# 《运动控制系统》期末复习重点文档（强化版）

整理依据：参考教材《运动建模与控制系统设计》、老师考点分析图、第六章 PPT。
使用方式：先背“可背诵答案”和表格，再看解释；解答题按“定义—分类—原理—特点—应用—总结”写。

# 0. 考试重点总览

章节	重要程度	复习重点	常见题型
第一章绪论	中	系统组成、开环/闭环、运动控制特点	简答、比较
第二章运动机构基础	高	运动副、自由度、虚约束、传动机构	简答、计算
第三章建模基础	高	坐标变换、D-H 参数、正/逆运动学、动力学	简答、推导
第四章传感器系统	中高	内部/外部/全局传感器、编码器、IMU、GPS、视觉	简答、分类、应用
第五章执行器基础	中	电动/液压/气动执行器、优缺点	简答、比较
第六章伺服电机	很高	直流伺服、PWM、交流伺服、PMSM、矢量控制	简答、公式解释、比较
第七章控制算法	高	传递函数、PID、性能指标、稳定性、仿真	简答、参数分析
第八章控制器与软件系统	中高	PLC、DSP、工控机、现场总线、软件流程	简答、系统设计

# 第一章绪论

# 1.1 运动控制系统概念

运动控制系统是用于控制机械对象的位置、速度、加速度、力或力矩，使其按照期望轨迹或规律运动的自动控制系统。

可背诵：

运动控制系统由被控对象、执行器、传感器、控制器和软件系统组成，通过对位置、速度、加速度或力矩等运动量进行检测和调节，实现机械系统的精确运动控制。

# 1.2 运动控制系统组成

组成部分	作用	典型例子	考试关键词
被控对象	被控制的机械本体	机械臂、小车、机床、机器人	控制目标
执行器	将控制信号变成机械运动	电机、液压缸、气缸	能量转换
传感器	检测位置、速度、力、姿态等	编码器、IMU、视觉、力传感器	反馈
控制器	根据误差计算控制量	PLC、DSP、单片机、工控机	控制算法
软件系统	实现采集、控制、通信、保护	运动控制程序、驱动程序	实时性

记忆口诀：

对象是被控的，执行器负责动，传感器负责测，控制器负责算，软件负责管。

# 1.3 开环控制与闭环控制

项目	开环控制	闭环控制
是否反馈	无反馈	有反馈
控制依据	预先给定输入	给定值与反馈值的偏差
精度	较低	较高
抗干扰能力	差	强
结构	简单	较复杂
成本	低	较高
稳定性问题	通常较少	可能振荡或不稳定

可背诵：

开环控制不检测输出，不能根据误差自动修正；闭环控制通过传感器获得反馈量，与给定值比较形成偏差，再由控制器调节执行器，因此精度高、抗干扰能力强，但结构复杂并存在稳定性问题。

# 1.4 运动控制系统特点

特点	含义	解释
控制精度高	位置、速度误差小	机床、机器人要求重复定位精度高
响应速度快	启动、制动、跟踪迅速	控制周期短，动态响应快
动态性能要求高	超调小、调节时间短	不能大幅振荡或长时间不稳定
多变量耦合	多轴之间相互影响	机械臂多个关节同时运动
实时性强	必须在规定时间内完成计算	控制延迟过大会导致振荡

# 第二章运动机构基础

# 2.1 运动副

运动副：两个构件直接接触并能产生确定相对运动的连接。

运动副	符号	允许运动	自由度
转动副	R	绕固定轴转动	1
移动副	P	沿固定方向移动	1
圆柱副	C	一转一移	2
球面副	S	三个方向转动	3
平面副	E	平面内两移一转	3

可背诵：

运动副决定机构中构件之间的相对运动形式，是机构自由度分析和运动学建模的基础。

# 2.2 运动机构分类

分类依据	类型	特点	例子
基座是否固定	基座固定机构	运动空间受固定基座限制	工业机械臂、机床
基座是否固定	无基座机构	整体可移动，运动空间大	轮式机器人、无人机、AUV
运动环境	陆动机构	地面运动	轮式、履带、足式机器人
运动环境	水下机构	水中运动，阻力大	AUV、水下机器人
运动环境	空中机构	空中飞行，姿态控制要求高	无人机

