控制器件（第三版）

聚焦核心器件 涵盖传统与新型

内容体系清晰 编排逻辑合理

知识实用导向 适配多类需求

配套仿真实验 强化教学效果

再版前言

当前，我国自动化领域大国重器迅猛发展，人工智能日益普及，核心技术自主化与产业升级导向需求对自动化工程师提出了更高的要求，如复合知识储备、系统集成创新、技术演进洞察、全球视野前瞻等。在此背景下，本书第三版着力重构知识内容、拓展信息维度、强化创新运用、开发新形态教学资源，对全书进行了较大幅度的修订。

本书按照理论基础、执行机构、传感器和选型应用四大部分来进行内容组织。第1章为理论基础内容，介绍了自动控制系统与控制器件及电磁学理论基础知识；第2～6章为执行机构内容，按照由简单到复杂的顺序分别介绍直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机、无刷直流电动机等常用控制电动机，然后简要介绍其他执行器件；第7～9章为传感器内容，主要介绍运动控制系统中的传感器，按被测物理量来分类，分别介绍各类典型传感器、机械量传感器、空间位姿传感器等；第10章为选型应用内容，结合几个典型自动控制系统来介绍控制器件的选型与应用方法。

自动控制系统所涉及的知识领域相当广泛，是多学科知识的综合应用。作为自动控制系统的组成部分，控制器件也是如此。在介绍每一种控制器件时，一般遵循原理、结构、特性、选用的顺序。以原理分析为中心，简要介绍其结构特点，重点分析其工作特性，并结合实例说明其选择和使用方法。

在执行机构部分，除了介绍基本工作原理、典型结构、特性、技术指标之外，还介绍了常用的控制方法，并分析了这些方法的特点和应用场合。通过对控制方法的研究能够进一步明确执行机构特性参数和性能指标的含义，为选择适当的执行机构服务。

在传感器部分，除了介绍传感器的原理、结构之外，还介绍了传感器的典型信号处理方法、使用注意事项、典型误差补偿方法等。

为了提高教学效率和学习效果，本书开发了以无人车自动驾驶系统为应用对象的虚拟仿真实验，主要解决本课程实践环节中面临的电动机原理抽象难以理解、电动机驱动强电实验危险系数高、电动机控制实验占地面积大难以大规模开展教学等难题。实验以典型物流无人车和无人战车为对象，设计了城市园区物流、方舱医院巡游、城市巷战侦察三种典型应用场景，基于互联网云平台和教育部实验空间部署，从结构原理、关键元部件到系统级应用三个层次，对场景、车辆、传感器、执行器的物理特征、行为性能进行了虚拟构建。虚拟仿真实验融合了三维建模、虚拟仿真、动力学/电路/磁场仿真、自动控制等技术，参照数字孪生理念，确保实验的真实性和教学价值。为方便读者使用，本书将各类电机的原理、结构、特性及驱动虚拟仿真拆分成若干小模块分散布置在各对应章节，以二维码的形式嵌入。各模块相对独立，便于教师根据本校教学要求进行灵活选择。

除了虚拟仿真，作为新形态教材，本书还配备了丰富的多媒体教学资源和思政案例资源，读者用手机扫描书中相应位置的二维码即可访问感兴趣的内容。

本书由鲁兴举任主编，王志强、曾杰伟、吴文启任副主编，龙志强任主审，具体编写分工如下：第1章1.1节、第4～5章、第9章、第10章10.1～10.4节由鲁兴举编写，第1章1.2节、第2章和第3章、第6章6.1～6.3节、第10章10.5节由王志强编写，第6章6.4节和6.5节、第7章和第8章由曾杰伟编写，鲁兴举对全书进行了统稿，吴文启教授对全书进行了编校，龙志强教授对全书进行了审定。在本书编写过程中，编者借鉴了参考文献中的思想和图例，谨对相关作者表示衷心的感谢。此外，还要感谢邹逢兴教授对本书的指导与帮助，感谢出版社相关同志为本书付出的辛勤

