第1章 绪论
　　机械工程是技术科学领域中*古老的学科之一。机器是人类适应自然、改造自然的工具，是几千年人类文明的产物，制造机器与使用机器的所有活动是机械工程研究的主要范畴。机械工程技术随着人类文明的进步而不断发展，不同时期的机器代表了不同时期的人类文明，从历史的角度看，机械技术(或机器)发展可以粗略地分为三个阶段，即古代机械、近代机械和现代机械。古代机械依靠人力、畜力或自然力来提供动力，内燃机是近代机械的*主要的动力源，而由电动机或电控装置提供动力是现代机械的主要特征。现代机械把机械技术与电气技术、电子技术、控制技术联系在一起，于是便产生了机电控制的概念。
　　机电控制是指机械的动力、机械的运动可以通过电气或电子装置来控制。然而，在现代机械一个世纪的发展历程的初期，这种联系是很有限的，仅仅是对动力的开关控制，或根据机械的要求实现开关式的简单逻辑控制，实现的功能也很简单，基本上没有包含自动控制的概念。
　　社会生产力的发展对机械或机器提出了更高的要求，不仅要求能对机器的开和关进行控制，而且要能对机器的动作特性(如速度、加速度、位置、作用力等)和动作时间进行控制。这仅仅靠机械自身是难于实现的。控制论、信息论以及系统工程这三大理论的提出为现代机械科学的发展提供了理论依据，电子技术的迅速发展促使现代机械技术进入新的发展阶段。把电子技术应用于机械控制，以“控制”为核心，机械与电子紧密结合，机器的各种复杂功能得以实现，如复杂逻辑控制、速度控制、位置控制等。
　　计算机信息技术的发展给现代机电技术的发展注入了新的生命，出现了各种各样能够实现自动控制、信息处理、状态监测、故障诊断和人工智能的机械装备。现代机电技术把机械技术、电气技术、电子技术、自动控制技术、计算机信息技术、传感测试技术、光电技术、管理科学等融合到一起，学科之间相互交叉渗透，形成了新的理论和新的专业方向，如机电系统工程、机电一体化或机械电子学(Mechatronics)，它们代表着机械学科的发展前沿。同时在新的理论和新的技术的支撑下，出现了许多现代机电系统，如现代数控机床、机器人、智能制造系统、现代运载车辆、飞行器、卫星、雷达等。
　　机电控制技术是解决机电系统中控制问题的一门技术，是现代机械工程的专业核心知识之一。只有学习和掌握了机电控制技术，才能全面、系统、有效地从事现代机械工程和机电一体化的技术工作。
　　1.1 机电控制相关理论和技术
　　机电控制技术是在机与电的结合过程中产生的，是解决机电系统中的控制问题的一门技术。然而，随着机电系统复杂程度的增加以及性能要求的提高，机和电的协调、整体优化问题变得越来越突出，于是需要用系统的理论和方法，综合运用机械技术、电子技术、自动控制技术、计算机信息技术、传感测试技术、光电技术、管理科学技术等来解决这些问题，在此基础上逐渐形成了一些新的概念、新的理论、新的技术，这就是机电系统工程。机电控制技术是机电系统工程下面的一门支撑技术，了解机电系统工程的概貌，有助于更好地理解和掌握机电控制技术。
　　1.1.1　机电系统工程的内涵
　　机电系统工程是在电子技术和计算机信息技术迅速发展的前提下，在综合运用各学科技术知识来解决机电系统工程中技术问题的基础上，逐渐形成的一个新的概念、新的理论和新的技术。在此形成过程中出现了一些不同的名词，如机电系统工程、机电一体化或机械电子学等，但其实质内涵是一致的。
　　机电系统工程及其相应的理论和技术的发展具有两个显著的特性：一是系统科学性，即涉及系统理论和系统工程的方法越来越多；二是学科综合性或技术集成性，即机电系统工程绝非单一学科知识所能够支撑的，而是依赖于多门学科知识的有机结合。机电系统工程实质上是从系统的观点出发，应用机械、电子、计算机信息等有关技术，对电子器件和机械装置进行有机的组合与统一，实现机电系统的整体优化。机电系统工程不是机械与电子技术的简单叠加，而是机械系统与电子系统有机结合起来而形成的一种新的高层次的综合系统。
　　近年来，智能制造是全球科技发展*热门的话题之一，智能制造系统是具有代表性的高阶机电系统，其系统科学性和学科综合性更为显著。智能制造系统是用系统工程的理论和方法，把工厂生产的全部活动，包括市场信息、产品开发、生产准备与组织管理、产品制造、装配及检验、产品销售、售后服务等在计算机通信网络和数据库的支撑下集成起来，形成一个有机的整体(系统)。这个系统涉及机械工程、计算机技术、自动化技术、网络通信技术、工业工程、管理工程等多门学科的知识。
