共8章，系统介绍了运动起源——驱动器，实现基础——机构，分析基础——运动学和动力学建模，控制系统的组成——运动感知、控制算法、控制器硬件和软件等方面的知识，主要内容有典型的仿生运动机构，坐标系变换、运动学、动力学建模，常用运动测量传感器及定位、避障，常规和智能驱动器，电动机电磁原理、伺服电动机模型及控制策略，运动控制系统建模，常用运动控制算法，运动控制器硬件和软件及操作系统、现场总线技术。
本书可作为自动化、电气工程及其自动化、电子信息工程、测控技术和机械设计制造及其自动化等工科专业的本科生及研究生教材，也适合作为从事运动控制相关工作的工程技术人员的参考读物。

（1）逻辑关系清晰。按照完整的运动控制系统设计的思路展开。
（2）知识点完整。涵盖运动机构、驱动器、感知和控制器等运动体必需部分，注重多种专业知识的交叉融合，文字通俗易懂。
（3）理论与实际应用案例相结合。以机器人、数控机床和交流伺服为典型运动控制对象进行案例分析。
（4）难易结合。既可用于本科生教学，部分深入研究内容也可用于研究生教学。
（5）本书给出了专业术语英文描述、物理量单位和综合性习题，便于读者学习。

第1章绪论

1．1运动的基本概念与分类

1．2运动控制系统的组成和分类

1．3运动控制系统的特点

1．4小结

习题

第2章运动机构分析

2．1运动副

2．2基座固定的运动

2．3无基座的运动

2．3．1轮式移动机构

2．3．2履带式移动机构

2．3．3混合越障式移动机构

2．3．4腿式移动机构

2．3．5地面爬行机构

2．3．6爬壁机构

2．4水下运动

2．5空中运动

2．6随动运动机构

2．7传动机构

2．7．1减速方式

2．7．2滚珠丝杠

2．7．3链条和皮带传动

2．7．4多连杆机构

2．7．5制动器

2．7．6联轴器

2．7．7齿轮传动

2．8运动机构的串并联与开闭链

2．8．1开闭链机构

2．8．2串联机构

2．8．3并联机构

2．9人体的骨骼运动

2．10运动机构的性能

2．11量子运动

2．12小结

习题

第3章运动学和动力学建模

3．1基本术语

3．1．1完整约束系统和非完整约束系统

3．1．2保守力和非保守力

3．1．3广义坐标

3．1．4刚体与柔性体

3．1．5直角坐标系

3．1．6圆柱坐标系

3．1．7球坐标系

3．1．8固定坐标系与移动坐标系

3．2运动学建模

3．2．1坐标变换

3．2．2DH参数

3．2．3速度运动学分析

3．3动力学建模

3．4倒立摆案例

3．4．1牛顿欧拉法倒立摆动力学建模

3．4．2拉格朗日方程法倒立摆动力学建模

3．4．3拉格朗日函数法倒立摆动力学建模

3．5小结

习题

第4章运动测量传感器

4．1测量系统的基本组成

4．2常用的运动测量传感器

4．2．1旋转变压器

4．2．2光电传感器

4．2．3脉冲编码器

4．2．4光栅

4．2．5感应同步器

4．2．6磁尺

4．2．7限位开关

4．2．8电位计

4．3运动的避障感知

4．3．1红外测距传感器

4．3．2超声波传感器

4．3．3激光传感器

4．3．4图像传感器

4．4全局运动检测

4．4．1GPS定位

4．4．2陀螺仪

4．4．3电子罗盘

4．5高精密位移检测案例

4．6小结

习题

第5章致动方式与驱动器

5．1驱动器的发展

5．2致动方式

5．3伺服电动机驱动器

5．3．1直流伺服电动机结构

5．3．2交流伺服电动机结构

5．3．3直线电动机结构

5．3．4电动机的驱动放大器

5．4液压驱动器

5．5气压驱动器

5．6压电陶瓷驱动器

5．7形状记忆合金驱动器

5．7．1形状记忆合金驱动器模型

5．7．2形状记忆合金丝的应用

5．8人工肌肉驱动器