# 2.3 自由度计算

平面机构常用自由度公式：

$F = 3n - 2P_l - P_h$

其中：

符号	含义
$F$	机构自由度
$n$	活动构件数，不含机架
$P_l$	低副数量，如转动副、移动副
$P_h$	高副数量，如凸轮副、齿轮副

计算步骤：

判断机构是平面机构还是空间机构；
数活动构件数 $n$ ；
数低副 $P_l$ 和高副 $P_h$ ；
代入公式；
检查复合铰链、局部自由度、虚约束；
修正后得到实际自由度。

# 2.4 虚约束

虚约束：机构中存在但对实际运动不起独立限制作用的重复约束。

常见情况	说明
轨迹重合	多个约束限制同一运动方向
对称结构	对称杆件形成重复限制
平行导轨	多个导轨提供相同约束
特殊几何尺寸	特定长度或位置关系导致约束重复

可背诵：

虚约束不改变机构实际运动能力，但会影响自由度计算。计算自由度时应识别并去除虚约束，否则会使自由度结果偏小。

# 2.5 减速器和传动机构

# 常见传动方式

传动方式	优点	缺点	应用
齿轮传动	传动比准确、承载能力强	制造安装要求高	减速器、机器人关节
带传动	平稳、吸振、可远距离传动	易打滑	轻载传动
链传动	不打滑、效率较高	有冲击和噪声	中距离传动
丝杠传动	旋转变直线，精度高	速度受限	直线模组、机床
连杆机构	结构简单、承载强	运动规律受结构限制	曲柄滑块
凸轮机构	可实现复杂运动规律	磨损较大	自动机械
谐波减速器	传动比大、体积小	刚度相对低	轻型机械臂
RV 减速器	刚度高、抗冲击强	结构复杂、成本高	工业机器人

# 减速器作用

可背诵：

减速器用于降低输出转速、增大输出转矩、改善电机与负载的匹配关系，并提高系统运动平稳性和控制精度。

核心公式：

$P = T\omega$

理想情况下功率近似不变：

$T_1\omega_1 \approx T_2\omega_2$

所以：

$\omega \downarrow \Rightarrow T \uparrow$

解释：转速降低后，在功率近似不变的情况下，输出转矩会增大，因此小电机可以通过减速器驱动较大负载。

# 第三章运动学和动力学建模

# 3.1 坐标变换

运动学建模的核心是：用坐标系描述刚体的位置和姿态，用变换矩阵描述不同坐标系之间的关系。

齐次变换矩阵：

$T = \begin{bmatrix} R & p \\ 0 & 1 \end{bmatrix}$

其中， $R$ 为旋转矩阵， $p$ 为平移向量。

# 3.2 RPY 角

名称	含义	旋转轴
Roll	横滚角	绕 $x$ 轴
Pitch	俯仰角	绕 $y$ 轴
Yaw	偏航角	绕 $z$ 轴

可背诵：

RPY 角用三个角度描述刚体姿态，分别表示绕 $x$ 、 $y$ 、 $z$ 轴的滚转、俯仰和偏航。

# 3.3 D-H 参数法

参数	含义	记忆
$a_i$	连杆长度	两个 $z$ 轴之间沿 $x_i$ 的距离
$\alpha_i$	连杆扭角	两个 $z$ 轴之间绕 $x_i$ 的夹角
$d_i$	连杆偏距	沿 $z_{i-1}$ 的距离
$\theta_i$	关节角	绕 $z_{i-1}$ 的角度