劳动。

尽管本书淀积了多年的教学经验，但由于编者水平有限，书中难免存在不当之处，恳请读者批评指正。

编者

2025年8月于长沙

再版前言
第1章 绪论1
1.1自动控制系统与控制器件 1
1.1.1　自动控制系统的概念 1
1.1.2　控制器件的概念 2
1.1.3　控制器件的分类 2
1.1.4　控制器件在自动控制系统中的应用 3
1.1.5　控制器件的发展 6
1.2 电磁学理论基础6
1.2.1　磁场与磁路 6
1.2.2　电磁感应定律 9
1.2.3　电磁力与电磁转矩 9
1.2.4　常用铁磁性物质及其特性 10
思考题与习题 13
第2章 直流伺服电动机及其控制14
2.1 直流电机概述14
2.1.1 直流电机的发展历史14
2.1.2 电机的概念与分类15
2.1.3 电机的作用15
2.2 直流电动机的结构和原理16
2.2.1 直流伺服电动机的基本结构16
2.2.2 直流伺服电动机的工作原理18
2.2.3 直流伺服电动机的励磁磁场和电枢磁场19
2.3 直流伺服电动机的稳态特性19
2.3.1 稳态四大关系式20
2.3.2 机械特性22
2.3.3 调节特性24
2.4 直流伺服电动机的动态特性26
2.4.1 动态四大关系式26
2.4.2 直流伺服电动机的过渡过程26
2.4.3 直流伺服电动机的传递函数30
2.5 直流伺服电动机的控制方法31
2.5.1 直流伺服电动机的起动31
2.5.2 直流伺服电动机的励磁方式32
2.5.3 直流伺服电动机的调速33
2.5.4 直流伺服电动机的停转33
2.5.5 影响直流伺服电动机性能的因素34
2.6 直流伺服电动机的性能指标与选型35
2.6.1 直流伺服电动机的性能指标35
2.6.2  直流伺服电动机的选型37
2.7 直流电机的应用39
本章小结41
思考题与习题42
第3章 交流伺服电动机及其控制44
3.1 交流电动机的结构和原理44
3.1.1　交流电动机的发展历史44
3.1.2　交流电动机的结构45
3.1.3　交流电动机的工作原理46
3.1.4　交流电动机的分类及特点46
3.2 交流电动机的旋转磁场分析47
3.2.1　单相绕组的脉振磁动势47
3.2.2　两相绕组的圆形旋转磁场49
3.2.3　圆形旋转磁场下的运行分析53
3.2.4　椭圆形旋转磁场下的运行分析58
3.3 交流伺服电动机的控制61
3.3.1　转速控制与调节特性61
3.3.2　相位控制方法63
3.3.3　起动和停转控制65
3.3.4　变频调速技术65
3.4 交流伺服电动机的性能指标69
3.5 交流电动机的应用70
本章小结71
思考题与习题72
第4章 步进电动机及其控制74
4.1 步进电动机概述74
4.1.1　步进电动机的发展历程 74
4.1.2　步进电动机的分类75
4.1.3　步进电动机的特点75
4.2 步进电动机的结构和原理76
4.2.1　步进电动机的结构76
4.2.2　步进电动机的工作原理和运行参数77
4.3 步进电动机的运行特性80
4.3.1　步进电动机的力矩特性80
4.3.2　单步运行和静态特性83
4.3.3　连续运行和动态特性85
4.3.4　步进电动机的传递函数86
4.3.5　步进电动机的起动和调速87
4.4 步进电动机的控制88
4.4.1　步进电动机控制系统88
4.4.2　步进电动机的起动与调速90
4.4.3　步进电动机的细分驱动92
4.5 步进电动机的主要性能指标与选型93
4.6 步进电动机的应用93
本章小结95
思考题与习题95
第5章 无刷直流电动机及其控制96
5.1 无刷直流电动机概述96
5.2 无刷直流电动机的结构与原理97
5.2.1　无刷直流电动机的基本结构97
5.2.2　无刷直流电动机的工作原理100
5.3 无刷直流电动机的特性与控制104
5.3.1　反电动势104
5.3.2　电磁转矩105
5.3.3　无刷直流电动机的数学模型105
5.3.4　机械特性及调速控制106
5.4 无刷直流电动机的应用107
5.4.1　电动汽车的组成与工作原理107
5.4.2　无刷直流电动机控制系统109
本章小结110
思考题与习题110
第6章 其他执行器件及其控制111
6.1 同步电机111
6.1.1　同步电机概述111
6.1.2　同步电机的结构112
6.1.3　同步电机的基本原理112
6.2 直线电机113
6.2.1　直线直流电机114
6.2.2　直线感应电机115
6.2.3　直线步进电机116
6.2.4　直线同步电机118
6.3 磁悬浮飞轮119
6.3.1　磁悬浮飞轮概述119
6.3.2　磁悬浮飞轮的基本结构120
6.4 液压驱动系统122
6.4.1　液压驱动系统的原理122
6.4.2　液压控制相关器件124
6.4.3　液压伺服控制系统132
6.5 气动执行器件135
6.6 电磁铁136
本章小结137
思考题与习题138
第7章 传感器基本原理139
7.1 传感器概述139
7.1.1　传感器的定义及分类139
7.1.2　传感器的特性与性能指标141
7.2 典型传感器的原理148
7.2.1　电阻式传感器148
7.2.2　电感式传感器154
7.2.3　电容式传感器159
7.2.4　压电式传感器162
7.2.5　磁电式传感器164
本章小结168
思考题与习题169
第8章 机械量传感器170
8.1 位移传感器170
8.1.1　电阻式位移传感器170
8.1.2　感应式位移传感器173
8.1.3　光电式位移传感器183
8.2 速度传感器189
8.2.1　线速度测量传感器189
8.2.2　直流测速发电机191
8.2.3　光电式速度传感器195
8.3 加速度传感器196
8.3.1　电阻应变式加速度传感器196
8.3.2　压电式加速度传感器196
8.3.3　挠性加速度计197
8.3.4　硅微加速度计198
8.4 力和转矩传感器199
8.4.1　力—位移转换装置199
8.4.2　压频式传感器201
8.4.3　转矩传感器202
8.5 机械振动传感器203
8.5.1　振动信号的分类203
8.5.2　振动的测量方法204
8.5.3　振动传感器204
本章小结207
思考题与习题207
第9章 空间位姿传感器208
9.1 惯性测量传感器208
9.1.1　加速度计209
9.1.2　陀螺仪209
9.1.3　惯性导航系统221
9.2 磁强计224
9.3 卫星导航定位系统224
9.3.1　卫星导航定位系统概述224
9.3.2　卫星导航定位原理225
9.3.3　RTK高精度定位技术226
9.4 天文观测敏感器227
9.4.1　红外地球敏感器228
9.4.2　太阳敏感器228
9.4.3　星敏感器229
9.5 视觉传感器231
9.5.1　视觉测量技术231
9.5.2　相机成像理论233
9.5.3　双目视觉与三维重建235
9.6 多传感器姿态确定系统237
本章小结238
思考题与习题238
第10章 典型装备中的控制器件及应用239
10.1 控制器件的选型与应用原则239
10.1.1　执行机构的选用239
10.1.2　传感器的选用240
10.2 无人驾驶汽车中的控制器件及应用241
10.2.1　无人驾驶汽车概述241
10.2.2　无人驾驶汽车的关键技术241
10.2.3　激光雷达243
10.2.4　SLAM自主定位导航244
10.3 水下机器人中的控制器件及应用246
10.3.1　水下机器人概述246
10.3.2　水下机器人系统的组成246
10.3.3　水下机器人位姿检测247
10.3.4　水下机器人运动控制系统250
10.4 精确制导武器中的控制器件及应用251
10.4.1　精确制导武器概述251
10.4.2　目标测量装置（导引头）253
10.4.3　电动舵机系统257
10.4.4　姿态控制系统259
10.5 磁悬浮列车中的控制器件及应用261
10.5.1　磁浮列车概述261
10.5.2　悬浮电磁铁263
10.5.3　直线电机263
10.5.4　悬浮传感器266
10.5.5　定位测速传感器267
本章小结269
思考题与习题269
参考文献270

