绪论 1
0.1 控制元件在自动控制系统中的作用 1
0.1.1 自动控制的应用及定义 1
0.1.2 自动控制元件在控制系统中的作用 3
0.1.3 自动控制元件的定义及分类 6
0.2 本书的主要内容及编排 7
0.3 自动控制元件的理论基础 8
0.3.1 基本物理量 8
0.3.2 铁磁性材料的主要特性 9
0.3.3 磁路及其基本定律 10
思考题 15
参考文献 15
第一篇 基于稳恒磁场的元件 19
第1章 直流伺服电动机 19
1.1 概述 19
1.1.1 直流伺服电动机的发展历程 19
1.1.2 直流伺服电动机的概念 19
1.1.3 直流伺服电动机的作用 20
1.1.4 直流伺服电动机的分类及特点 21
1.2 直流电动机基本原理和结构 23
1.2.1 直流电动机基本原理 23
1.2.2 直流电机的结构 25
1.2.3 直流电机的励磁方式 27
1.2.4 直流电机的电枢绕组 28
1.2.5 直流电机的磁场 31
1.2.6 换向过程 32
1.2.7 直流电机的电磁转矩和感应电动势 33
1.2.8 静态四大关系式 35
1.2.9 动态四大关系式 35
1.3 直流伺服电动机的静态特性 36
1.3.1 直流伺服电动机的能量关系 37
1.3.2 直流伺服电动机的静态关系式 38
1.3.3 电枢控制时的机械特性 39
1.3.4 直流伺服电动机的控制特性 41
1.3.5 机械特性曲线上的工作点和负载线 44
1.3.6 直流伺服电动机的工作状态 44
1.4 直流伺服电动机的动态特性 47
1.4.1 阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程 47
1.4.2 过渡过程的讨论 49
1.5 直流伺服电动机的选择 53
1.5.1 直流伺服电动机的额定值 53
1.5.2 直流伺服电动机型号 54
1.5.3 直流伺服电动机的选择 56
1.6 直流力矩电动机 59
1.6.1 概述 59
1.6.2 直流力矩电动机的结构特点和运行性能 61
1.6.3 直流力矩电动机的额定指标及其选择 65
1.7 直流伺服电动机的应用实例——运动目标检测与跟踪系统 68
1.7.1 利用自动控制元件构建控制系统的基本思想 68
1.7.2 系统的组成及工作原理 68
1.7.3 各元件的工作原理 69
1.7.4 系统中各元件的控制数学模型 73
思考题 75
习题 76
参考文献 77
第2章 直流测速发电机 78
2.1 概述 78
2.1.1 直流测速发电机的发展历程 78
2.1.2 直流测速发电机的分类及特点 79
2.2 直流测速发电机的特性 80
2.2.1 静态特性 81
2.2.2 动态特性 81
2.2.3 能量关系 82
2.3 输出特性的误差分析 82
2.3.1 电枢反应 83
2.3.2 温度 84
2.3.3 电刷与换向器的接触电阻 85
2.3.4 延迟换向 86
2.3.5 纹波 86
2.3.6 火花和电磁干扰 87
2.4 直流测速发电机的选择 87
2.4.1 技术性能指标 87
2.4.2 技术数据 88
2.4.3 直流测速发电机的选择 89
2.5 直流测速发电机的应用 90
2.5.1 恒速控制中的应用 91
2.5.2 作为系统的校正元件 92
2.5.3 作为微分或积分解算元件 93
2.6 直流测速发电机的应用实例——冷轧机控制系统 93
2.6.1 系统组成、工作原理、技术指标 94
2.6.2 主轧机调速控制系统 95
2.6.3 主轧机调速系统各元件工作原理 96
2.6.4 主轧机调速系统的数学模型 98
思考题和习题 99
参考文献 100
第二篇 基于脉振磁场的元件 103
第3章 旋转变压器 103
3.1 概述 103
3.1.1 旋转变压器的发展历程 103
3.1.2 旋转变压器的分类 104
3.2 变压器工作原理 105
3.2.1 变压器结构及种类 105
3.2.2 变压器的运行 106
3.2.3 变压器的额定值 112
3.3 正余弦旋转变压器的结构和工作原理 113
3.3.1 旋转变压器的结构 113
3.3.2 正余弦旋转变压器的空载运行 114
3.3.3 正余弦旋转变压器的负载运行 117
