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舒志兵 著

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• EtherCAT
• PLC
• 伺服控制

店铺： 炫丽之舞图书专营店

出版社： 上海科学技术出版社

ISBN：9787547807316

商品编码：29679245620

包装：精装

出版时间：2012-01-01

基本信息

书名：现场总线网络化多轴运动控制系统研究与应用

定价：128.00元

作者：舒志兵

出版社：上海科学技术出版社

出版日期：2012-01-01

ISBN：9787547807316

字数：

页码：

版次：1

装帧：精装

开本：16开

商品重量：0.899kg

编辑推荐

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内容提要

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　　本书系统阐述了现场总线多轴运动控制系统的主要内容，重点强调工业应用，剖析了典型现场总线网络化多轴运动控制系统技术方法与应用实例。全书共分10章，内容包括现场总线技术，伺服运动控制算法，网络化多轴运动控制系统硬件设计与实现，基于VC 的网络化多轴运动控制系统软件设计，Elmo伺服控制系统软件的研究及其应用，Elmo位置前馈控制建模与系统参数整定，多轴运动控制系统应用于太阳跟踪的案例分析，PCTMC多轴运动控制卡应用案例分析，多轴运动控制系统在不同工业领域的应用案例分析等。
　　本书简明易懂、实用性强，可供从事现场总线运动控制系统设计、制造的工程技术人员参考，也可用作大专院校机电类专业机电一体化方向的教材。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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《智能制造装备核心技术解析：伺服驱动与运动控制器深度融合》 内容简介： 本书系统深入地探讨了当前智能制造领域中至关重要的核心技术——伺服驱动与运动控制器的深度融合。在工业4.0和中国制造2025等国家战略的宏观背景下，制造业正经历一场深刻的变革，从传统的自动化向智能化、网络化、柔性化方向飞跃。而伺服驱动系统作为实现精确、高效运动控制的关键执行单元，以及运动控制器作为机器大脑的智能决策者，它们的有机结合与协同工作，直接决定了智能制造装备的性能、精度、响应速度和智能化水平。 本书旨在为读者提供一个全面、深入且具有前瞻性的视角，理解并掌握伺服驱动与运动控制器的最新发展动态、关键技术原理、集成应用方法以及未来的发展趋势。我们不侧重于宏观的网络通信协议（如现场总线），而是将焦点聚焦在“执行层”和“决策层”最核心的技术细节上，力求剥离复杂的网络传输概念，直击伺服系统和运动控制器本身的内在逻辑与实现机制。 第一部分：伺服驱动系统精进之路 本部分将从基础理论出发，逐步深入到伺服驱动的精细化设计与优化。 1.1 现代伺服电机技术解析： 1.1.1 各类伺服电机选型考量： 详细分析永磁同步电机（PMSM）、无刷直流电机（BLDC）等主流伺服电机的结构特点、工作原理、性能优势与局限性。重点讨论在不同负载特性、精度要求、功率等级下的最优选型策略，例如，何种电机更适合高动态响应的搬运应用，何种更适合需要稳定恒速的加工场景。 1.1.2 电磁设计与优化： 深入探讨电机绕组设计、磁路优化、永磁体材料选择（如钕铁硼稀土材料的性能与应用）、减小齿槽效应和磁阻转矩的先进技术。