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电子设备伺服传动技术

作译者：胡长明

出版时间：2021-11 千字数：557 版次：01-01 页数：344

开本：16开装帧： I S B N ：9787121422362

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纸质书定价：￥98.0

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第1章  绪论	（1）
1.1  电子设备伺服传动系统的基本概念	（1）
1.1.1  典型电子设备	（1）
1.1.2  伺服传动系统	（1）
1.2  电子设备伺服传动系统的分类与特点	（4）
1.2.1  按机构形式分类	（4）
1.2.2  按控制方式分类	（4）
1.2.3  按系统功能分类	（5）
1.2.4  按传动介质分类	（5）
1.3  电子设备伺服传动技术的发展与趋势	（6）
1.3.1  发展历程	（6）
1.3.2  未来趋势	（7）
第2章  机电伺服控制系统	（9）
2.1  概论	（9）
2.1.1  机电伺服控制系统的概念	（9）
2.1.2  组成和原理	（9）
2.1.3  设计要素	（10）
2.2  机电伺服控制元件	（10）
2.2.1  反馈元件	（10）
2.2.2  执行元件	（17）
2.2.3  功率驱动模块	（21）
2.2.4  变换元件	（22）
2.3  机电伺服控制系统的稳态设计	（25）
2.3.1  负载分析	（25）
2.3.2  驱动方式和传动速比确定	（25）
2.3.3  执行元件选择	（27）
2.3.4  驱动电路设计	（29）
2.3.5  反馈测量回路设计	（35）
2.4  机电伺服控制系统的动态设计	（36）
2.4.1  固有环节传递函数确定	（36）
2.4.2  期望特性设计	（38）
2.4.3  电流回路设计	（42）
2.4.4  速度回路设计	（44）
2.4.5  位置回路设计	（45）
2.4.6  机械结构因素对动态性能的影响	（46）
2.4.7  提高机电伺服控制系统性能的其他方法	（50）
2.5  全数字机电伺服控制系统	（55）
2.5.1  全数字机电伺服控制系统分布式、模块化硬件架构	（55）
2.5.2  全数字机电伺服控制系统软件算法	（62）
2.6  机电伺服控制系统的多电动机协同控制	（70）
2.6.1  多电动机柔性协同控制结构	（71）
2.6.2  多电动机刚性协同控制结构	（75）
第3章  机电伺服传动结构	（77）
3.1  传动元件	（77）
3.1.1  轴承	（77）
3.1.2  丝杠副	（86）
3.1.3  齿轮副	（90）
3.1.4  减速机	（95）
3.2  天线座	（99）
3.2.1  系统需求分析和天线座结构形式	（100）
3.2.2  负载分析与计算	（108）
3.2.3  轴系支承设计	（114）
3.2.4  动力传动装置设计	（125）
3.2.5  测角装置	（132）
3.2.6  安全与保护	（137）
3.2.7  轴系误差分析与综合	（141）
3.3  特种传动结构	（145）
3.3.1  综合交连	（145）
3.3.2  电动倒竖机构	（159）
3.3.3  电动调平机构	（160）
3.3.4  方舱行走机构	（161）
第4章  电液控制系统和传动机构	（165）
4.1  概述	（165）
4.2   电液控制系统元件	（166）
4.2.1  放大器	（166）
4.2.2  反馈测量元件	（168）
4.2.3  液压动力元件	（169）
4.2.4  液压控制元件	（171）
4.2.5  液压执行元件	（176）
4.2.6  液压辅助元件	（178）
4.3  电液控制系统的稳态分析与设计	（180）
4.3.1  负载特性分析	（180）
4.3.2  执行器及控制方式选择	（182）
4.3.3  反馈测量元件的选择	（184）
4.3.4  液压泵源设计	（185）
4.4  电液控制系统的动态分析与设计	（186）
4.4.1  固有环节传递函数	（186）
4.4.2  系统稳定性分析	（190）
4.4.3  提高电液位置伺服控制系统性能的方法	（192）
4.5  典型传动机构	（194）
