前言在過(guò)去的幾十年里，學(xué)術(shù)界在機(jī)電一體化和控制的基礎(chǔ)教育資料以及實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練方面已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步。學(xué)生可以學(xué)習(xí)了解數(shù)學(xué)控制理論、板級(jí)電子器件、接口和微處理器，并輔以教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。當(dāng)新的機(jī)械工程和電氣工程的畢業(yè)生成為工程師時(shí)，他們所從事的工程項(xiàng)目要求他們必須掌握工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，因?yàn)楣�業(yè)自動(dòng)化的設(shè)計(jì)主要就是設(shè)計(jì)專門的運(yùn)動(dòng)控制硬件和軟件。
本書介紹的是工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制，它是在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的技術(shù)，也幾乎是所有自動(dòng)化機(jī)械和過(guò)程的核心。工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用采用專門的裝備，并且要求設(shè)計(jì)和集成系統(tǒng)，而控制只是系統(tǒng)的一部分。為了設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)，工程師需要熟知工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品；能夠?qū)⒖刂评碚摗⑦\(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、電子學(xué)、仿真、編程和機(jī)械設(shè)計(jì)融合到一起；運(yùn)用跨學(xué)科的知識(shí)處理實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。這些知識(shí)在一般的本科課程中均有涉及，但是在各自學(xué)科的場(chǎng)合下，學(xué)生則很難把握這些知識(shí)的聯(lián)系。
我寫這本書的初衷是將理論、工業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)范例、工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品和實(shí)用指南融合在一起。工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的場(chǎng)景可以跨越邊界將不同的學(xué)科主題緊密地聯(lián)系起來(lái)。這本書的內(nèi)容來(lái)源于本人的本科機(jī)電一體化課程和自動(dòng)化課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以及與運(yùn)行控制行業(yè)工程師的交流討論。例如，即使有多種類型的電機(jī)�…�motor一詞原為電動(dòng)機(jī)，出于工程習(xí)慣表述，本書用電機(jī)一詞表示電動(dòng)機(jī)。本書中的電機(jī)均指電動(dòng)機(jī)�！�—譯者注可供選擇，我也選擇以運(yùn)動(dòng)控制行業(yè)中輸入為三相的交流伺服電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)作為關(guān)注點(diǎn)。本書對(duì)控制理論、電機(jī)設(shè)計(jì)和電力電子進(jìn)行闡述，并將理論和實(shí)踐平衡地綜合在一起。書中的很多素材來(lái)源于廠商的數(shù)據(jù)手冊(cè)、用戶指南、產(chǎn)品目錄，各種大學(xué)課程、網(wǎng)站、行業(yè)雜志的節(jié)選，以及實(shí)踐工程師的經(jīng)驗(yàn)。本書將這些素材連貫地呈現(xiàn)出來(lái)，在提供給學(xué)生基本知識(shí)的同時(shí)以實(shí)際應(yīng)用中已解決的案例作為補(bǔ)充。
第1章介紹典型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成部分，主要內(nèi)容是系統(tǒng)框圖和各組成部分基本功能的介紹。
第2章探討一臺(tái)機(jī)器的軸移動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)曲線產(chǎn)生的機(jī)理。接著，概述基本運(yùn)動(dòng)學(xué)，闡述兩種常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)曲線，并在最后介紹多軸協(xié)調(diào)的兩種方法。