通过磁场仿真软件（如ANSYS Maxwell）的原理性介绍，阐述如何通过精细化的电磁设计来提升电机的功率密度、效率并降低谐波。 1.1.3 热管理与散热设计： 详细阐述电机在高负载运行时产生的热量来源，以及如何通过优化风冷、水冷、油冷等散热方式，配合电机本体的结构设计（如散热槽、集成式散热器），有效控制电机温升，保障其长期稳定运行和性能发挥。 1.1.4 编码器技术与精度保障： 重点介绍增量式编码器（光学、磁性）和绝对式编码器（单圈、多圈）的工作原理、分辨率、精度等级及其在伺服系统中的作用。深入分析不同编码器技术在抗干扰能力、安装精度要求、成本效益等方面的权衡，以及如何通过编码器与电机本体的精密耦合来确保运动反馈的准确性。 1.2 功率电子技术在伺服驱动中的应用： 1.2.1 MOSFET与IGBT技术详解： 深入剖析MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的特性曲线、导通损耗、开关损耗，以及在伺服驱动器中的应用场景。介绍新型宽禁带半导体材料（如SiC、GaN）在提高效率、减小体积、提升工作频率方面的潜力。 1.2.2 PWM（脉冲宽度调制）技术原理与优化： 详细讲解不同PWM调制策略（如中心对齐PWM、随机PWM）的原理及其对电机电流谐波、开关损耗的影响。探讨如何通过先进的PWM算法（如空间矢量PWM）来提高输出电压利用率，减小转矩脉动。 1.2.3 驱动器拓扑结构与过流/过压保护： 分析全桥、三相桥等常用驱动器电路拓扑结构，阐述其在实现电机正反转、调速功能时的作用。深入讲解驱动器中的过流、过压、过温等保护机制的设计原理，以及如何确保伺服驱动器的安全可靠运行。 1.3 先进控制算法与性能调优： 1.3.1 PID（比例-积分-微分）控制器的理论与实践： 深入解析PID控制器在伺服系统中的作用，详细讲解P、I、D参数的物理意义以及对系统响应速度、稳态精度、超调量的影响。提供多种PID参数整定方法（如Ziegler-Nichols法、人工整定法）的实践指导，以及在线自适应PID的原理介绍。 1.3.2 观测器技术在弱磁和速度估算中的应用： 讲解电流观测器、速度观测器（如卡尔曼滤波、滑模观测器）的工作原理，特别是在无传感器伺服控制中的关键作用。分析如何通过观测器来估算电机内部状态，从而在不依赖编码器的情况下实现精确的速度和位置控制。 1.3.3 柔性关节与共振抑制： 针对存在机械柔性（如连杆、齿轮箱）的系统，详细分析共振现象的成因，并介绍先进的控制策略，如阻抗控制、传递矩阵法、模态分析，以抑制机械振动，提高系统的动静态性能。 1.3.4 轨迹规划与平滑处理： 深入探讨S型曲线、梯形曲线等运动轨迹生成算法，以及如何通过这些算法实现平滑的加减速，减少机械冲击，提高运动平稳性。介绍多轴联动下的插补算法（如直线插补、圆弧插补）的数学模型与实现。 第二部分：运动控制器智能核心解析 本部分将聚焦于运动控制器，探讨其作为智能决策中心的关键技术。 2.1 实时操作系统（RTOS）在运动控制中的角色： 2.1.1 RTOS核心概念与优势： 讲解任务调度、中断处理、时间片轮转、优先级抢占等RTOS的核心概念。阐述RTOS如何为运动控制提供高实时性、确定性、可预测的执行环境，确保指令的及时响应。 2.1.2 RTOS在运动控制任务中的应用： 分析如何将伺服驱动指令生成、状态监控、传感器数据采集、运动路径计算等任务在RTOS环境下进行合理分配和调度，实现多任务并行处理。 2.2 运动控制算法与路径规划： 2.2.1 多轴插补算法深度剖析： 详细讲解直线插补（Bresenham算法）、圆弧插补、螺旋线插补等基本插补算法的数学原理、实现流程及其精度与效率的权衡。 2.2.2 复杂运动轨迹生成与优化： 探讨如何生成更复杂的空间运动轨迹，例如，面向机器人手臂的关节轨迹规划、数控机床的刀具路径规划。