4.5.1  展收机构	（194）
4.5.2  调平机构	（200）
4.5.3  高架机构	（201）
4.5.4  并联调姿机构	（206）
4.5.5  锁定机构	（209）
4.5.6  升降维修平台	（212）
第5章  伺服传动系统仿真	（215）
5.1  伺服控制仿真	（215）
5.1.1  需求分析	（215）
5.1.2  仿真模型建立	（216）
5.1.3  仿真结果分析	（224）
5.2  机构运动学与动力学仿真	（227）
5.2.1  需求分析	（227）
5.2.2  仿真模型建立	（228）
5.2.3  仿真结果分析	（232）
5.3  液压系统仿真	（233）
5.3.1  需求分析	（233）
5.3.2  仿真模型建立	（233）
5.3.3  仿真结果分析	（238）
5.4  机电液联合仿真	（239）
5.4.1  需求分析	（239）
5.4.2  仿真模型联立	（240）
5.4.3  仿真结果分析	（242）
5.4.4  半物理仿真测试	（242）
第6章  伺服传动系统测试	（244）
6.1  元件测试	（244）
6.1.1  测角元件精度测试	（244）
6.1.2  电动机性能测试	（246）
6.1.3  柱塞泵性能测试	（248）
6.1.4  比例流量阀性能测试	（250）
6.1.5  液压缸性能测试	（250）
6.2  传动系统精度测试	（252）
6.2.1  结构轴系精度测试	（252）
6.2.2  传动误差和回差测试	（255）
6.2.3  系统测角精度测试	（256）
6.3  伺服性能测试	（257）
6.3.1  位置稳态精度测试	（258）
6.3.2  速度稳态精度测试	（259）
6.3.3  加速度测试	（260）
6.3.4  带宽测试	（260）
6.3.5  阶跃响应测试	（261）
第7章  电子设备机电伺服传动系统设计案例	（262）
7.1  概述	（262）
7.2  需求分析	（263）
7.2.1  功能与指标要求	（263）
7.2.2  系统分析与座架选型	（264）
7.3  系统组成与工作原理	（264）
7.3.1  系统组成	（264）
7.3.2  工作原理	（265）
7.4  负载分析与综合	（267）
7.4.1  风负载	（267）
7.4.2  惯性负载	（268）
7.4.3  摩擦负载	（268）
7.4.4  驱动负载综合	（269）
7.5  伺服控制系统设计	（269）
7.5.1  控制回路设计	（269）
7.5.2  伺服驱动器与电动机选型	（271）
7.5.3  伺服主控单元设计	（273）
7.5.4  联锁控制单元设计	（274）
7.5.5  系统谐振频率分析与校核	（274）
7.6  天线座结构设计	（275）
7.6.1  方位部分设计	（275）
7.6.2  俯仰部分设计	（282）
7.7  综合交连设计	（286）
7.7.1  方位水铰链设计	（287）
7.7.2  俯仰水铰链设计	（289）
7.7.3  方位汇流环设计	（290）
7.8  系统刚/强度仿真分析与精度校核	（291）
7.8.1  刚/强度仿真分析与校核	（292）
7.8.2  结构谐振频率分析	（294）
7.8.3  轴系精度分析与校核	（295）
第8章  电子设备电液伺服传动系统设计案例	（297）
8.1  概述	（297）
8.2  需求分析	（298）
8.2.1  功能与指标要求	（298）
8.2.2  驱动方式选型	（298）
8.3  系统组成及工作原理	（299）
8.3.1  系统组成	（299）
8.3.2  工作原理	（299）
8.4  伺服控制系统设计	（301）
8.4.1  液压控制系统设计	（301）
8.4.2  自动调平控制	（302）
8.4.3  天线举升同步控制	（303）
8.4.4  天线展收平稳控制	（304）
8.5  架撤机构设计	（306）
8.5.1  调平系统设计	（306）
8.5.2  阵面倒竖机构设计	（310）
8.5.3  边块展收机构设计	（313）
8.5.4  锁紧机构设计	（314）
8.5.5  液压泵站设计	（316）
8.6  机电液系统联合仿真及测试	（317）
8.6.1  机电液系统联合仿真	（317）
8.6.2  半物理实时仿真测试	（319）
参考文献	（321）