标准 D-H 变换：

$A_i = Rot_z(\theta_i) Trans_z(d_i) Trans_x(a_i) Rot_x(\alpha_i)$

可背诵：

D-H 参数法用四个参数描述相邻连杆坐标系之间的位姿关系，通过逐级连乘可以得到末端执行器相对于基坐标系的位姿。

# 3.4 正运动学与逆运动学

项目	正运动学	逆运动学
已知	关节变量	末端位姿
求解	末端位姿	关节变量
难度	较简单	较难
结果	通常唯一	可能多解、无解、奇异解

可背诵：

正运动学是由关节空间到笛卡尔空间的映射；逆运动学是由末端位姿反求关节变量的过程，是机器人控制和路径规划的重要基础。

# 3.5 动力学建模

动力学研究力、力矩与运动之间的关系。常用关节空间动力学方程：

$M(q)\ddot{q} + C(q,\dot{q})\dot{q} + G(q) = \tau$

项	含义
$M(q)\ddot{q}$	惯性项
$C(q,\dot{q})\dot{q}$	科氏力和离心力项
$G(q)$	重力项
$\tau$	关节驱动力矩

常见建模方法：

方法	特点
牛顿-欧拉法	物理意义清楚，适合递推计算
拉格朗日法	推导系统化，适合理论分析
Kane 法	适合复杂多体系统

# 第四章传感器系统（强化）

# 4.1 传感器在运动控制系统中的作用

传感器是闭环控制的“眼睛”和“神经”，用于把机械运动和外部环境转换成控制器可处理的电信号。

可背诵：

传感器用于检测运动系统的自身状态和外部环境信息，为控制器提供反馈量。内部传感器检测位置、速度、加速度等自身状态；外部传感器检测障碍物、目标和环境；全局传感器用于定位、导航和轨迹信息获取。

# 4.2 传感器分类总表

分类	检测对象	常见传感器	典型用途
内部传感器	系统自身运动状态	编码器、电位计、测速发电机、IMU、电流传感器	位置、角度、速度、姿态反馈
外部传感器	周围环境和目标	超声波、红外、视觉、激光雷达、触觉传感器	避障、测距、识别、环境感知
全局传感器	全局位置和方向	GPS、北斗、罗盘、陀螺仪组合导航	定位、导航、轨迹记录

记忆：

内部测自己，外部测环境，全局测位置。

# 4.3 内部传感器

# 4.3.1 编码器

作用：检测角位移、角速度、直线位移或速度，是伺服系统中最常见的位置反馈元件。

类型	原理	优点	缺点	适用
增量式编码器	输出脉冲，靠计数得到位移	结构简单、成本低、分辨率高	断电后位置丢失，需要回零	电机转速、相对位移
绝对式编码器	每个位置有唯一编码	断电不丢失绝对位置	成本较高、结构复杂	机器人关节、精密伺服

常见计算：

若编码器每转脉冲数为 $N$ ，累计脉冲数为 $m$ ，则转角为：

$\theta = \frac{2\pi m}{N}$

若采样时间为 $\Delta t$ ，脉冲增量为 $\Delta m$ ，则角速度近似为：

$\omega = \frac{2\pi \Delta m}{N\Delta t}$

考试解释：

增量式编码器适合速度测量和相对位置测量，但断电后必须重新找零；绝对式编码器可直接输出当前位置，适合对安全性和可靠性要求较高的关节伺服系统。

# 4.3.2 电位计

作用：把角位移或直线位移转换为电压信号。

基本关系可写为：

$U_o = k\theta$

或：

$U_o = kx$

优点	缺点
结构简单、成本低、信号直观	有接触磨损、寿命有限、精度受噪声影响

可背诵：

电位计属于接触式位移传感器，输出电压与位移近似成比例，适合低成本位置检测，但不适合高速、高精度和长寿命场合。

# 4.3.3 测速发电机

作用：检测转速，输出电压与转速成正比。

$U_o = K_n n$

或：

$U_o = K_\omega \omega$

特点：

输出信号连续；
常用于速度反馈；
低速时输出信号较小，容易受噪声影响。

# 4.3.4 IMU、陀螺仪和加速度计

元件	检测量	说明
陀螺仪	角速度	积分可得角度，但会漂移
加速度计	加速度	可估计倾角，但受振动影响
IMU	角速度 + 加速度，有时含磁力计	用于姿态估计、导航和运动状态检测

姿态角估计的基本思想：

$\theta(t) = \theta(0) + \int_0^t \omega(\tau)d\tau$

问题：积分会产生累计误差，即漂移。

可背诵：

IMU 响应快、短时间动态性能好，但存在积分漂移，通常需要与编码器、视觉、GPS 或磁力计进行融合。

# 4.4 外部传感器

传感器	作用	优点	缺点	典型应用
超声波传感器	测距、避障	成本低、结构简单	精度较低，易受反射面影响	小车避障
红外传感器	近距离检测、循迹	响应快、成本低	易受环境光影响	循迹、接近检测
视觉传感器	识别、定位、测量	信息量大	算法复杂、受光照影响	机器人视觉
激光雷达	测距、建图、定位	精度高、范围大	成本较高	SLAM、避障
触觉/力觉传感器	接触、压力、力矩	可实现柔顺控制	安装和标定复杂	机械臂抓取