1. 人工智能与信息素养 [主编 吴华光 房宜汕]
2. 智能多媒体技术 [主编 陈萍 刘灵傲]
3. 云南异龙湖无机碳埋藏的近现代模式研究 [李平 著]
4. 基于多模态的人脸图像生成算法与关键技术 [罗晓东 著]
5. 应用型地方本科高校教师专业发展研究 [吴丽 著]
6. 高维数据特征筛选策略与算法 [陈念 著]
7. 外贸英语从入门到实战：53种实战场景秒变谈判高手 [张乐 廖熠 编著]
8. Linux系统管理（openEuler版） [主编 许兴鹍 黄君羡]
9. Python程序设计项目化教程（基于AI） [主编 禹晨 赵金考 王宏斌]
10. 可编程控制器应用项目化教程（三菱FX系列） [主编 姜文雍 李东方]
11. 全球英文电影精选：看电影学英文 [张颖　编译]
12. Python程序设计与网络爬虫 [黄海辉 彭新东]
13. 实体店创业分析实务 [燕艳 陈文冬 编著]
14. 中国对欧盟OFDI效率与风险的多维度实证评估—基于KK-SFA模型与PCF-聚类分析方法 [黄健钧 著]
15. 生成式人工智能素养 [邱有春　罗明全]
16. 系统分析师考试32小时通关（适配第2版考纲） [薛大龙　邹月平]
17. Ansys DesignModeler参数化特征建模与仿真指南 [蔡宜时 编著]
18. 浙江省山区县共富工坊建设的现状与对策 [徐骏骅 著]
19. 计算机网络技术及应用（第3版） [主编 刘永华 陈瑶]
20. 北京冬奥精神传承和发展研究 [顾春雨 邹新娴 等 著]
21. 汽车营销理论与实务（第三版） [主编 赵培全]
22. 人工智能基础与实践 [禹晨 赵金考 王宏斌 李璐]
23. 系统分析师5天修炼（适配第2版考纲） [施游 邹汉斌 黄少年 主编]
24. 线性代数（第二版） [惠小健 贺艳琴 夏斌湖]
25. 微控制器系统设计（STM32版） [主编 杨凌]
26. 机械原理与机械设计作业集（第二版） [主编 田亚平 李爱姣]
27. 高剑父的现代国画研究 [陈水兴　著]
28. 用英语介绍中国江河湖海 [庞彦杰　李静　赵娟　刘桂杰　编]
29. 大学生创新创业基础（第2版） [主编 姜国权 方邡]
30. 丰碑——河北水利电力学院校史（1950—2024） [河北水利电力学院校史编写委员会]