绪论
　　0.1 控制元件的作用和分类
　　自动控制是现代工程中非常重要的技术。从机械位移、转速的控制到工业过程中温度、压力、流量、物位的控制，从现代飞机的航向控制到太空飞船和卫星的姿态控制，从电动假肢的控制到机器人的控制，自动控制技术的应用无处不在。而所有这些形形色色的控制系统，又都是由一些具有典型功能的元件和电子线路组成的，本书将介绍自动控制系统中这些常用的元件及线路。
　　我们以图0-1所示导弹发射架控制系统示意方框图为例，说明控制系统的组成。该系统的控制对象是导弹发射架，被控制的量是导弹发射架的转角位置，参考输入信号是电压信号，它代表导弹发射架应当转动的角位移，即期望位置。精密电位器的转轴和发射架的轴相连接，它的输出电压代表发射架的实际位置，这个电压反馈到输入端，又称为反馈信号。反馈信号和参考输入信号一起加到放大器的输入端。如果发射架的实际位置和期望位置不一致，参考输入信号和反馈信号之间就有一个差值，这个差值反映了实际位置偏离期望位置的程度，称为偏差信号。放大器将偏差信号放大，放大后的信号仍不足以拖动电动机转动，所以又经过功率放大器放大。功放输出的电压加到直流电动机的电枢绕组上，使电机转动，带动寻弹发射架转动，转动方向要使偏差电压减小到零。当导弹发射架转动到期望位置时，偏差信号为零，电机电枢绕组两端电压也变为零，电机停止转动并使发射架保持在期望位置。当参考输入信号改变时，发射架将随着信号转动。整个系统是角位移跟踪系统，又称为伺服系统。为了提高系统的跟踪性能，实际系统中还要加入串联补偿装置和反馈补偿装置。
　　控制系统中的控制元件虽然是各种各样的，但根据它们在控制系统中的功能和作用可以分为以下四大类：
　　1)执行元件。其功能是驱动控制对象，控制或改变被控量（输出量）。
　　2)测量元件。其功能是将被测量检测出来并转换成另一种容易处理和使用的量（如电压）。测量元件一般称为传感器，在过程控制中又称为变送器。
　　3)放大元件。其功能是将微弱信号放大。放大元件又可分为前置放大元件和功率放大元件。功率放大元件的输出信号具有较大的功率，可以直接驱动执行元件。
　　4)补偿元件（校正元件）。为了确保系统稳定并使系统达到规定的精度等性能指标，控制系统的设计者往往还要在系统中增加一些元件，这些元件称为补偿元件。补偿元件的作用是改善系统的性能，使系统能正常可靠地工作并达到规定的性能指标。
　　在图0-1的系统中，执行元件是直流电动机，测量元件是精密电位器，前置放大元件是放大器，功率放大元件是直流功率放大器，补偿元件在图中没有画出。
　　如果用方框表示系统中各元件的功能，用框图外边的箭头代表元件的输入和输出信号，可以得到如图0-2所示的典型控制系统的功能框图。
　　0.2 本书的主要内容
　　本书介绍控制系统中常见的执行元件、测量元件、功率放大元件及有关线路。有的元件，如测速发电机，既可用作测量元件，也可用作反馈补偿元件。大部分串联补偿装置及一些反馈补偿装置是由电子线路组成，或是由计算机实现的，本书不做介绍。
　　为了满足自动控制系统（主要是机械伺服系统）对控制元件的要求，在普通电机的基础上产生和发展了被称为控制电机的装置，它们在控制系统中用作执行无件和测量元件。用作执行元件的控制电机包括各种直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机、力矩电动机和小功率同步电动机等。用作测量元件的控制电机包括旋转变压器、感应同步器、交流和直流测速发电机等。控制电机是主要的控制元件，也是本书的主要内容。
　　对于执行元件将详细讨论各种电动机和液压元件。测量元件除了控制电机以外，还包括编码器、阻容感传感器、热电式传感器。功率放大元件包括线性功率放大器、脉冲宽度调制型放大器和晶闸管变流器。最后介绍航天器中的姿态传感器、微传感器与微执行器等特种元件和新型元件。
　　0.3 电磁学的基本概念与定律