介绍优化算法（如遗传算法、粒子群算法）在路径碰撞检测、最短路径搜索、效率优化中的应用。 2.2.3 运动学与动力学模型应用： 针对机器人、机床等复杂机械系统，详细解析正运动学和逆运动学的计算原理，以及如何利用动力学模型进行更精确的轨迹跟踪和力控制。 2.3 嵌入式硬件平台与指令执行： 2.3.1 微控制器（MCU）与DSP技术： 详细介绍ARM Cortex-M、DSP（数字信号处理器）等主流嵌入式处理器在运动控制器中的应用。分析不同处理器的计算能力、指令集、外设接口（如PWM发生器、ADC、定时器）如何支持高速、高精度的运动控制任务。 2.3.2 指令集架构与中断处理机制： 深入理解运动控制器如何接收来自上位机的指令（例如，G代码、PLC指令），并通过内部的指令译码、执行单元进行解析。重点分析中断机制在响应外部事件（如传感器触发、急停信号）时的关键作用，确保系统的安全性与及时性。 2.3.3 高速数据采集与处理： 讨论如何通过ADC（模数转换器）对编码器反馈、传感器信号进行高速、高精度的数据采集。分析滤波算法（如数字滤波器、平均滤波）如何对采集到的信号进行预处理，提高数据质量。 2.4 状态监控与故障诊断： 2.4.1 关键参数监控与预警： 讲解如何实时监控伺服驱动器的电流、电压、转速、温度、堵转电流、编码器信号等关键运行参数。介绍基于阈值、趋势分析的预警机制。 2.4.2 常见故障模式与诊断方法： 详细分析伺服系统和运动控制器可能出现的常见故障，如编码器异常、驱动器过流、电机过载、通信中断等。介绍基于诊断码、波形分析、专家系统的故障诊断技术。 第三部分：深度融合与未来展望 本部分将探讨伺服驱动与运动控制器的集成优化，以及该领域未来的发展趋势。 3.1 伺服驱动器与运动控制器的硬件集成： 3.1.1 驱动器内置控制器设计： 分析将运动控制核心功能集成到伺服驱动器内部的设计理念。讨论其优势（如减小布线、降低干扰、提升集成度）和技术挑战（如散热、功耗）。 3.1.2 单芯片解决方案与FPGA应用： 介绍采用高性能MCU或FPGA（现场可编程门阵列）构建集成的伺服驱动器/运动控制器。分析FPGA在并行处理、硬件加速方面的独特优势，尤其适合需要极高实时性和处理能力的复杂算法。 3.2 软件协同与协同仿真： 3.2.1 统一的软件开发平台： 探讨构建统一的软件开发环境，实现运动控制器程序与伺服驱动器配置参数的无缝集成。 3.2.2 协同仿真技术： 介绍如何利用多物理场仿真软件，对伺服驱动器、电机、机械结构以及运动控制算法进行协同仿真。分析协同仿真在优化设计、性能预测、故障排除方面的价值。 3.3 智能算法在运动控制中的深化应用： 3.3.1 机器学习在故障诊断与预测性维护中的潜力： 探讨如何利用机器学习算法，通过对海量运行数据的分析，实现更精准的故障预测和状态评估，从而进行预防性维护。 3.3.2 AI驱动的自适应控制与优化： 展望AI技术在实现运动控制系统的自主学习、自适应调整参数、实时优化运行策略方面的应用前景。 3.4 未来发展趋势： 3.4.1 高精度、高动态响应的需求： 剖析半导体、新能源、精密加工等行业对更高精度、更快响应速度的伺服系统提出的挑战。 3.4.2 智能化、自主化趋势： 探讨运动控制器向更高级别智能化的发展，如自主决策、人机协作、集成信息物理系统。 3.4.3 绿色化与节能化设计： 分析如何通过更高效的功率器件、先进的控制算法，实现伺服驱动与运动控制系统的能效提升。 本书内容侧重于技术原理和工程实现，通过深入的技术解析、原理推导和应用案例分析，旨在为读者构建一个扎实的技术知识体系，使其能够更好地理解、设计、调试和优化现代智能制造装备中的伺服驱动与运动控制系统，从而在不断发展的智能制造领域中占据技术优势。