　　上述系统的科学性和学科综合性，一方面促进了学术界对机电系统工程的深入研究，另一方面也对企业的工程技术人才结构提出了新的要求。在现代企业中，为了采用先进的技术，开发新产品，提高生产率和产品质量，降低产品成本，企业除了应拥有大量的具有某类学科知识的专门人才外，还应拥有一批掌握系统工程的理论和方法、融会贯通其所涉及的多门学科知识的综合性骨干人才。因此，机电系统工程一出现，立即展示出它的强大生命力，受到工业界的极大重视和欢迎。机电系统工程是在微电子同传统机械工业相互渗透过程中逐渐形成和发展起来的，是机械技术、控制技术、微电子技术和计算机信息技术相互融合的产物。它的产生和发展，给整个国民经济、社会生产生活带来了深刻的变化，促进了工业经济的发展。
　　机电系统工程是综合机、电、磁、光、声、热、液、气等多种学科的先进技术，研究多种学科各自的特征参量，并正确地处理相互间的耦合关系。机电系统产品设计与制造的特点不同于过去的仅仅依靠单一的学科技术设计与制造产品，而是尽可能多地应用各种学科的*新成果，为产品设计和制造服务。如激光技术的发展，使得机电系统产品中又增添了光盘驱动器、条形码读出器、图像传感器、激光印刷机、各种激光加工设备等，这些都是用光学的输出和读入部件替代了电气与机械的部件。
　　随着机电技术的不断发展，机电系统不仅是人肢体的延伸，还是人的感官与头脑的拓展和提升，具有“智能化”的特征是现代机电系统与传统机械电气化的本质差别，机电系统工程技术已从原来以机械为主的领域拓展到更广泛的领域。
　　1.1.2　机电系统工程的基本内容
　　由于机电系统工程主要研究和处理机电系统中的跨学科的综合性技术问题，因此首先需要有机、电类学科的专业基础；另外一些综合性技术问题，不仅涉及多学科，而且涉及较深的专业知识，包括机、电学科本身的专业知识和机电系统所涉及的多学科的专业知识。由机电系统工程的内涵特点可知，机电系统工程学科的基本内容是研究机电系统的有关理论，从整体性、综合性、*优性的角度，来研究机电系统的分析、决策、建模、规划、设计、运行和管理的方法，以取得系统的*佳效益。图1.1概括了机电系统工程的基本内容以及机电系统工程的问题域与具体内容之间的对应关系。
　　图1.1 机电系统工程的基本内容
　　机电系统工程的知识基础由三部分组成：一是“系统”理论和“系统”思想贯穿始终，因此系统科学是机电系统工程的思维基础；二是人们在设计、规划、控制和运筹机电系统时，总是追求总体*优，因而必然要涉及大量的运筹学、控制论和信息论的技术与方法，这些构成了机电系统工程的技术基础；三是机电系统所涉及的工艺、方法、技术、设备等是机电系统工程赖以存在的基石，它们构成了整个机电系统工程的专业基础。于是，机电系统工程的知识基础可用图1.2来描述。
　　机电系统工程的支撑体系比较复杂，需要跨学科交叉融合，机电系统工程的支撑体系应是以机、电学科为基础，以系统工程的理论和方法为指导思想，有机地结合机械技术、控制技术、电子技术、计算机技术、网络通信技术、工业工程、管理工程等多学科知识而形成的一门综合性学科，如图1.3所示。从图中可看出，机电系统工程的特点在于学科交叉性与技术集成性，强调多学科的结合与融合。
　　图1.2 机电系统工程知识基础
　　图1.3 机电系统工程学科支撑体系
　　1.1.3　机电系统工程的发展
　　近年来，机电系统工程的发展突飞猛进。机电系统工程在工业领域中的应用覆盖面越来越宽广，不仅在机械行业，而且在汽车、仪表、钢铁冶金、通信、电站、石油、化工、轨道交通、航空航天等行业普遍应用。
　　随着微电子技术和计算机信息技术的迅速发展，机电系统工程正向更高层次迈进，向更广范围延伸，机电结合程度越来越紧密，技术发展速度越来越快，并具有一些显著的特点。
　　1．智能化
　　对机电系统的高性能要求，特别是适应性要求，使得一些新的机电系统被采用。典型的智能机电系统有机器人、智能型数控设备、无人机、无人驾驶车、智能仪器仪表等。这些新型的机电系统有一个共同的特点，那就是它们都具有一定的人工智能，能够根据环境条件的变化进行分析、推理，并作出合适的响应。智能机器人能通过自身的视觉、听觉或触觉来感知周围环境的状态及其变化，并对此作出相应的反应；无人机能够在一定区域内根据要求自主执行任务；无人驾驶车辆能利用云数据和定位信息，自主规划路线，并根据路况实时调整行驶速度和轨迹；智能仪器仪表能够根据不同的状态或时段进行不同的计量、复杂计算、实时监测和数据传输、语音提示和图像显示、安全保护及报警等。