# 4.5 视觉传感器重点

视觉传感器常用于目标识别、位置测量、环境感知和轨迹跟踪。

视觉系统基本流程：

图像采集 → 图像预处理 → 特征提取 → 目标识别/定位 → 输出控制信息

优点：

获取信息丰富；
可同时检测颜色、形状、位置、姿态；
适合智能机器人和自动化检测。

缺点：

对光照敏感；
算法复杂；
实时性要求高；
标定误差会影响测量精度。

可背诵：

视觉传感器信息量大，适合目标识别和定位，但对光照、遮挡、相机标定和算法实时性要求较高。

# 4.6 全局传感器

# GPS/北斗

作用：提供室外全局位置。

优点：

可获得全局经纬度；
适合室外移动机器人和车辆导航。

缺点：

室内不可用或效果差；
高楼、树木遮挡会降低精度；
更新频率相对有限。

# 罗盘/磁力计

作用：测量航向角。
缺点：容易受电机、电流和金属环境干扰。

# 组合导航

常见融合方式：

$\text{GPS/北斗} + \text{IMU} + \text{编码器}$

解释：GPS 提供长期不漂移的位置，IMU 提供短时高频姿态和加速度，编码器提供轮速和里程信息。融合后可提高定位连续性和可靠性。

# 4.7 第四章高频解答题

# 题1：内部传感器、外部传感器和全局传感器有什么区别？

答：

内部传感器检测机器人自身状态，如位置、速度、加速度和关节角度，常见有编码器、电位计、IMU 等；外部传感器检测外部环境和目标，如超声波、红外、视觉、激光雷达等；全局传感器用于获取系统在全局坐标系中的位置和方向，如 GPS、北斗、罗盘等。

# 题2：比较增量式编码器和绝对式编码器。

项目	增量式编码器	绝对式编码器
输出	脉冲增量	绝对位置编码
断电影响	位置丢失	位置不丢失
成本	较低	较高
是否需回零	通常需要	通常不需要
应用	速度测量、相对位移	精密关节、安全要求高场合

# 题3：为什么 IMU 常与其他传感器融合？

答：

IMU 能快速测量角速度和加速度，短时间动态响应好，但通过积分获得姿态和位置时会产生累计误差，即漂移。因此通常与 GPS、编码器、视觉或磁力计融合，利用其他传感器修正长期误差，提高定位和姿态估计精度。

# 第五章执行器基础

# 5.1 执行器分类

分类	典型执行器	特点
传统执行器	蒸汽机、内燃机	功率大，控制复杂
主流执行器	电动机、液压执行器、气压执行器	工业应用广泛
新型执行器	压电、人工肌肉、形状记忆合金	体积小，有特殊性能

# 5.2 三类主流执行器比较

类型	优点	缺点	适用场景
电动执行器	控制方便、精度高、响应快、清洁	过载能力和功率密度不如液压	机器人、数控机床
液压执行器	输出力大、功率密度高、承载强	易泄漏、维护复杂、噪声大	工程机械、重载设备
气压执行器	结构简单、成本低、动作快	压缩性强、精度低、负载能力有限	夹具、轻载自动化

可背诵：

电动执行器适合高精度伺服控制，液压执行器适合大功率重载场合，气压执行器适合低成本、快速动作和轻载场合。

# 第六章伺服电动机模型及控制策略（强化）

# 6.1 伺服系统与伺服电动机

伺服系统是能按照输入指令准确跟踪位置、速度或力矩的自动控制系统。伺服电动机是伺服系统中的执行元件。

可背诵：

伺服电动机能够把控制电压或控制电流转换为转轴角速度、角位移或转矩输出，在运动控制系统中作为执行元件，实现位置、速度和力矩的精确控制。

# 6.2 直流伺服电动机

# 6.2.1 结构与控制对象

直流伺服电动机通常包含：

部分	作用
励磁部分	产生主磁通 $\Phi$ ，可以由励磁绕组或永磁体提供
电枢绕组	通入电枢电流 $I_a$ ，产生电磁转矩
电刷和换向器	实现电流换向，使转矩方向保持一致

注意：

并不是所有直流电机都有励磁绕组。永磁直流电机用永磁体提供磁场；他励、并励、串励和复励直流电机有励磁绕组。

# 6.2.2 两种调速控制方式

控制方式	改变量	转速影响	特点	伺服中是否常用
电枢控制	改变电枢电压 $U_a$	$U_a$ 增大，转速升高	线性好、响应快	常用
励磁控制	改变磁通 $\Phi$	弱磁时转速升高	响应慢，受饱和和换向限制	少用

