前言在過去的幾十年里，學術界在機電一體化和控制的基礎教育資料以及實驗訓練方面已經(jīng)取得了顯著的進步。學生可以學習了解數(shù)學控制理論、板級電子器件、接口和微處理器，并輔以教學實驗設備。當新的機械工程和電氣工程的畢業(yè)生成為工程師時，他們所從事的工程項目要求他們必須掌握工業(yè)運動控制技術，因為工業(yè)自動化的設計主要就是設計專門的運動控制硬件和軟件。
本書介紹的是工業(yè)運動控制，它是在工業(yè)領域廣泛應用的技術，也幾乎是所有自動化機械和過程的核心。工業(yè)運動控制應用采用專門的裝備，并且要求設計和集成系統(tǒng)，而控制只是系統(tǒng)的一部分。為了設計這樣的系統(tǒng)，工程師需要熟知工業(yè)運動控制產(chǎn)品；能夠將控制理論、運動學、動力學、電子學、仿真、編程和機械設計融合到一起；運用跨學科的知識處理實際應用問題。這些知識在一般的本科課程中均有涉及，但是在各自學科的場合下，學生則很難把握這些知識的聯(lián)系。
我寫這本書的初衷是將理論、工業(yè)機械設計范例、工業(yè)運動控制產(chǎn)品和實用指南融合在一起。工業(yè)運動控制應用的場景可以跨越邊界將不同的學科主題緊密地聯(lián)系起來。這本書的內(nèi)容來源于本人的本科機電一體化課程和自動化課程的教學經(jīng)驗，以及與運行控制行業(yè)工程師的交流討論。例如，即使有多種類型的電機�…�motor一詞原為電動機，出于工程習慣表述，本書用電機一詞表示電動機。本書中的電機均指電動機�！�—譯者注可供選擇，我也選擇以運動控制行業(yè)中輸入為三相的交流伺服電機和感應電機作為關注點。本書對控制理論、電機設計和電力電子進行闡述，并將理論和實踐平衡地綜合在一起。書中的很多素材來源于廠商的數(shù)據(jù)手冊、用戶指南、產(chǎn)品目錄，各種大學課程、網(wǎng)站、行業(yè)雜志的節(jié)選，以及實踐工程師的經(jīng)驗。本書將這些素材連貫地呈現(xiàn)出來，在提供給學生基本知識的同時以實際應用中已解決的案例作為補充。
第1章介紹典型運動控制系統(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章探討一臺機器的軸移動時運動曲線產(chǎn)生的機理。接著，概述基本運動學，闡述兩種常見的運動曲線，并在最后介紹多軸協(xié)調(diào)的兩種方法。
鑒于各軸和整體機器的機械設計是完成運動目標的重要因素，第3章重點闡述傳動系統(tǒng)設計，介紹慣量折算、轉矩折算和慣量比的概念，深入研究五種類型的傳動裝置，給出這些裝置中電機的轉矩速度曲線（機械特性曲線）、齒輪箱、不同類型電機和傳動機構軸的選擇過程。
電機是目前工業(yè)運動控制中最常用的執(zhí)行器。第4章以電氣周期、機械周期、極對數(shù)以及三相繞組這些基礎概念開始，介紹交流伺服電機和感應電機的結構和操作細節(jié)，比較了正弦換相法和六步換相法的交流伺服電機轉矩性能。該章最后闡述這兩種類型電機的數(shù)學模型和仿真模型。
運動控制系統(tǒng)中除了運動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量的光學編碼器、限位開關、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計，展示了包括按鈕、選擇開關和指示燈等控制器件。該章的最后概括了電機啟動器、接觸器、過載繼電器、軟起動器和一種三線電機控制電路。
驅動器是電機和控制器之間的連接紐帶。它將控制器產(chǎn)生的小信號放大到足以驅動電機工作的高功率的電壓等級和電流等級。第6章首先介紹驅動器電子器件模塊，介紹常用的脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制技術，然后介紹應用于驅動器中基礎的閉環(huán)控制結構，并深入研究單環(huán)PID位置控制和帶前饋的級聯(lián)的速度環(huán)與位置環(huán)，給出了控制器的數(shù)學模型和仿真模型。實現(xiàn)控制算法時需要調(diào)整增益，使得伺服系統(tǒng)每個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)整過程，包括一些積分器限幅的使用方法。
