

5.1预备知识

5.1.1伺服运动控制系统的组成

5.1.2操作系统

5.1.3实时多任务操作系统(iRMX)

5.1.4操作系统对运动控制器的影响

5.1.5伺服运动控制对控制系统的要求

5.2PC与伺服运动控制器的信息交换

5.2.1ISA总线与PCI总线

5.2.2双口RAM

5.2.3IDT71321应用举例

5.2.4基于PC ISA的运动控制板卡

5.2.5基于PC PCI的运动控制卡

5.3伺服运动控制系统的采样周期

5.3.1信息变换原理

5.3.2采样过程及采样函数的数学表示

5.3.3采样函数的频谱分析及采样定理

5.3.4采样周期T对运动控制器的影响

5.4基于PC与基于PLC运动控制器的比较

5.5基于PC的伺服运动控制系统设计分析

5.5.1上位计算机的选择

5.5.2运动控制器板卡的设计分析

5.5.3驱动器、反馈元件的设计分析

5.5.4伺服电机的设计分析

5.6基于PC的伺服运动控制系统举例

5.6.1PMAC开放式运动控制卡在数控系统中的应用

5.6.2Trio运动控制卡

5.6.3PCIMC3A及PCIMC3B控制卡

习题

第6章基于EtherCAT网络的交流伺服运动控制系统

6.1工业以太网概述及EtherCAT通信协议

6.1.1工业以太网概述

6.1.2EtherCAT协议概述

6.1.3EtherCAT系统组成

6.1.4EtherCAT数据帧结构

6.1.5EtherCAT寻址方式和通信服务

6.1.6分布时钟和时钟同步

6.1.7通信模式

6.1.8状态机和通信初始化

6.2EtherCAT网络交流伺服系统的硬件设计

6.2.1系统硬件总体设计方案

6.2.2EtherCAT主站硬件设计

6.2.3EtherCAT从站硬件设计

6.2.4EtherCAT从站控制功能板设计

6.2.5DSP模块设计

6.3EtherCAT网络交流伺服系统的软件设计

6.3.1系统软件开发方案

6.3.2EtherCAT主站实现

6.3.3从站网络接口程序设计

6.4EtherCAT网络交流伺服系统的控制算法设计

6.4.1EtherCAT伺服产品的特点

6.4.2抗干扰控制算法

6.4.3自抗扰速度环参数整定的方法

6.4.4电流环参数整定方法

第7章工业机器人运动控制系统

7.1工业机器人概述

7.1.1工业机器人的定义与发展状况

7.1.2工业机器人的基本组成

7.1.3工业机器人的应用与技术要求

7.1.4工业机器人轨迹规划及其研究现状

7.2机器人的运动学和动力学模型

7.2.1机器人的运动学模型

7.2.2机器人的动力学模型

7.3机器人运动轨迹规划

7.3.1机器人轨迹规划的一般形式与常用方法

7.3.2基于自适应神经模糊推理系统的机器人轨迹规划

7.3.3基于势场法的机器人避障运动轨迹规划研究

7.4工业机器人的典型案例分析

7.4.1KUKA机器人在汽车焊接中的应用

7.4.2ABB机器人激光切割系统应用

7.4.3FANUC焊接机器人控制系统应用分析

7.4.4安川MotomanHP20D机器人在施釉系统中的应用

7.4.5SICK机器人视觉引导系统原理及应用

7.5服务机器人运动控制系统

7.5.1服务机器人的定义及发展状况

7.5.2服务机器人的基本组成

7.5.3服务机器人关节驱动与控制

7.6服务机器人的典型案例

7.6.1优必选双足机器人运动控制系统分析

7.6.2优必选轮式移动机器人运动控制系统分析

参考文献

 

本书是根据第8届和第9届中国人工智能学会智能检测与运动控制技术研讨会的内容及教学改革的要求，听取了全国多所高校从事运动控制的专家的建议并兼顾了国内外一流运动控制企业对人才、技术和市场的需求，按照机械设计制造及自动化、电气工程自动化及自动化专业学生的培养目标和要求而编写的，可作为高等工科院校的专业教材。应广大读者要求，作者对2006年3月由清华大学出版社首次出版的
普通高等学校“十一五”国家级规划教材《交流伺服运动控制系统》完善内容，并听取各方意见，加以重新修订出版。

本书涉及伺服系统、运动控制、数控加工及现场总线等内容，是高等院校机械设计制造及自动化、电气自动化及自动化专业的专业基础课。在本书的修订过程中，注重精炼、概括原设置过窄的专业课，将原来数门课程教材的主要内容与基本概念、基本理论和基本方法重新组编，既对以往的教材有一定的继承性，又体现了先进制造技术和运动控制技术的发展和专业培养的要求。

本书主要研究现代交流伺服运动控制系统的检测技术及元件、系统数学模型分析及仿真、基于PC运动控制板卡和FPGA/DSP技术的伺服运动控制系统以及基于EtherCAT网络的交流伺服运动控制系统，同时给出了大量生产实践中交流伺服运动控制系统的应用实例。

本书对相关内容进行了必要的整合和梳理，尽量避免讲授内容的重复，考虑学生后续选学模块不同，对涉及专业模块的基本知识
也作了简单的介绍，对于培养学生动手能力和工程技术人员的培训也具有特别重要的意义。

与本书配套的实验装置是南京工业大学运动控制研究所研制的NUT型交流伺服运动控制系统。该系统对基于PC运动控制板卡、基于CANbus现场总线、基于DSP技术的交流伺服运动控制系统的结构、参数调整、软硬件设计，运动控制系统专用语言及C语言编程，MATLAB/Simulink仿真进行了研究，同时还就交流伺服系统的动态特性、稳态特性及I/O口检测等功能进行了详细地设计分析，并配备了具体实验。

本书由中国人工智能学会智能检测与运动控制技术专业委员会秘书长、南京工业大学运动控制研究所舒志兵所长主编，南京工业大学孙振兴副教授、李果副教授及艾派科技有限公司陈赣东任副主编。国内外运动控制知名品牌企业如Rockwell、B&R、KEBA、Trio、LPK、 Contec、HIWIN、Lenze、AMK、Rexroth、KEB、CT、ABB、Danaher、Baldor 、FANUC、SIEMENS、施迈茨、艾默生、SICK、UR、CT、艾派科技有限公司、广州数控、华兴数控、和利时、埃斯顿、研华、丹佛斯、欧姆龙、三菱、安川、松下、富士、山洋、日立、日机、多摩川、 中达电通、北京集科、慧摩森、众为兴、上海维宏、台达、隆创日盛、德国3s软件公司、研祥集团、美国国家仪器、PCM集团等提供了应用技术与支持，由南京工业大学运动控制研究所负责统稿，它们为此书的出版付出了辛勤的劳动，在此表示衷心的感谢。

由于编者水平有限，经验不足，对教材内容的取舍把握可能不够准确，书中缺点和不足在所难免，恳请师生、读者批评指正，以求改进。

编者2023年6