鑒于各軸和整體機(jī)器的機(jī)械設(shè)計(jì)是完成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的重要因素，第3章重點(diǎn)闡述傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，介紹慣量折算、轉(zhuǎn)矩折算和慣量比的概念，深入研究五種類型的傳動(dòng)裝置，給出這些裝置中電機(jī)的轉(zhuǎn)矩速度曲線（機(jī)械特性曲線）、齒輪箱、不同類型電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)軸的選擇過(guò)程。
電機(jī)是目前工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制中最常用的執(zhí)行器。第4章以電氣周期、機(jī)械周期、極對(duì)數(shù)以及三相繞組這些基礎(chǔ)概念開始，介紹交流伺服電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和操作細(xì)節(jié)，比較了正弦換相法和六步換相法的交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能。該章最后闡述這兩種類型電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型。
運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中除了運(yùn)動(dòng)控制器以外還使用了各式各樣的傳感器和控制元件。第5章介紹各種用于位置測(cè)量的光學(xué)編碼器、限位開關(guān)、接近傳感器、光電傳感器和超聲波傳感器，解釋了傳感器到I/O卡兼容性的扇入和扇出設(shè)計(jì)，展示了包括按鈕、選擇開關(guān)和指示燈等控制器件。該章的最后概括了電機(jī)啟動(dòng)器、接觸器、過(guò)載繼電器、軟起動(dòng)器和一種三線電機(jī)控制電路。
驅(qū)動(dòng)器是電機(jī)和控制器之間的連接紐帶。它將控制器產(chǎn)生的小信號(hào)放大到足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作的高功率的電壓等級(jí)和電流等級(jí)。第6章首先介紹驅(qū)動(dòng)器電子器件模塊，介紹常用的脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制技術(shù)，然后介紹應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)器中基礎(chǔ)的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，并深入研究單環(huán)PID位置控制和帶前饋的級(jí)聯(lián)的速度環(huán)與位置環(huán)，給出了控制器的數(shù)學(xué)模型和仿真模型。實(shí)現(xiàn)控制算法時(shí)需要調(diào)整增益，使得伺服系統(tǒng)每個(gè)軸盡量跟隨指令軌跡。該章最后描述了前述控制算法的增益調(diào)整過(guò)程，包括一些積分器限幅的使用方法。
本書以第7章結(jié)尾，主要內(nèi)容是編程和運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用，研究運(yùn)動(dòng)控制器的直線運(yùn)動(dòng)模式、圓弧運(yùn)動(dòng)模式和輪廓移動(dòng)模式。接著，介紹通用運(yùn)動(dòng)控制器項(xiàng)目中基礎(chǔ)的可編程邏輯控制器（PLC）算法。該章結(jié)尾回顧了運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器的正向和逆向運(yùn)動(dòng)來(lái)控制一臺(tái)非直角坐標(biāo)的機(jī)器，比如控制一臺(tái)機(jī)器人。
寫這本書的挑戰(zhàn)之一在于，市場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)控制器硬件和軟件種類繁多而且具有專用性。每一個(gè)控制器制造商在其產(chǎn)品中都有自己的編程語(yǔ)言和編程環(huán)境。因?yàn)槊恳豢钣布�都有特定的編程�?xì)節(jié)，所以我試圖給出算法的大綱，而不是提供由一種特定編程語(yǔ)言或結(jié)構(gòu)編寫的完整程序。將這些算法運(yùn)用到每款具體的運(yùn)動(dòng)控制器中需要仔細(xì)參考用戶手冊(cè)和制造商建議。寫這本書的另一個(gè)挑戰(zhàn)則是數(shù)字控制系統(tǒng)在控制器中的實(shí)現(xiàn)。這些采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)建立在Z變換（z域）的基礎(chǔ)上，然而幾乎所有的本科生工科類課程只包含利用拉普拉斯變換（s域）建立的連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)。因此，我選擇在s域中建立系統(tǒng)控制模型。這種方法提供了一個(gè)很好的近似，因?yàn)楫?dāng)前的控制器采樣頻率很高，而它們控制的機(jī)械系統(tǒng)具有相對(duì)較緩慢的動(dòng)力特性。