序一
电子机械工程的主要任务，是进行面向电性能的高精度、高性能电子设备机械结构的分析、设计与制造技术的研究。
高精度、高性能机电装备主要包括两大类，一类是以机械性能为主，将电性能服务于机械性能的机械装备，如大型数控机床、加工中心等加工装备，兵器、化工、船舶、农业、能源、挖掘与掘进等行业重大装备，主要是运用电子信息技术来改造、武装、提升传统装备的机械性能；另一类则是以电性能为主，将机械性能服务于电性能的电子设备，如雷达、通信、计算机、导航、天线、射电望远镜等，其机械结构主要用于保障特定电磁性能的实现，被广泛应用于陆、海、空、天等各个关键领域，发挥着不可替代的作用。
这两大类装备从广义上讲，都属于机电结合的复杂装备，是机电一体化技术重点应用的典型代表。机电一体化（Mechatronics）概念最早出现于20世纪70年代，其英文是由Mechanical与Electronics两个词掐头去尾组合而成的，体现了机械与电磁（气）技术不断融合的内涵演进和发展趋势。
伴随着机电一体化技术的发展，相继出现了诸如机电液一体化、流-固-气一体化、生物-电磁一体化等概念，虽然说法不同，但实质上基本还是机电一体化，目的都是研究不同物理系统或物理场之间的相互关系，从而提高系统或设备的整体性能。
高性能复杂机电装备的机电一体化设计从出现至今，经历了机电分离、机电综合、机电耦合三个不同的发展阶段。在高精度与高性能电子设备的发展上，这三个阶段的特征体现得尤为突出。
机电分离（Independent between Mechanical and Electronic Technologies，IMET）指电子设备的机械结构设计与电磁设计分别、独立进行，但彼此间的信息可实现在（离）线传递、共享，即机械结构、电磁性能的设计仍在各自领域独立进行，但在边界或域内可实现信息的共享与有效传递，例如，反射面天线的结构与电磁、有源相控阵天线的温度-结构-电磁等。
需要指出的是，这种信息共享在设计层面上仍是机电分离的，故传统分离设计固有的诸多问题依然存在，最明显的有两个，一是电磁设计人员提出的机械结构设计与制造精度的要求往往太高，时常超出机械的制造加工能力，而机械结构技术人员因缺乏对电磁知识的深入了解，只能千方百计地设法加以满足，带有一定的盲目性；二是工程实际中，有时又出现奇怪的现象，即机械结构技术人员费了九牛二虎之力制造出的产品，电性能又时常出现不满足的情况。相反，机械制造精度未达要求的产品，电性能又是满足的。原因何在，知其然而不知其所以然。因此，实际工程中，只好采用备份的办法，最后由电调来决定选用哪一个。这两个问题的长期存在，导致电子设备研制的性能低、周期长、成本高、结构笨重，成为长期制约电子设备性能提升并影响未来装备研制的一个悬而未决的瓶颈。
随着电子设备工作频段的不断提高，机电之间的相互影响越发明显，机电分离设计遇到的问题越多，矛盾也就越突出。于是，机电综合（Syntheses between Mechanical and Electronic Technologies，SMET）的设计概念出现了。机电综合是机电一体化的较高层次，它比机电分离前进了一大步，主要表现在两个方面：一是建立了同时考虑机械、电磁、热等性能的综合设计的数学模型，可在设计阶段有效消除某些缺陷与不足；二是建立了一体化的有限元分析模型，如在高密度机箱机柜分析中，可共享相同几何空间的电磁、结构、温度的数值分析模型。
自21世纪初以来，电子设备呈现出高频段、高增益，高密度、小型化，快响应、高指向精度的发展趋势，机电之间呈现出强耦合的特征。于是，机电一体化迈入了机电耦合（Coupling between Mechanical and Electronic Technologies，CMET）的新阶段。
机电耦合是比机电综合更进一步的理性机电一体化，其特点主要包括两点：一是分析中不仅可实现机械、电磁、热的自动数值分析与仿真，且可保证不同学科间信息传递的完备性、准确性与可靠性；二是从数学上导出了基于物理量耦合的多物理系统的耦合理论模型，探明了非线性机械结构因素对电性能的影响机理。设计是基于该耦合理论模型和影响机理的机电耦合设计。可见，机电耦合与机电综合相比具有本质不同，有了质的飞跃。
从机电分离、机电综合到机电耦合，机电一体化技术发生了鲜明的代际演进，为高端装备设计与制造提供了理论与关键技术支撑，而复杂装备制造的未来发展，将不断趋于多物理场、多介质、多尺度、多元素的深度融合，机械、电气、电子、电磁、光学、热学等融于一体，巨系统、极端化、精密化将成为新的趋势，以机电耦合为突破口的设计与制造技术也将迎来更大的挑战。
随着新一代电子技术、信息技术、材料、工艺等学科的快速发展，未来高性能电子设备的发展将呈现出两个极端特征，一是极端频率，如对潜通信等极低频段，天基微波辐射天线等应用的毫米波、亚毫米波乃至太赫兹频段；二是极端环境，如南北极、深空与临近空间、深海等。这些都对机电耦合理论与技术提出了前所未有的挑战，亟待开展如下研究。
第一，电子设备涉及的电磁场、结构位移场、温度场的场耦合理论模型（Electro- Mechanical Coupling，EMC）的建立。因为它们之间存在着相互影响、相互制约的关系，需探明它们之间的影响与耦合机理，廓清多场、多域、多尺度、多介质的耦合机制，多工况、多因素的影响机理，并表示为定量的数学关系式。
第二，电子设备存在的非线性机械结构因素（结构参数、制造精度）与材料参数，对电子设备的电磁性能影响明显，亟待探索这些非线性因素对电性能的影响规律，进而发现它们对电性能的影响机理（Influence Mechanism，IM）。
第三，机电耦合设计方法。需综合分析耦合理论模型与影响机理的特点，进而提出电子设备机电耦合设计的理论与方法，这其中将伴随机、电、热各自分析模型及它们之间的数值分析网格间的滑移等难点的处理。
第四，耦合度的数学表征与度量。理论上讲，任何耦合都是可度量的。为深入探索多物理系统间的耦合，有必要建立一种通用的度量耦合的数学表征方法，进而导出可定量计算耦合度的数学表达式。
第五，应用中的深度融合。机电耦合技术不仅存在于几乎所有的机电装备中，而且在高端装备制造转型升级中扮演着十分重要的角色，是迭代发展的共性关键技术，在装备制造业的发展中有诸多重大行业应用，进而贯穿于我国工业化与信息化的整个历史进程中。随着新科技革命与产业变革的到来，尤其是随着以数字化、网络化、智能化为标志的智能制造的出现，工业与信息技术的深度融合势在必行，而该融合在理论与技术层面上则体现为机电耦合理论的应用，由此可见其意义深远、前景广阔。
本丛书是在上次编写的基础上，做进一步修改、完善、补充而成的，共15本，较上次有了增加。同时，本丛书的另一特点是，将作者及其团队在电子设备领域的科研与工程实践经验、体会，有机地融入书中，以期对工程技术人员能有较高的参考与借鉴意义。
希望本丛书的出版将对我国电子机械工程技术的发展起到积极的促进作用。

