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第1章 概论1

1.1航天机电伺服概况1

1.2机电伺服技术发展2

1.3航天机电伺服作动器4

1.4航天机电伺服的关键技术5

1.4.1伺服电动机技术5

1.4.2驱动控制技术7

1.4.3机械传动技术8

1.4.4可靠性技术9

1.5机电伺服系统控制算法12

第2章 伺服电动机18

2.1直流伺服电动机18

2.1.1电动机基本结构与分类18

2.1.2直流伺服电动机特点19

2.1.3基本原理与构成19

2.1.4直流伺服电动机数学模型20

2.1.4.1起动特性21

2.1.4.2调速特性21

2.1.4.3制动特性22

2.2无刷直流伺服电动机22

2.2.1无刷直流电动机本体组成22

2.2.2无刷直流电动机转子位置检测装置24

2.2.3功率电子驱动装置24

2.2.4无刷直流电动机工作原理25

2.2.5无刷直流电动机数学模型25

2.2.6永磁无刷电动机的PWM调速控制26

2.3永磁同步伺服电动机29

2.3.1永磁同步电动机基本结构29

2.3.2永磁同步电动机的数学模型31

2.3.2.1永磁同步电动机基本电压方程31

2.3.2.2 CLARK变换原理32

2.3.2.3 PARK变换原理33

2.3.2.4坐标变换后的永磁同步电动机数学模型33

2.3.3永磁同步电动机的设计方法34

2.3.3.1主要尺寸和气隙长度选择34

2.3.3.2定子设计原则35

2.3.3.3转子磁路与永磁体尺寸的确定35

2.3.4永磁同步电动机的特点与应用36

2.4交流感应电动机37

2.4.1交流感应电动机结构38

2.4.2感应电动机工作原理40

2.4.3交流感应电动机机械特性40

2.4.4感应电动机数学模型41

2.5开关磁阻电动机45

2.5.1开关磁阻电动机结构45

2.5.2开关磁阻工作原理49

2.5.3开关磁阻电动机特点50

2.5.4开关磁阻电动机数学模型52

2.5.4.1电路方程52

2.5.4.2机械方程52

2.5.4.3机电联系方程53

2.6直线电动机54

2.6.1直线电动机的基本原理55

2.6.2直线电动机的分类56

2.6.3圆筒型直线电动机的特点与应用56

第3章 伺服电动机驱动技术58

3.1 PWM控制技术58

3.1.1 PWM基本原理58

3.1.2 PWM的理论基础59

3.1.3直流电动机的PWM控制技术60

3.2矢量控制技术60

3.2.1矢量控制变换的思路61

3.2.2按转子磁场定向的矢量控制的实现62

3.2.3正弦波脉宽调制技术64

3.3电压空间矢量控制技术65

3.3.1逆变器调制方式比较65

3.3.2 SVPWM调制方式算法原理65

3.3.2.1空间电压矢量与磁链矢量的关系65

3.3.2.2 SVPWM算法分析68

3.3.3永磁同步电动机的电压空间矢量控制70

3.4直接转矩控制70

3.4.1电压型逆变器的模型72

3.4.2磁链轨迹的控制73

3.4.3磁链轨迹区段的确定74

3.4.4转矩控制75

3.4.4.1直接转矩的开关矢量表76

3.4.4.2直接转矩控制的基本结构76

3.4.5感应电动机定子磁链和转矩的估算78

3.4.5.1异步电动机定子磁链的估算78

3.4.5.2异步电动机转矩的估计78

3.5迭代学习控制方法78

3.5.1开关磁阻电动机转矩脉动产生原因79

3.5.2基于模型控制和迭代学习控制79

3.5.3迭代学习控制过程和开环PID迭代学习控制80

3.5.4开关磁阻电动机的迭代学习控制理论分析81

3.5.4.1速度调节器设计82

3.5.4.2转矩分配函数的设计84

3.5.4.3电流控制器设计85

3.6永磁同步式起动/发电机的最大转矩/电流控制87