　　2．集成性
　　集成性就是机电系统工程强调综合运用机电系统所涉及的多学科知识，来研究和处理机电系统的设计、制造、管理、运行、更新、发展等重大问题。而这种集成性变得越来越广泛，许多新的机电系统就其每一部分来说，不是什么新的东西，但把各部分有机地集成在一起，就成了具有新颖特色的整体，形成了一种新型的机电系统。例如，智能制造系统，就其各部分来说，包括控制系统、监测系统、物流系统、CNC机床、加工中心等，就这些单元孤立地来看均是已有的理论和技术，但有机地组合起来，就形成了一种新型的机电系统。
　　为了便于系统集成，机电系统的结构越来越趋向于模块化和开放性。模块化使得许多单一功能或基本功能以子系统的形式产品化，可以缩短系统构成周期，降低系统制造成本；开放性是指在一定标准支持下，系统可以灵活组态，进行任意组合，并可以通过总线进行数据通信与共享。
　　3．微型化
　　一些特殊的应用领域(如航天、军事、医疗、家用器具、娱乐用具等)不仅要求机电系统具有优良的性能，还要求体积尽量小、重量尽可能轻。微电子技术的迅速发展，使得电子元器件的尺寸越来越小，再加上安装工艺的不断改进，如表面安装技术(SMT)，特别是绑定(Banding)技术可以直接把芯片安装在PCB上，一个功能强大的控制装置的体积可以做得非常小。
　　另外，精密微细加工技术发展使得微机电系统(MEMS)取得了突破性的进展，实现了将机构及其驱动、传感监测、控制器以及电源集成在一个很小的晶片上。这是未来机电系统微型化的研究主题。
　　1.2 机电控制技术及其系统
　　机电控制技术是解决机电系统中控制问题的一门技术，是机电系统工程和机电一体化技术下面的一门支撑技术，在机电一体化技术中占有非常重要的地位。机电控制技术的具体体现就是机电控制系统，机电控制系统是机电一体化产品或系统的极其重要的组成部分。
　　1.2.1 机电控制技术的基本内容及其发展
　　机电控制技术的任务就是实施对机电系统的控制。而现代机电系统基本上都是由电动机或电控装置提供动力，电动机和电控装置是现代机电系统*主要的驱动元件或装置。除了*常见的电动机之外，常用的驱动元件或装置还有液压元件、气动元件、电磁铁等。与电动机相比较，对这些元件或装置的控制要相对简单一些，对电动机的控制具有很大的灵活性，当然控制的难易程度也有相当大的差别。正因为如此，对电机的控制是机电控制技术的核心内容。
　　机电控制技术根据不同的控制对象、不同的控制手段或者不同的控制策略，具有不同的内涵。从控制策略上来分，机电控制技术可以分为逻辑控制和运动控制。
　　1．逻辑控制
　　机电控制的起源是简单开关控制，*初是

目录
第1章 绪论 1
1.1 机电控制相关理论和技术 1
1.1.1　机电系统工程的内涵 2
1.1.2　机电系统工程的基本内容 3
1.1.3　机电系统工程的发展 4
1.2 机电控制技术及其系统 5
1.2.1 机电控制技术的基本内容及其发展 5
1.2.2 机电控制系统的基本组成结构与工作原理 7
1.3 典型机电控制系统 8
1.3.1 数控机床控制系统 8
1.3.2 机器人控制系统 9
1.3.3 现代交通运输车辆(工具) 11
1.3.4 自动化制造系统(生产线) 12
1.4 机电控制技术课程的任务和目标 13
第2章 机电系统传动力学 14
2.1 单轴机电传动系统 14
2.1.1 单轴机电传动系统的运动方程式 14
2.1.2 系统的运动状态分析 15
2.1.3 系统运动方向 15
2.2 多轴机电传动系统 16
2.2.1 负载为旋转运动时的等效折算 16
2.2.2 负载为水平直线运动时的等效折算 18
2.2.3 负载为垂直运动时的等效折算 19
2.3 典型负载的机械特性 20
2.3.1 恒转矩型机械特性 21
2.3.2 离心机型机械特性 22
2.3.3 恒功率型机械特性 22
2.4 机电传动系统稳定运行的条件 22
2.5 机电传动系统的过渡过程 23
2.5.1 机电传动系统过渡过程分析 24
2.5.2 改善机电传动系统过渡过程的方法 25
思考题与习题 26
第3章 直流电机 29
3.1 电机中的基本电磁知识 29
