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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