3.4 线性旋转变压器 122
3.4.1 空载时线性旋转变压器的输出电压表达式 122
3.4.2 负载时的线性旋转变压器 123
3.5 旋转变压器的应用 123
3.5.1 旋转变压器测量角差 124
3.5.2 用旋转变压器求反三角函数 125
3.5.3 比例式旋转变压器 126
3.6 旋转变压器的选用 127
3.6.1 旋转变压器型号 127
3.6.2 旋转变压器的误差特性 127
3.6.3 使用条件对误差特性的影响 129
3.7 多级旋转变压器及其在随动系统中的应用 130
3.7.1 双通道测角线路 130
3.7.2 多级旋转变压器的结构 133
3.8 磁阻式旋转变压器 134
3.9 感应同步器（Inductosyn） 137
3.9.1 直线式感应同步器的结构和工作原理 137
3.9.2 圆盘式感应同步器的结构和工作原理 141
3.10 旋转变压器应用实例——平台式惯导系统稳定回路 141
3.10.1 惯导系统的组成及工作原理 141
3.10.2 稳定回路的组成及工作原理 142
3.10.3 元件的工作原理 143
3.10.4 系统各元件的控制数学模型 148
思考题 149
习题 149
参考文献 150
第4章 自整角机 151
4.1 概述 151
4.1.1 力矩式自整角机 151
4.1.2 控制式自整角机 152
4.1.3 自整角机的结构 152
4.2 力矩式自整角机 153
4.2.1 力矩式自整角机的结构 153
4.2.2 力矩式自整角机的工作原理 155
4.2.3 力矩式自整角机的主要技术指标 161
4.3 力矩式自整角机的故障分析 162
4.3.1 发送机或接收机的励磁绕组断路 162
4.3.2 励磁绕组错接 164
4.3.3 整步绕组错接 164
4.3.4 整步绕组一相断路 167
4.3.5 整步绕组两相短路 169
4.4 控制式自整角机 171
4.4.1 控制式自整角机的结构及分类 171
4.4.2 控制式自整角机的工作原理 172
4.4.3 控制式自整角机的主要技术指标 175
4.5 自整角机的选择 176
4.5.1 自整角机类型的选择 176
4.5.2 选用自整角机时对电源的要求 177
4.5.3 选用自整角机时对精度的要求以及各类误差间的区别 177
4.5.4 多台力矩式自整角接收机的并联使用 178
4.5.5 多台控制式自整角变压器的并联使用 179
4.5.6 自整角机的基准电气零位的正确选用 180
4.6 控制式自整角机的应用实例——舰炮火控系统 180
4.6.1 系统的组成及工作原理 180
4.6.2 火炮伺服系统 181
4.6.3 元件的工作原理与输入输出特性 182
4.6.4 系统各元件的控制数学模型 186
思考题 187
习题 187
参考文献 189
第三篇 基于旋转磁场的元件 193
第5章 步进电动机 193
5.1 概述 193
5.1.1 步进电动机的发展历程 193
5.1.2 步进电动机的分类及特点 193
5.2 反应式步进电动机的工作原理 196
5.2.1 反应式步进电动机的结构特点 196
5.2.2 反应式步进电动机工作原理 197
5.3 反应式步进电动机的静态特性 201
5.3.1 电角度 201
5.3.2 能量关系 201
5.3.3 矩角特性 203
5.4 反应式步进电动机的动态特性 207
5.4.1 单脉冲作用下的运行 208
5.4.2 连续运行时步进电动机的动态特性 213
5.5 永磁式和混合式步进电动机 218
5.5.1 永磁式步进电动机 219
5.5.2 混合式步进电动机 220
5.6 步进电动机的驱动电路 222
5.7 步进电动机的选择 226
5.8 步进电动机的应用实例——直角坐标机器人控制系统 228
5.8.1 系统的组成及工作原理 229
5.8.2 步进电机系统组成及工作原理 230
5.8.3 步进电机控制系统中元件的工作原理 232
思考题 235
习题 236
参考文献 236
第6章 交流伺服电动机 237
6.1 概述 237
6.1.1 交流伺服电动机的发展历程 237
6.1.2 交流伺服电动机的分类 238