3.1.1 电磁基本定律 29
3.1.2 导磁材料及其特性 32
3.2 直流电机的工作原理和基本结构 33
3.2.1 直流电机的工作原理 33
3.2.2 直流电机的基本结构 37
3.2.3 直流电机的励磁方式 39
3.2.4 直流电机的功率与损耗 40
3.3 直流发电机 41
3.3.1 他励直流发电机 41
3.3.2 并励直流发电机 42
3.3.3 复励直流发电机 44
3.4 直流电动机 44
3.4.1 他励和并励直流电动机 44
3.4.2 串励直流电动机 45
3.4.3 复励直流电动机 46
3.5 他励直流电动机的机械特性 46
3.5.1 他励直流电动机的固有机械特性 47
3.5.2 他励直流电动机的人为机械特性 48
3.6 他励直流电动机的启动 49
3.7 他励直流电动机的调速 50
3.7.1 改变电枢回路电阻的调速特性 51
3.7.2 改变电枢回路电压的调速特性 51
3.7.3 改变励磁磁通的调速特性 52
3.8 他励直流电动机的制动 54
3.8.1 能耗制动特性 55
3.8.2 反馈制动特性 56
3.8.3 反接制动特性 57
思考题与习题 60
第4章 交流电机 62
4.1 交流电机的基本工作原理 62
4.1.1 同步电机的基本工作原理 62
4.1.2 旋转磁场的产生 63
4.1.3 旋转磁场的性质 64
4.1.4 异步电动机的基本工作原理 66
4.1.5 异步电动机的转差率 66
4.2 异步电动机的基本结构和参数 67
4.2.1 三相异步电动机的基本结构 67
4.2.2 三相异步电动机的基本参数 68
4.2.3 三相异步电动机定子绕组线端连接方式 69
4.3 三相异步电动机的定、转子电路分析 70
4.3.1 三相异步电动机绕组感应电势及气隙磁势 70
4.3.2 转子绕组开路时的电磁关系 72
4.3.3 转子不转且转子绕组短接时的电磁关系 75
4.3.4 转子旋转时的电磁关系 78
4.4 三相异步电动机的机械特性 82
4.4.1 三相异步电动机的功率 82
4.4.2 三相异步电动机的转矩 83
4.4.3 三相异步电动机的固有机械特性 84
4.4.4 三相异步电动机的人为机械特性 87
4.5 三相异步电动机的启动 88
4.5.1 直接启动(全压启动) 89
4.5.2 定子串电阻或电抗器降压启动 89
4.5.3 星形-三角形降压启动 90
4.5.4 延边三角形降压启动 90
4.5.5 绕线式异步电机转子串入电阻启动 91
4.6 三相异步电动机的制动 91
4.6.1 能耗制动特性 91
4.6.2 反馈制动特性 92
4.6.3 反接制动特性 92
4.7 单相异步电动机 93
4.7.1 单相异步电动机的磁场 94
4.7.2 单相异步电动机的分类 95
4.8 同步电动机 96
4.8.1 同步电动机的结构特点 96
4.8.2 同步电动机的特性 97
4.8.3 同步电动机的启动 98
思考题与习题 99
第5章 控制电机 101
5.1 直流力矩电动机 101
5.1.1 直流力矩电动机基本结构 101
5.1.2 直流力矩电动机的基本特点 101
5.2 微型同步电动机 102
5.2.1 永磁式微型同步电动机 102
5.2.2 反应式微型同步电动机 103
5.2.3 磁滞式微型同步电动机 104
5.3 步进电动机 105
5.3.1 矩角特性及稳定平衡点 106
5.3.2 步进运行状态 107
5.3.3 连续运行状态 109
5.3.4 通电方式及电机转速 110
5.4 无刷直流电机 112
5.4.1 无刷直流电机的结构及原理 112
5.4.2 无刷直流电机的特性和特点 113
5.5 测速发电机 114
思考题与习题 114
第6章 电气控制技术 116
6.1 概述 116
6.1.1 电器的分类 116
6.1.2 低压电器的电磁机构 117
6.1.3 低压电器的执行部件 120
6.2 常用机械式低压电器 122
6.2.1 主令电器 122
6.2.2 接触器 125
6.2.3 保护电器 128
6.2.4 继电器 132
6.3 电子式低压电器和智能电器 135
6.3.1 接近开关 135
6.3.2 光电开关 136
6.3.3 电子时间继电器 137