　　控制电机是本书的主要内容，而各类电机的工作原理都是以电磁学基本定律为基础。这里介绍电磁学的基本概念和定律。书中所给出的各公式除特殊说明外，各物理量的单位均为国际单位制。
　　0.3.1 磁场
　　表示磁场强弱的物理量是磁通密度（简称磁密，或称磁感应强度），一般记为B。它是一个矢量，在真空中符合叠加原理。电流元Id在P点产生的磁密dB的大小为式中，r是电流元所在点到P点的距离，d为Id与r之间小于180的夹角，是真空磁导率，是相对磁导率。
　　磁场中各点的磁密可以用磁力线的疏密来表示。磁力线是闭合的，围绕着产生它的电流，方向与电流方向之间满足右手螺旋关系。式中，为dS的法线方向与该点处的磁密向量之间的夹角对于磁场中面积为定值的任一平面，有由于磁力线是闭合的，所以通过任一闭合面的磁通一定等于零，称为磁通连续性原理。磁场强度向量H与B的关系是式中。称为磁场中物质的磁导率。在工程中，除了铁磁物质外，其余物质的磁导率均认为等于真空中的磁导率。铁磁物质的磁导率弘不仅比tlo大得多，而且与磁场强度和磁状态的历史有关，它不是一个常数。
　　安培环路定律（全电流定律）的内容是：在磁场中，沿任一闭合路径Z磁场强度向量H的线积分，等于该闭合回路所包围的各电流的代数和，即当电流的参考方向与闭合圆路的方向符合右手螺旋关系时，电流为正，反之为负。
　　磁通所通过的区域称为磁路。在实际的电机磁路中，常将磁路分成若干段，每一段磁路的磁场强度H是常数，于是式(0 5)变成式中为第i段磁路的磁场强度，为第段磁路的平均长度为第i段磁路的磁压降或磁势；N为磁通回路所包围的导体总数，即线圈的匝数；I为每一导体中的电流。
　　0.3.2 磁路定律
　　在电工技术中，为了获得强磁场，常常用铁磁材料做成各种形状的铁心。由于铁磁物质的磁导率比其他物质的磁导率大得多，所以在相同磁场强度H时铁磁物质组成的磁路内的磁密B要比其他磁路的磁密大得多，因此在有铁心的磁场中，大部分磁通在铁心内通过，形成明显的闭合磁回路。图0-3表示几种典型的电工设备中的铁心磁路系统，图中虚线为磁路其中图0-3(a)、(c)所示的磁路可看成是铁心和空气的串联组合，图(b)和图(d)中的磁路是并联组合。工程上把这种主要由铁磁物质所组成的、能使磁通集中通过的指定磁路称为主磁路，常简称为磁路。
　　与电路相比，漏磁现象远比漏电现象严重。全部在主磁路中闭合的磁通称为主磁通；部分经过主磁路、部分经过主磁路周围的物质而闭合的磁通以及全部不在主磁路中闭合的磁通都称为漏磁通。
　　磁路定律是由磁通连续性原理和安培环路定律推导出来的。
　　设无分支串联磁路由某种铁磁物质构成，其横截面积处处均为S，平均长度为Z，磁导率为。若平均长度远比横截面的线性尺寸大得多，则可近似地认为磁通在横截面上分布是均匀的，于是有磁通西为式中，B是中心线（即平均长度线）上的磁密。在中心线上各处横截面积相等，所以B相等，H也相同。设W为绕组的匝数，由安培环路定律知
　　上式与简单回路的欧姆定律

目录
前言
绪论 1
0.1 控制元件的作用和分类 1
0.2 本书的主要内容 2
0.3 电磁学的基本概念与定律 2
0.4 运动控制系统的执行元件 7
习题 8
第一篇 电动机及其控制
第1章 直流电动机及其控制 9
1.1 直流电机及其基本结构 9
1.2 电机中的磁性材料 12
1.3 直流电机工作原理 17
1.4 电机磁场、电枢反应与换向 21
1.5 直流电动机的特性与控制方法 23
1.6 直流伺服电动机 40
1.7 直流力矩电动机 43
1.8 有限转角直流力矩电动机 46
1.9 直流电动机的选择 47
1.10 例题 50
习题 53
第2章 变压器 55
2.1 变压器的用途和结构 55
9.9 变压器的理论基础 56
2.3 等值电路和副边的折算值 61
习题 63
第3章 异步电动机及其控制 64
3.1 异步电动机的结构特点和工作原理 64
3.2 交流绕组磁场的分析 69
3.3 异步电动机的主要特性 75
3.4 三相异步电动机 79