可背诵：

直流伺服电动机常采用电枢控制，因为电枢控制机械特性和调节特性线性好，特性曲线近似平行，控制回路电感小，响应速度快；励磁控制受磁饱和、换向火花和励磁绕组电感影响，动态响应较差。

# 6.2.3 直流伺服电机三大公式

电枢回路电压平衡：

$U_a = E_a + I_aR_a$

感应电动势：

$E_a = C_e\Phi n = K_en$

电磁转矩：

$T = C_t\Phi I_a = K_tI_a$

符号含义：

符号	含义
$U_a$	电枢电压，也就是主要控制电压
$E_a$	感应电动势/反电动势
$I_a$	电枢电流
$R_a$	电枢电阻
$\Phi$	主磁通
$n$	转速
$T$	电磁转矩
$K_e$	电动势系数
$K_t$	转矩系数

理解逻辑：

$U_a \uparrow \Rightarrow I_a \uparrow \Rightarrow T \uparrow \Rightarrow n \uparrow \Rightarrow E_a \uparrow$

解释：输入电压升高后，电枢电流增大，电磁转矩增大，电机加速；转速升高后反电动势增大，反过来限制电流，最终达到新的稳态。

# 6.2.4 转速公式与机械特性

由电压平衡式可得：

$I_a = \frac{U_a - E_a}{R_a}$

又因为：

$E_a = K_en, \quad T = K_tI_a$

所以直流伺服电机转速可写成近似形式：

$n = \frac{U_a}{K_e} - \frac{R_a}{K_eK_t}T$

结论：

条件	关系	含义
$U_a $ 恒定	$n$ 随 $T$ 增大而下降	机械特性
$T$ 恒定	$n$ 随 $U_a$ 增大而增大	调节特性
$\Phi$ 恒定	$E_a \propto n$ ， $T \propto I_a$	线性好

可背诵：

直流伺服电动机的机械特性是控制电压恒定时转速与转矩的关系；调节特性是电磁转矩恒定时转速与控制电压的关系。直流伺服电机机械特性和调节特性近似线性，因此容易控制。

# 6.2.5 PWM 调速

PWM 调速：通过周期性开关控制电枢电压，改变占空比来改变平均电压，从而调节转速。

占空比：

$D = \frac{t_{on}}{T_s}$

平均电压：

$\bar{U}_a = D U_d$

其中 $T_s$ 为 PWM 周期， $t_{on}$ 为导通时间， $U_d$ 为直流电源电压。

占空比变化	平均电压	转速趋势
$D$ 增大	$\bar{U}_a$ 增大	转速升高
$D$ 减小	$\bar{U}_a$ 减小	转速降低

PWM 改变占空比的方法：

定宽调频法；
调宽调频法；
定频调宽法。

工程中常用：定频调宽法。

# 6.2.6 单极性 PWM 与双极性 PWM

项目	单极性 PWM	双极性 PWM
电枢电压变化	$0 \leftrightarrow +U$ 或 $0 \leftrightarrow -U$	$+U \leftrightarrow -U$
一个周期内电压极性	通常只有一种有效极性	正负交替
电流脉动	较小	较大
控制特点	稍复杂，运行平稳	控制简单，响应快
适用	对平稳性要求高	对快速性要求高

可背诵：

可逆 PWM 系统可实现直流伺服电机正反转，分为单极性和双极性。单极性电流脉动较小，双极性控制简单但电枢电压在一个周期内正负变化。

# 6.3 交流异步伺服电动机

# 6.3.1 旋转磁场

交流伺服电机的基本思想：定子绕组通入交流电，产生旋转磁场，转子在旋转磁场作用下产生电磁转矩。

可背诵：

交流伺服电动机依靠空间相差一定角度的绕组和时间上相差一定相位的交流电流产生旋转磁场，从而驱动转子旋转。

# 6.3.2 交流伺服控制方式

控制方式	控制量	特点
幅值控制	改变控制电压幅值	简单常见
相位控制	改变控制电压相位	可调转矩方向和大小
幅值-相位控制	同时改变幅值和相位	控制灵活
双相控制	两相绕组都参与控制	性能较好，控制较复杂