本書以第7章結尾，主要內(nèi)容是編程和運動控制應用，研究運動控制器的直線運動模式、圓弧運動模式和輪廓移動模式。接著，介紹通用運動控制器項目中基礎的可編程邏輯控制器（PLC）算法。該章結尾回顧了運動控制器通過實時計算機器的正向和逆向運動來控制一臺非直角坐標的機器，比如控制一臺機器人。
寫這本書的挑戰(zhàn)之一在于，市場中運動控制器硬件和軟件種類繁多而且具有專用性。每一個控制器制造商在其產(chǎn)品中都有自己的編程語言和編程環(huán)境。因為每一款硬件都有特定的編程細節(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言或結構編寫的完整程序。將這些算法運用到每款具體的運動控制器中需要仔細參考用戶手冊和制造商建議。寫這本書的另一個挑戰(zhàn)則是數(shù)字控制系統(tǒng)在控制器中的實現(xiàn)。這些采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)建立在Z變換（z域）的基礎上，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很好的近似，因為當前的控制器采樣頻率很高，而它們控制的機械系統(tǒng)具有相對較緩慢的動力特性。
在陳述概念的同時，尤其是面對已解決的傳動系統(tǒng)案例時，援引了工業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊和表格中的數(shù)據(jù)。現(xiàn)在，每一章中的數(shù)據(jù)資料通過章尾的參考文獻在網(wǎng)絡上可以找到。隨著時間的推移，制造商會更新它們的產(chǎn)品并且這些目錄將不再適用。然而，相應的理論和實際的選擇過程同樣適用于類似的新產(chǎn)品。
本書的目的是向機械工程和電氣工程的大學生介紹工業(yè)運動控制。因為許多工程師從事于運動控制系統(tǒng)行業(yè)，所以本書對于該行業(yè)的系統(tǒng)設計工程師、項目經(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)整過程利用數(shù)學仿真來展示。不過如果有一個帶有運動控制器的實際系統(tǒng)，這些步驟可以直接用于調(diào)整實際系統(tǒng)的參數(shù)而不需要任何仿真。同樣地，第7章給出了運動控制應用常用類型（如卷繞）的算法。這些算法可以作為實際系統(tǒng)編程語言的起點去繼續(xù)完成整個控制項目。前面已經(jīng)提到，將這些算法運用到某種實際的運動控制系統(tǒng)硬件時，需要仔細參考產(chǎn)品手冊和制造商的建議。
在撰寫這本書的過程中，衷心感謝那些幫助過我的人。感謝Applied Motion Systems公司總裁Ken Brown先生、Concept Systems公司總裁Ed Diehl先生，許多想法來自于同他們的討論。特別感謝Delta Tau Data Systems公司總裁Dimitri先生、負責工程研究的副總裁Curtis Wilson先生，感謝他們?yōu)閷嶒炇液捅緯�的撰寫提供深入的技術指導。感謝機械工程師Dean Ehnes先生、電氣工程師John Tollefson先生、Columbia/Okura的有限責任公司總經(jīng)理Brian Hutton先生，感謝他們對材料處理系統(tǒng)、電機和實例問題提出了有見解的觀點。非常感謝我的同事——從事電氣工程的梁曉東博士，感謝他提供了電機和電機驅動器章節(jié)的詳細綜述。感謝我以前的學生Ben Spence先生，他目前在Applied Motion Systems公司擔任系統(tǒng)工程師，我們長期在實驗室一起工作，一起討論許多關于運動控制的技術問題，使我受益匪淺。感謝Applied Motion Systems公司機械工程師Matthew Bailie先生，感謝他對電機尺寸工序給予的指導以及提供的對于實例問題的想法。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，感謝他們對整本書的指導。在過去的幾年教學生涯里，我很榮幸與許多優(yōu)秀的學生一起來學習這些材料，真的很感謝他們有價值的反饋和建議，以及他們的熱情和耐心。
在這個過程中，我發(fā)現(xiàn)寫一本教科書是一項艱巨的工作。衷心感謝我的妻子，在過去的3年里，感謝她不斷地鼓勵我、支持我，使得我順利地完成了這本書的撰寫。
Hakan GiirocakVancouver,Washington, USA