3.5 两相电动机 91
3.6 单相异岁电动机 99
3.7 单相串励电动机 101
3.8 电动机应用实例 103
习题 104
第4章 小功率同步电动机 106
4.1 同步电动机的构造和分类 106
4.2 永磁式同步电动机 106
4.3 磁阻同步电动机 109
4.4 磁滞同步电动机 111
4.5 电磁减速式同步电动机 114
习题 115
第5章 步进电动机及其控制 116
5.1 概述 116
5.2 磁阻式步进电动机的工作原理 117
5.3 磁阻式步进电动机的静态特性 122
5.4 磁阻式步进电动机的运行特性 127
5.5 永磁式和混合式步进电动机 136
5.6 步进电动机的驱动器 139
5.7 步进电动机的选择 145
习题 146
第6章 无刷直流电动机与交流伺服电动机 147
6.1 无刷直流电动机的结构 147
6.2 位置传感器 148
6.3 无刷直流电动机的工作原理 149
6.4 交流伺服电动机 152
6.5 无位置传感器的无刷直流电动机 156
6.6 无刷直流电动机的应用 156
6.7 开关磁阻电动机 157
习题 157
第7章 直线电动机与超声波电动机 158
7.1 直线直流电动机 158
7.2 直线感应电动机 160
7.3 直线步进电动机 162
7.4 超声波电动机 164
习题 164
第二篇 测量元件
第8章 测量元件概述 165
8.1 测量元件的组成、作用和分类 165
8.2 测量元件的特性 166
习题 169
第9章 旋转变压器与感应同步器 170
9.1 旋转变压器 170
9.2 多极旋转变压器 177
9.3 感应同步器 179
习题 192
第10章 测速元件及测速方法 193
10.1 直流测速发电机 193
10.2 异步测速发电机 198
10.3 由位移传感器的脉冲信号求转速 200
习题 201
第11章 编码器与光栅 202
11.1 编码器 202
11.2 光栅 207
习题 209
第12章 阻容感传感器 210
12.1 电阻式传感器 210
12.2 电感式传感器 213
12.3 电容式传感器 217
习题 223
第13章 热电式传感器 224
13.1 热电偶 224
13.2 热电阻 228
13.3 热敏电阻 229
13.4 晶体管、集成电路型温度传感器 231
习题 231
第三篇 功率放大元件
第14章 功率放大器概述 232
14.1 电力电子器件简述 232
14.2 功率放大器的类型和要求 233
14.3 线性功率放大器 234
习题 241
第15幸脉宽调制型(PWM)放大器和晶闸管变流器 242
15.1 概述 242
15.2 电力电子器件的特性 242
15.3 电阻和电感负载电路的开关过程 250
15.4 PWM放大器输出级的工作原理 252
15.5 PWM放大器的特性 259
15.6 PWM放大器的几个问题 262
15.7 脉宽调制器的典型电路 266
15.8 PWM电路的电源及泵升电压 269
15.9 正弦波脉宽调制(SPWM)电路原理 270
15.10 晶闸管变流器 272
习题 280
第四篇 其他元件
第16章 液压元件 281
16.1 概述 281
16.2 叶片式液压马达 283
16.3 轴向柱塞式液压马达 284
16.4 径向柱塞式液压马达 284
16.5 电液伺服阀 285
16.6 阀控液压马达的特性与传递函数 287
习题 289
第17章 航天器中的姿态传感器 290
17.1 陀螺传感器 290
17.2 太阳敏感器 291
17.3 地球敏感器 293
17.4 星敏感器 295
习题 295
第18章 微传感器与微执行器 296
18.1 微机电元件的应用 296
18.2 微机电器件的加工技术与工艺 296
18.3 微传感器 297
18.4 微执行器 300
习题 301
参考文献 302