在陳述概念的同時(shí)，尤其是面對(duì)已解決的傳動(dòng)系統(tǒng)案例時(shí)，援引了工業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)和表格中的數(shù)據(jù)�，F(xiàn)在，每一章中的數(shù)據(jù)資料通過(guò)章尾的參考文獻(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上可以找到。隨著時(shí)間的推移，制造商會(huì)更新它們的產(chǎn)品并且這些目錄將不再適用。然而，相應(yīng)的理論和實(shí)際的選擇過(guò)程同樣適用于類似的新產(chǎn)品。
本書的目的是向機(jī)械工程和電氣工程的大學(xué)生介紹工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制。因?yàn)樵S多工程師從事于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)行業(yè)，所以本書對(duì)于該行業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師、項(xiàng)目經(jīng)理、工業(yè)工程師、制造工程師、產(chǎn)品經(jīng)理、安裝工程師、機(jī)械工程師、電氣工程師以及程序員是一本重要的參考書。例如，第4章中的增益調(diào)整過(guò)程利用數(shù)學(xué)仿真來(lái)展示。不過(guò)如果有一個(gè)帶有運(yùn)動(dòng)控制器的實(shí)際系統(tǒng)，這些步驟可以直接用于調(diào)整實(shí)際系統(tǒng)的參數(shù)而不需要任何仿真。同樣地，第7章給出了運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用常用類型（如卷繞）的算法。這些算法可以作為實(shí)際系統(tǒng)編程語(yǔ)言的起點(diǎn)去繼續(xù)完成整個(gè)控制項(xiàng)目。前面已經(jīng)提到，將這些算法運(yùn)用到某種實(shí)際的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件時(shí)，需要仔細(xì)參考產(chǎn)品手冊(cè)和制造商的建議。
在撰寫這本書的過(guò)程中，衷心感謝那些幫助過(guò)我的人。感謝Applied Motion Systems公司總裁Ken Brown先生、Concept Systems公司總裁Ed Diehl先生，許多想法來(lái)自于同他們的討論。特別感謝Delta Tau Data Systems公司總裁Dimitri先生、負(fù)責(zé)工程研究的副總裁Curtis Wilson先生，感謝他們?yōu)閷?shí)驗(yàn)室和本書的撰寫提供深入的技術(shù)指導(dǎo)。感謝機(jī)械工程師Dean Ehnes先生、電氣工程師John Tollefson先生、Columbia/Okura的有限責(zé)任公司總經(jīng)理Brian Hutton先生，感謝他們對(duì)材料處理系統(tǒng)、電機(jī)和實(shí)例問(wèn)題提出了有見(jiàn)解的觀點(diǎn)。非常感謝我的同事——從事電氣工程的梁曉東博士，感謝他提供了電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器章節(jié)的詳細(xì)綜述。感謝我以前的學(xué)生Ben Spence先生，他目前在Applied Motion Systems公司擔(dān)任系統(tǒng)工程師，我們長(zhǎng)期在實(shí)驗(yàn)室一起工作，一起討論許多關(guān)于運(yùn)動(dòng)控制的技術(shù)問(wèn)題，使我受益匪淺。感謝Applied Motion Systems公司機(jī)械工程師Matthew Bailie先生，感謝他對(duì)電機(jī)尺寸工序給予的指導(dǎo)以及提供的對(duì)于實(shí)例問(wèn)題的想法。非常感謝為這本書提供產(chǎn)品圖片的各家公司。感謝John Wiley & Sons出版社的資深編輯Paul Petralia先生和Wiley的Sadra Grayson、Cliv Lawson和Siva Raman Krishnamoorty，感謝他們對(duì)整本書的指導(dǎo)。在過(guò)去的幾年教學(xué)生涯里，我很榮幸與許多優(yōu)秀的學(xué)生一起來(lái)學(xué)習(xí)這些材料，真的很感謝他們有價(jià)值的反饋和建議，以及他們的熱情和耐心。
在這個(gè)過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)寫一本教科書是一項(xiàng)艱巨的工作。衷心感謝我的妻子，在過(guò)去的3年里，感謝她不斷地鼓勵(lì)我、支持我，使得我順利地完成了這本書的撰寫。
Hakan GiirocakVancouver,Washington, USA