6.2 两相异步伺服电动机的结构和工作原理 238
6.2.1 两相异步伺服电动机的结构（Two-phase induction motor） 238
6.2.2 两相异步伺服电动机的工作原理 240
6.3 两相绕组的圆形旋转磁场 241
6.3.1 圆形旋转磁场的产生 241
6.3.2 圆形旋转磁场的特点 245
6.4 圆形旋转磁场作用下的电动机特性 246
6.4.1 转速和转差率 246
6.4.2 定转子导体中感应电动势的频率 246
6.4.3 电压平衡方程式 247
6.4.4 异步电动机的等效电路 249
6.4.5 对称状态时定子两相绕组电压之间的关系 252
6.4.6 电磁转矩 254
6.4.7 机械特性 256
6.5 椭圆旋转磁场及其分析方法 258
6.5.1 椭圆旋转磁场的形成 258
6.5.2 椭圆旋转磁场的特点 261
6.5.3 椭圆旋转磁场的分析方法——分解法 262
6.5.4 椭圆旋转磁场作用下电动机的机械特性 264
6.6 两相异步伺服电动机的控制方法及静态特性 267
6.6.1 两相异步伺服电动机的控制方法 267
6.6.2 两相异步伺服电动机的静态特性 270
6.7 永磁同步伺服电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor） 276
6.7.1 概述 276
6.7.2 永磁式同步电动机的结构 276
6.7.3 正弦波驱动的永磁式伺服电动机工作原理 278
6.7.4 永磁式伺服电动机的能量关系 279
6.8 永磁同步伺服电动机的动态特性 280
6.8.1 坐标系 280
6.8.2 坐标变换 281
6.8.3 矢量控制 284
6.9 交流伺服电动机的选择 284
6.9.1 两相交流伺服电动机的选择 284
6.9.2 永磁同步伺服电动机的选择 287
6.10 直接编码器 288
6.10.1 增量式码盘 288
6.10.2 绝对式码盘 290
6.11 交流伺服电动机的应用实例——工业机器人（机械臂）控制系统 291
6.11.1 系统的组成及工作原理 291
6.11.2 伺服驱动系统组成及工作原理 293
6.11.3 伺服驱动器及电机 295
6.11.4 系统的控制数学模型 298
思考题 299
习题 300
参考文献 300
第7章 无刷直流电动机 302
7.1 概述 302
7.1.1 无刷直流电动机发展历程 302
7.1.2 无刷直流电动机的基本结构 302
7.2 无刷直流电动机的工作原理 305
7.2.1 位置传感器 305
7.2.2 无刷直流电动机的工作原理 307
7.3 无刷直流电动机的运行特性 311
7.3.1 无刷直流电动机的数学模型 311
7.3.2 反电动势 311
7.3.3 电磁转矩 312
7.3.4 机械特性及控制特性 312
7.3.5 无刷直流电动机的电枢反应 313
7.3.6 改变无刷直流电动机转向的方法 314
7.4 无刷直流电动机的应用实例——电动汽车的电机驱动控制系统 315
7.4.1 系统的组成及工作原理 315
7.4.2 电力驱动子系统构成及工作原理 317
7.4.3 系统硬件设计及功能 318
7.4.4 系统各元件的控制数学模型 322
思考题 324
参考文献 324
第四篇 新型元件 327
第8章 直线电动机 327
8.1 概述 327
8.2 直线感应电动机 327
8.3 直线直流电动机 329
8.4 直线步进电动机 332
8.5 直线同步电动机 334
思考题及习题 335
参考文献 335
第9章 超声波电动机 336
9.1 概述 336
9.1.1 超声波电动机的发展历程 336
9.1.2 超声波电动机的优点 337
9.2 超声波电动机的常见结构与分类 337
9.2.1 环状或盘式行波型超声波电动机 338
9.2.2 直线式行波型超声波电动机 338
9.2.3 驻波型超声波电动机 339
9.3 超声波电动机的工作原理 340
9.3.1 逆压电效应 340
9.3.2 行波型超声波电动机 340
9.3.3 驻波型超声波电动机 343
9.4 超声波电动机的应用 344
思考题 345
参考文献 345