评分☆☆☆☆☆

这本关于现场总线网络化多轴运动控制系统的书籍，给我留下了非常深刻的印象。从内容深度和广度来看，它显然不是一本泛泛而谈的入门读物。书中对不同现场总线技术在复杂运动控制系统中的应用进行了详尽的剖析，特别是针对那些需要高精度、高同步性要求的工业场合，作者显然下了大量的功夫去研究和梳理。我特别欣赏作者在描述具体控制策略时的那种细致入微，比如在处理实时性与数据完整性之间的权衡时，书中给出的解决方案和仿真结果都具有很强的说服力。对于一个已经有一定基础，希望将理论知识转化为实际工程能力的技术人员来说，这本书提供了一个极好的参考框架。它不仅停留在概念层面，更深入到了具体的协议栈实现和系统集成挑战，这使得读者在面对实际项目时，能够更有底气地进行技术选型和架构设计。

评分☆☆☆☆☆

这本关于多轴运动控制网络化的专著，在当前工业自动化技术快速迭代的背景下，显得尤为重要。它成功地搭建起了一座连接经典控制理论与现代网络化架构的桥梁。我尤其欣赏书中对确定性以太网在运动控制领域竞争格局的客观分析，以及对未来趋势的审慎展望。作者没有盲目推崇某一种技术，而是基于严格的性能指标对比，帮助读者形成自己的判断。书中对系统级仿真的建模方法论的介绍也十分到位，它教会读者如何在一个复杂的网络环境中准确预测系统的动态行为，而不是仅仅依赖离散的实验测试。这本书无疑为那些致力于开发下一代高精度、高可靠性自动化装备的工程师，提供了一份兼具前瞻性和实操性的宝贵智力资源。

评分☆☆☆☆☆

这本书最让我感到惊喜的是其对“应用”二字的深刻理解。它不是那种纯粹的学术论文汇编，而是真正站在解决工业实际问题的角度去构建知识体系的。我发现书中不仅详述了底层的数据传输机制，更花了大量篇幅来讨论如何构建一个可维护、可扩展的上位机监控和诊断平台，特别是如何利用网络特性对远程多轴系统进行状态评估和故障预警。这种软硬件结合、理论与运维并重的叙事方式，对于推动整个行业向工业4.0迈进极具指导意义。作者的语言风格非常务实，没有过多的文学修饰，每一句话都承载着明确的技术信息，使得读者能够清晰地追踪作者的思路，并将这些经验教训快速地应用到自己的项目中，避免了许多不必要的弯路。

评分☆☆☆☆☆

坦率地说，这本书的专业性强到让我这种非核心领域人员都有点“战战兢兢”，但正是这种高门槛，彰显了其内容的价值。我注意到，书中对新一代嵌入式系统与现场总线（如EtherCAT或Powerlink）在毫秒级同步通信中的性能瓶颈及其优化措施进行了深入的探讨。作者没有回避技术难点，反而将其作为重点进行深入挖掘，例如，针对网络抖动对伺服系统响应的影响，书中提出的基于时间戳的重新同步算法，逻辑严密，非常具有创新性。这套书更像是一本面向资深工程师的“手术刀”指南，它要求读者具备扎实的数学基础和信号处理背景，才能完全领会其中关于鲁棒性和自适应控制的精髓。对任何想要突破现有运动控制系统性能瓶颈的研发团队来说，这本书无疑是值得投入大量时间去啃读的。

评分☆☆☆☆☆

阅读完这本关于运动控制系统研究的著作，我不得不感叹其结构编排的精妙之处。它似乎遵循着一种由浅入深、层层递进的逻辑链条，让初接触者也能逐步理解其复杂的技术内涵。书中对多轴协调运动控制理论的阐述，特别是针对非线性误差补偿和模型预测控制（MPC）在分布式系统中的应用，简直是一场技术盛宴。作者似乎非常注重工程实践与前沿理论的结合，每一次理论推导之后，都会紧接着给出在特定工业场景下的案例分析，这极大地提升了可读性和实用性。与市面上那些只关注硬件接口或单一算法的书籍不同，它提供了一个宏观的系统视角，即如何将分散的控制单元通过一个可靠的网络高效地整合起来，形成一个统一、智能的控制体。这种全局性的视野，对于系统架构师而言，价值无可估量。