段宝岩
中国工程院院士
中国电子学会电子机械工程分会主任委员
2021年10月

序二
随着科学技术的进步，信息化、智能化、一体化技术呈现飞速发展的态势，电子设备在国计民生中越来越发挥着举足轻重的作用，应用范围不断拓展，并覆盖海、陆、空、天多个关键领域。伺服传动系统是复杂电子设备中专业涉及面最广的子系统，牵涉到机械工程、流体传动、计算机技术、自动控制和电气工程等多种专业技术，是典型的多专业融合的机电液一体化系统。从雷达等电子设备出现以来，伺服传动系统都占据着极为重要的地位，经过近百年的不断发展，雷达等电子设备逐步向高功率、高精度、高机动、高可靠、高集成等方向发展，对伺服传动系统的功能和性能要求也越来越高。
该书作者所在研究机构作为我国最早从事雷达等复杂电子设备研究的单位，专业齐全、技术实力雄厚，通过七十多年技术研究，完成了数百套尖端雷达等复杂电子设备的研制，包括我国第一部精密测控雷达、第一部大型相控阵远程预警雷达、第一部机载有源相控阵预警雷达、第一部舰载多功能相控阵雷达。通过这些重大装备的成功研制，促进了复杂电子设备伺服传动技术的快速发展。该书主要作者具有扎实的理论基础，对复杂电子设备的伺服传动系统的设计、制造具有深刻的认识，积累了丰富的经验，特别是在伺服传动系统的数字化架构、机械结构、运动机构、液压驱动、仿真与测试等方面形成了一套行之有效的设计原则和规范性成果。
该书是作者在多年工作过程中对复杂电子设备伺服传动系统大量技术成果的整理和汇集，也是对丰富工程经验和心得的总结。全书主要介绍了机电伺服系统、机电伺服传动结构、电液控制与传动机构、伺服传动系统的仿真和测试技术，同时结合典型案例详细阐述了伺服控制仿真、机构运动学与动力学仿真、机电液联合仿真及半实物仿真的相关技术。
我在阅读了该书的书稿之后，深感该书是一本针对性强、多专业融合度好、理论与实践结合度高的书籍，在国内伺服传动相关书籍中具有鲜明的特色。希望本书对从事雷达等复杂电子设备的伺服传动系统设计人员，以及关心该项技术的其他人员有所帮助。
奔德
中国工程院院士         
2021年10月   