第4章 机电伺服系统传感器91

4.1电流传感器91

4.1.1电流传感器组成与分类91

4.1.1.1普通电流测量92

4.1.1.2大电流测量92

4.1.1.3微电流测量92

4.1.1.4非正弦电流测量93

4.1.2霍尔电流传感器工作原理93

4.1.2.1磁平衡补偿94

4.1.2.2温度影响95

4.1.2.3不等位电动势影响96

4.1.3电流互感器工作原理96

4.1.4磁阻式电流传感器工作原理98

4.1.5电阻式电流传感器99

4.1.6电流传感器在电动机控制中的应用100

4.2电压传感器103

4.2.1电压传感器的分类和特点103

4.2.2电磁式电压互感器工作原理104

4.2.3电容式电压互感器的工作原理105

4.2.4霍尔电压传感器106

4.2.4.1磁平衡式电压传感器的工作原理107

4.2.4.2磁调制式电压传感器的工作原理109

4.2.5电压传感器在传动系统中的应用110

4.3转子位置传感器111

4.3.1光电编码器传感器111

4.3.1.1增量式光电编码器112

4.3.1.2绝对式光电编码器112

4.3.2旋转变压器113

4.3.2.1旋转变压器工作原理113

4.3.2.2解码芯片结构与特点114

4.3.2.3外围电路设计115

4.3.3磁编码器118

4.3.3.1磁编码器工作原理118

4.3.3.2磁编码器设计119

4.3.4编码器在伺服系统中的应用121

4.4位移传感器123

4.4.1位移传感器的分类124

4.4.2光栅位移传感器的工作原理125

4.4.3光学位移传感器的工作原理126

4.4.3.1光学三角位移传感器127

4.4.3.2光学编码尺位移传感器127

4.4.4直线磁编码器128

4.5加速度传感器129

4.5.1压电式加速度传感器130

4.5.2电容式加速度传感器130

第五章 机电伺服传动机构133

5.1概述133

5.2谐波传动134

5.2.1谐波齿轮传动原理134

5.2.2谐波齿轮传动的传动比计算135

5.2.2.1单级谐波齿轮传动135

5.2.2.2双级谐波齿轮传动135

5.2.3谐波传动主要构件的结构形式136

5.2.4谐波齿轮传动的失效形式137

5.2.5谐波齿轮传动的效率138

5.3滚珠丝杠138

5.3.1滚珠丝杠副的工作原理及结构形式139

5.3.1.1滚珠丝杠副的工作原理139

5.3.1.2滚珠丝杠副的结构形式139

5.3.1.3滚珠丝杠副的主要几何尺寸143

5.3.2滚珠丝杠副的承载能力144

5.3.2.1滚珠丝杠副的额定动载荷144

5.3.2.2滚珠丝杠副的静载荷144

5.3.2.3滚珠丝杠副的刚度计算145

5.3.3滚珠丝杠副的预紧147

5.3.3.1滚珠丝杠副轴向间隙147

5.3.3.2滚珠丝杠副预紧方式147

5.3.3.3预紧力的确定149

5.3.3.4预紧后摩擦力矩的计算150

5.3.4滚珠丝杠副的驱动力矩及传动效率151

5.3.4.1驱动力矩151

5.3.4.2传动效率153

5.4行星滚柱丝杠155

5.4.1行星滚柱丝杠的工作原理与结构类型156

5.4.1.1工作原理156

5.4.1.2行星滚柱丝杠结构类型156

5.4.1.3行星滚柱丝杠的特点158

5.4.2行星滚柱丝杠的运动分析158

5.4.2.1旋转运动分析159

5.4.2.2轴向运动分析160

5.4.2.3结论162

5.4.3行星滚柱丝杠的尺寸参数163

5.4.3.1螺旋部件的尺寸参数163

5.4.3.2内齿圈和滚柱端齿轮计算164

5.5传动机构性能测试165

5.5.1承载能力和效率测试试验165

5.5.1.1减速器的承载能力和传动效率测试试验165

5.5.1.2螺旋副承载能力和效率测试试验168