5．8．1气动肌肉

5．8．2电活性聚合物人工肌肉

5．8．3离子交换膜金属复合材料

5．8．4导电聚合物人工肌肉

5．8．5碳纳米管人工肌肉

5．9小结

习题

第6章伺服电动机模型及控制策略

6．1伺服电动机控制系统概述

6．2直流伺服电动机的稳态特性和控制方式

6．2．1直流伺服电动机的工作原理

6．2．2直流伺服电动机的稳态特性

6．2．3直流伺服电动机的调速方法

6.2.4调速系统性能指标

6.2.5转速闭环直流调速系统

6．2．6直流伺服电动机的应用案例

6．3旋转磁场与交流伺服电动机控制方式

6．3．1旋转磁场理论

6．3．2幅值控制方式

6．3．3相位控制方式

6．3．4幅值相位控制方式

6．3．5双相控制方式

6．4交流异步伺服电动机

6．4．1交流和直流伺服电动机的性能比较

6．4．2交流异步伺服电动机的应用案例

6．5永磁同步伺服电动机及其控制

6．5．1永磁同步伺服电动机工作原理

6．5．2永磁同步伺服电动机的数学模型

6．5．3永磁同步伺服电动机的控制策略概述

6．5．4永磁同步伺服电动机的矢量控制策略分析

6．6伺服电动机发展趋势

6．7小结

习题

第7章运动控制算法设计与仿真

7.1运动控制对象建模

7.1.1运动控制对象的传递函数

7.1.2运动控制对象的状态空间

7.1.3运动负载分析

7.2常用伺服控制策略

7.2.1运动伺服控制策略概述

7.2.2伺服运动控制系统的采样周期

7.2.3采样周期T对运动控制器的影响

7.3PID控制算法剖析

7.4滑模变结构控制基本原理

7.5永磁同步伺服电动机的控制系统设计

7.5.1PMSM伺服系统设计

7.5.2PMSM驱动控制设计

7.5.3PMSM控制算法设计算例

7.5.4PMSM控制系统仿真分析

7.6复杂运动控制算法案例分析

7.6.1双腿行走机器人的迭代学习运动控制

7.6.2仿生膝关节的力矩控制算法案例分析

7.6.3倒立摆的最优控制器设计

7.7运动控制系统的虚拟样机控制联合仿真

7.8小结

习题

第8章运动控制器的硬件和软件

8.1运动控制器类型

8.1.1单片机

8.1.2PLC

8.1.3ARM

8.1.4DSP

8.1.5专用控制器

8.1.6工控机

8.1.7通用程序设计语言

8.1.8专用程序设计数控编程

8.2基于微处理器的直流伺服电动机驱动器案例

8.3基于DSP的全数字直流伺服电动机控制系统案例

8.4数控机床运动控制系统

8.4.1数控机床的结构

8.4.2数控机床的分类

8.4.3数控机床的工作原理

8.4.4数控机床的坐标系

8.4.5数控插补概述

8.4.6逐点比较插补方法

8.4.7数控机床NC编程

8.5工业机器人控制器案例

8.5.1Staubli工业机器人编程软件

8.5.2工业机器人控制器硬件

8.6操作系统

8.7现场总线

8.7.1现场总线的发展现状

8.7.2CAN总线简介

8.7.3基于CAN总线的分布式跟随运动控制系统

8.8小结

习题

参考文献

随着科技发展，人类已将太空探测器送上了火星和月球，数控加工中心、自动导引小车和工业机器人组成了智能制造工厂，无人驾驶汽车在高速公路上可自主超车，微纳米机器人可执行转基因操作和辅助外科手术等，所有这一切都需要精确的运动控制，且运动智能也是人工智能的重要组成部分。运动控制是控制学科与工程学科的重点发展方向，对于国民经济、社会进步和国家安全有着重要的意义。过程控制(process control)和运动控制(motion control)是自动控制领域的两大分支。过程控制重点针对离散的过程量。运动控制主要针对位移、速度、加速度及姿态等，动态性和实时性强。已有运动控制相关著作偏重于电动机原理和交流伺服电动机的控制，不能涵盖完整的运动控制系统知识点。对运动进行建模和控制系统分析设计，可加深对控制理论的理解，更好地指导工程实践。本书秉承启发式、探究式、研讨式的理念编著，力求引发读者的独立思考。