前言
伺服传动系统是雷达等复杂电子设备的重要组成部分。从雷达等电子设备出现至今，伺服传动系统都伴随着装备的发展而不断前进。经过近百年的发展，雷达等电子设备不断向着高功率、高精度、高机动、高可靠等方向发展，对伺服传动系统的功能和性能要求也越来越高。伺服传动作为电子设备中专业面最广的子系统，涉及机械结构、机械传动、运动机构、液压、电机、精密仪器、电力电子、数字和模拟电路、计算机软硬件、控制论、仿真和测试等多种专业技术，对设计者的知识面要求高，技术难度较大。
国内介绍伺服传动系统中所涉及的各种专业技术的书籍很多，但全面介绍系统，特别是雷达等电子设备伺服系统的书籍却较少。编者所在研究机构作为国内最早从事雷达装备研制的单位，通过70多年、数百项尖端雷达等电子设备的研制，在雷达伺服传动系统技术方面积累了丰富的工程经验，取得了大量的技术成果。希望通过本书，对从事雷达等电子设备的伺服传动系统设计或总体设计人员，以及关心该项技术的其他人员有所帮助。
全书共分8章。在第1章绪论中，介绍电子设备伺服传动系统的基本概念，给出伺服传动系统的分类与特点、发展与趋势。第2章针对机电伺服控制系统，给出系统的功能与指标、组成和原理；在此基础上，介绍机电伺服控制反馈元件、执行元件、功率驱动模块、变换元件等常用元器件，阐述机电伺服控制系统稳态和动态设计与性能分析方法；进一步，给出全数字机电伺服控制系统硬件架构、组成和软件算法，并进行性能分析；最后从柔性协同控制、刚性协同控制两个角度介绍机电伺服控制系统的多电动机协同控制。第3章主要针对机电伺服传动结构，首先介绍机电伺服传动结构的功能与指标、原理与组成，从轴承、丝杠副、齿轮副、减速机四个方面介绍机电伺服传动元件；阐述天线座的主要结构形式、组成、工作原理和载荷，从座架、轴系支承、动力传动、数据传动、综合交连、安全联锁等方面详细介绍天线座设计，并对轴系误差进行分析与综合；最后介绍机电伺服传动结构中的各类特种传动结构。第4章主要围绕电液控制系统和传动机构，首先介绍电液控制系统的功能与指标、原理与组成，从放大器、反馈测量元件、液压动力元件、液压控制元件、液压执行元件、液压辅助元件等方面介绍电液控制系统元件；同时，还阐述了电液控制系统稳态和动态分析与设计，并进行了性能分析；最后介绍与之匹配的展收机构、并联调姿机构等典型传动机构。第5章和第6章介绍伺服传动系统在设计、调试等研制过程中用到的仿真和测试技术；结合案例，详细阐述伺服传动系统中的伺服控制仿真、机构运动学与动力学仿真、液压系统仿真、机电液联合仿真等；针对测试过程，从元件、传动系统、伺服稳态性能、动态性能等维度介绍伺服传动指标和性能的测试方法。第7章和第8章介绍典型案例与应用，以某雷达的伺服传动系统为例，分别从设计指标要求、系统组成与原理设计、伺服控制系统设计、传动结构设计、仿真分析等几个方面给出机电伺服传动系统和电液伺服传动系统的设计案例。
本书由南京电子技术研究所首席专家胡长明研究员担任主编，陈诚、魏忠良、娄华威担任副主编。第1章由胡长明、陈诚编写，第2章由陈诚、王闻喆、荣海编写，第3章由魏忠良、杜春江、瞿亦峰编写，第4章由娄华威、刘统、刘滋锦编写，第5章由刘统、彭国朋、王闻喆编写，第6章由朱德明、杜春江、袁海平编写，第7章由高嵩、施志勇、张幼安编写，第8章由胡长明、黄建国、黄海涛编写。全书由陈诚整理定稿，胡长明研究员对全书进行了审定。
本书引用了国内外许多专家、学者的著作及论文等文献，在此表示衷心的感谢。在本书编写过程中，南京电子技术研究所的梅启元、刘军、陈亚峰、汤锋、卜德岭等同志参与了大量的资料收集、插图绘制和文字录入工作；本书的内容也借鉴了该专业多名设计人员的技术经验和理论成果；同时，浙江大学金波教授详细、认真地审阅了全部书稿，提出了许多宝贵的建议，在此一并表示衷心的感谢！
由于编者在工作领域、专业领域上的局限及水平上的限制，本书难免有一些不足之处，恳请各位伺服传动专家、电子设备总体专家、行业人士及读者朋友不吝提出批评和建议。

胡长明    
江苏·南京  
2021年2月18日

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