5.5.2传动精度测试试验168

5.5.2.1减速器传动精度测试试验168

5.5.2.2螺旋副传动精度检测170

第6章 机电作动器172

6.1机电作动器分类172

6.2机电作动器结构形式173

6.3机电作动器国内相关专利177

6.4机电作动器国际相关专利181

6.5机电作动研究方法191

6.5.1计算机辅助设计与分析191

6.5.2控制系统软硬件设计192

6.5.3机械传动件的选型设计192

6.5.3.1驱动电动机的选择192

6.5.3.2减速器的选型193

6.5.3.3丝杠的选择194

6.5.4可靠性研究方法195

6.6机电作动器研究发展方向196

第7章 伺服动力电源198

7.1机电伺服用电特性198

7.1.1机电伺服电源的工作过程198

7.1.2机电伺服系统的用电特性199

7.2化学电源200

7.2.1热电池200

7.2.1.1热电池概述200

7.2.1.2热电池工作原理201

7.2.1.3热电池的结构201

7.2.1.4热电池的特点202

7.2.1.5热电池的使用和维护204

7.2.2锌银电池205

7.2.2.1锌银电池发展概况205

7.2.2.2锌银电池工作原理206

7.2.2.3锌银电池的结构206

7.2.2.4锌银电池的特点208

7.2.2.5锌银电池的使用和维护208

7.2.3动力型锂离子电池209

7.2.3.1动力型锂离子电池的工作原理209

7.2.3.2锂离子电池的结构210

7.2.3.3动力型锂离子电池应用于航天机电伺服系统要解决的关键技术210

7.3弹载发电机211

7.3.1涡轮发电机211

7.3.1.1微型涡轮发动机特点及应用212

7.3.1.2 MTE技术现状214

7.3.2斯特林发电机216

7.3.2.1斯特林发电机特点216

7.3.2.2自由活塞式斯特林发电机工作原理217

7.3.2.3斯特林发电机技术现状219

7.4电源管理技术222

7.4.1组合电源223

7.4.2先进储能及功率调节技术223

7.4.3快响应升压技术223

7.4.4电源一体化技术224

7.4.5再生电能的管理224

第8章 航天机电伺服系统分析与设计226

8.1机电伺服系统设计需求226

8.1.1结构与质量要求226

8.1.2性能要求226

8.1.3其他要求227

8.2机电伺服系负载特性分析227

8.2.1负载的种类和性质227

8.2.2负载的计算228

8.3机电伺服系统方案设计230

8.3.1初步方案设计230

8.3.2静态计算231

8.4机电伺服系统参数设计和性能分析232

8.4.1机电作动器行程设计232

8.4.2减速比设计233

8.4.3伺服电动机参数设计234

8.4.4可靠性设计234

8.4.4.1可靠性模型234

8.4.4.2可靠性预计235

8.4.4.3可靠性分配236

8.4.4.4基于故障树法的可靠性分析236

8.5机电伺服系统数学建模与仿真237

8.5.1机电伺服系统数学建模237

8.5.2机电伺服系统性能仿真239

第9章 机电伺服技术应用241

9.1军事装备领域的应用241

9.1.1无人驾驶飞机的应用241

9.1.2战斗机副翼242

9.1.3飞机水平安定面242

9.1.4飞机飞行控制面243

9.1.5飞机起落架243

9.1.6飞机反推力装置245

9.1.7飞机电刹车系统246

9.1.8一次性飞行器249

9.1.9导弹250

9.1.10鱼雷251

9.2其他领域的应用251

9.2.1舰船消振251

9.2.2倾斜列车控制253

9.2.3车辆主动悬架254

9.2.4六自由度列车驾驶运动平台256

9.2.5高层建筑和高耸结构258

参考文献259