一、 本书内容
本书对运动的起源——驱动器，实现的基础——机构，分析的数学基础——运动学和动力学建模，控制系统的组成——运动感知、控制算法、控制器硬件和软件等方面进行了系统的论述。本书包括理论分析和实践案例，力求使读者能够系统地了解和掌握运动的基础知识和机构，熟悉快速连续变化运动的建模和控制方法，理解伺服电动机的工作原理和控制策略，掌握运动控制系统的数学分析和设计方法，巩固和加强控制理论专业课程和应用技术知识，培养理论联系实际的工程实践能力。
本书共分为8章。
第1章讲解了完整的广义运动概念，运动基础包含的内容以及完整的运动控制系统的组成，使读者对运动有完整的初步认识。
第2章给出了运动机构的类型、组成、典型机构、仿生机构等，为运动建模提供基础。
第3章阐述了运动体坐标系统，运动学建模，动力学建模，模型的正、逆问题求解等，为运动的数学分析提供方法。
第4章分析了常用的位移、角度、速度、角速度、位置及高精密测量传感器，为闭环反馈控制中传感器的选择提供基础。
第5章讲解了致动方式、常用的驱动器及智能材料驱动器等，便于开阔读者的运动控制系统设计视野。
第6章建立了伺服电动机模型，分析了电动机的特性，并结合电磁场理论，阐述了电动机运动控制策略，为运动控制算法设计提出了思路。
第7章详细给出了运动控制对象的建模方法，讲解了常用的运动控制算法，并给出了设计案例和虚拟样机仿真技术，为控制算法设计和有效性验证提供了方法。
第8章阐明了实际工程中运动控制器开发所涉及的通用和专用硬件、软件及操作系统，广域控制系统中的现场总线技术等，为工程应用提供参考。
二、 本书特色
 逻辑关系清晰。按照完整的运动控制系统设计的思路展开。
 知识点完整。涵盖运动机构、驱动器、感知和控制器等运动体必需部分，注重多种专业知识的交叉融合，文字通俗易懂。
 理论与实际应用案例相结合。以机器人、数控机床和交流伺服为典型运动控制对象进行案例分析。
 基础与领域前沿相融合。紧跟运动控制相关领域科技最新前沿。
 难易结合。既可用于本科生教学，部分深入研究内容也可用于研究生教学。
 针对工程专业教育教学，注重学生所学知识的融会贯通。
 本书给出了专业术语英文描述、物理量单位和综合性习题，便于读者学习。
三、 配套资源
 配套的教学课件（PPT）、习题答案、教学大纲等资料，请到清华大学出版社官方网站本书页面下载。
 提供的微课视频，请扫描书中相应位置二维码观看。配套视频与书中内容并非完全一致，仅用于读者学习参考。
注意： 请先刮开封四的刮刮卡，扫描刮开的二维码进行注册，之后再扫描书中的二维码，获取相关资料。
四、 读者对象
本书读者对象为自动化、电气工程及其自动化、测控技术与仪器、机械电子工程和机械设计制造及其自动化等工科专业学生。
五、 致谢
本书第4章由许宏、金英连编写，第6章由王斌锐、李璟、周坤编写，其他各章由王斌锐编写。感谢东北大学的徐心和教授引领我进入了机器人及其运动控制研究领域。本书部分内容来源于徐教授所授课程。感谢孙冠群老师以及严冬明、方水光、程苗、鲍春雷、冯伟博、陈杭升、任杰、干苏、高国庆等研究生对本书编写工作所提供的帮助。本书得到了国家级“具有计量、质量、标准化特色的机电类专业复合型创新人才培养实验区”“自动化国家特色专业建设”“自动化卓越工程师教育培养计划”项目的支持。
由于运动控制系统发展迅速，相关的理论和方法不断更新，因此，本书很难全面、翔实地讲解运动控制系统的知识。由于编者的学识水平有限，书中难免存在不妥当之处，恳请广大读者及同行专家不吝赐教，以使本书不断发展和完善。
2020年3月于中国计量大学