6.3.4 固态继电器 137
6.3.5 智能电器 139
6.4 电气控制电路设计规范 140
6.4.1 电气工程制图内容 140
6.4.2 电气工程制图图形符号和文字符号 142
6.4.3 电气原理图 145
6.5 基本电气控制电路 148
6.5.1 启、保、停控制 148
6.5.2 正、反向控制 149
6.5.3 点动控制 150
6.5.4 顺序控制 151
6.5.5 自动循环控制 152
6.5.6 鼠笼式异步电机星形-三角形降压启动控制 152
6.5.7 鼠笼式异步电机反接制动控制 153
6.5.8 鼠笼式异步电机能耗制动控制 154
思考题与习题 155
第7章 可编程控制技术 157
7.1 概述 157
7.1.1 可编程控制器的产生 157
7.1.2 可编程控制器(PLC)基本概念 158
7.1.3 可编程控制器的特点和分类 159
7.1.4 可编程控制器的发展 161
7.2 可编程控制器的基本结构和工作原理 163
7.2.1 可编程控制器的基本结构 163
7.2.2 可编程控制器的工作原理 169
7.3 PLC的编程语言 172
7.3.1 梯形图 173
7.3.2 功能块图 174
7.3.3 顺序功能图 174
7.3.4 指令表 175
7.3.5 结构化文本 175
7.4 S7-200系列PLC的硬件系统及编程元件 176
7.4.1 S7-200系列PLC的硬件系统 176
7.4.2 S7-200系列PLC的编程元件 179
7.4.3 S7-200系列PLC的存储器范围及数据存取 182
7.5 S7-200系列PLC的基本指令 186
7.5.1 基本位逻辑指令 186
7.5.2 定时器指令 194
7.5.3 计数器指令 197
7.5.4 程序控制指令 199
7.5.5 PLC基本梯形图程序逻辑 203
7.6 PLC的基本应用 204
7.6.1 PLC应用系统开发设计步骤 204
7.6.2 PLC应用系统设计实例 207
7.7 S7-200系列PLC的顺序控制指令及应用 212
7.7.1 顺序功能图基本概念 212
7.7.2 S7-200系列PLC顺序控制指令 214
7.7.3 顺序功能图的结构类型 216
思考题与习题 217
第8章 直流调速系统 219
8.1 概述 219
8.1.1 直流电机的调速方法 219
8.1.2 直流调速用可控直流电源 220
8.1.3 调速系统性能指标 223
8.2 晶闸管可控直流电源 227
8.2.1 晶闸管 227
8.2.2 单相半波可控整流电路 231
8.2.3 单相桥式全控整流电路 236
8.2.4 单相桥式半控整流电路 242
8.2.5 三相半波可控整流电路 246
8.2.6 三相桥式全控整流电路 254
8.2.7 晶闸管的触发电路 257
8.3 晶闸管-电动机直流调速控制系统 258
8.3.1 开环直流调速系统存在的问题 258
8.3.2 转速负反馈单闭环调速系统的组成及静特性 259
8.3.3 单闭环调速系统的动态分析 264
8.3.4 单闭环无静差直流调速系统 273
8.3.5 单闭环调速系统的限流保护——电流截止负反馈 279
8.3.6 转速、电流双闭环直流调速系统的组成及静特性 282
8.4 脉宽调制(PWM)调速控制系统 289
8.4.1　脉宽调制变换器 289
8.4.2　脉宽调速系统的控制电路 295
8.4.3　脉宽调速系统的特殊问题 297
思考题与习题 298
第9章 交流调速系统 300
9.1 概述 300
9.1.1 变极对数调速 301
9.1.2 变转差率调速 301
9.1.3 变频调速 304
9.2 变频器基本原理 305
9.2.1 变频器的基本结构 305
9.2.2 变频器的输出调制方式 310
9.3 标量控制的变频调速系统 312
9.3.1 电压频率协调控制 312
9.3.2 转差频率控制 314
9.4 矢量控制的变频调速系统 315
9.4.1 矢量控制基本概念 315
9.4.2 坐标变换与矢量变换 317
9.5 直接转矩控制的变频调速系统 319
思考题与习题 320
第10章 位置控制系统 321
10.1 概述 321
10.1.1 位置控制系统的组成及工作原理 3