高频背诵：

交流异步伺服电动机的控制方式有幅值控制、相位控制、幅值-相位控制和双相控制。

# 6.3.3 交流异步伺服和直流伺服比较

项目	直流伺服电机	交流异步伺服电机
机械特性	近似线性	非线性
调节特性	近似线性	非线性
控制难度	较低	较高
结构	有电刷和换向器	无电刷，结构简单
维护	较麻烦	维护方便
可靠性	受电刷影响	较高
动态响应	快	受参数影响较大

可背诵：

直流伺服电动机控制性能好、线性度高、响应快，但有电刷和换向器；交流异步伺服电动机结构简单、可靠性高、维护方便，但机械特性和调节特性为非线性，控制较复杂。

# 6.4 永磁同步伺服电动机 PMSM

# 6.4.1 PMSM 工作原理

PMSM 的转子由永磁体产生磁场，定子三相绕组产生旋转磁场。稳定运行时，转子磁场与定子旋转磁场同步旋转。

同步转速：

$n_s = \frac{60f}{p}$

其中 $f$ 为电源频率， $p$ 为极对数。

特点：

优点	说明
效率高	转子无励磁铜耗
功率密度高	同体积下输出能力强
动态性能好	适合高性能伺服
维护方便	无电刷和换向器

难点：启动和控制较复杂，需要位置检测或无位置估算配合控制算法。

# 6.4.2 PMSM 建模假设

常见假设：

忽略铁芯饱和；
不计涡流和磁滞损耗；
定子和转子磁动势按正弦分布；
忽略空间谐波；
各相绕组对称；
转子无阻尼绕组。

可背诵：

PMSM 建模通常在磁路线性、绕组对称、气隙磁场正弦分布和忽略损耗的条件下进行，以便得到适合控制分析的数学模型。

# 6.4.3 三个坐标系

坐标系	含义	特点
$A-B-C$	三相静止坐标系	与实际三相绕组对应，物理直观但方程耦合
$\alpha-\beta$	两相静止坐标系	将三相系统等效为两相系统
$d-q$	两相旋转坐标系	随转子同步旋转，便于解耦控制

记忆：

Clarke 变换：三相变两相；Park 变换：静止变旋转。

即：

$A-B-C \rightarrow \alpha-\beta \rightarrow d-q$

解释：

坐标变换的目的，是把三相交流量变成旋转坐标系中的近似直流量，使电机控制从“控制交流波形”转化为“控制 $d$ 、 $q$ 轴电流”。

# 6.4.4 PMSM 电磁转矩与 $d-q$ 电流

一般情况下，PMSM 的电磁转矩与 $d$ 轴、 $q$ 轴电流有关。常见形式可写成：

$T_e = \frac{3}{2}p\left[\psi_f i_q + (L_d - L_q)i_d i_q\right]$

其中：

符号	含义
$T_e$	电磁转矩
$p$	极对数
$\psi_f$	永磁体磁链
$i_d$	直轴电流
$i_q$	交轴电流
$L_d,L_q$	$d$ 、 $q$ 轴电感

若表贴式 PMSM 近似满足 $L_d \approx L_q$ ，则：

$T_e \approx \frac{3}{2}p\psi_f i_q$

结论：

在表贴式 PMSM 中，电磁转矩主要由 $i_q$ 决定，因此控制 $i_q$ 就相当于控制转矩。

# 6.4.5 PMSM 控制策略

控制策略	思想	优点	缺点
恒压频比控制	保持 $U/f$ 近似恒定	简单	动态性能一般
矢量控制	控制 $i_d$ 和 $i_q$ ，实现磁链与转矩解耦	精度高、动态好	算法复杂，需要坐标变换
直接转矩控制	直接控制转矩和磁链	响应快	转矩脉动较大

# 6.4.6 矢量控制

核心思想：

将定子电流分解为 $i_d$ 和 $i_q$ ，其中 $i_d$ 控制磁链， $i_q$ 控制电磁转矩，从而实现类似直流电机的解耦控制。

控制结构通常包括：

速度给定 → 速度环 → q轴电流给定 → 电流环 → 坐标反变换 → PWM逆变器 → PMSM
                         ↑                              ↓
                      d轴电流给定                    编码器/电流采样反馈

常见磁场定向方式：

转子磁链定向控制；
定子磁链定向控制；
气隙磁链定向控制；
阻尼磁链定向控制。

# 6.4.7 $i_d=0$ 控制

$i_d=0$ 控制是 PMSM 中较简单、常见的电流控制方法。

含义：

$i_d = 0$

此时转矩主要由 $i_q$ 决定：

$T_e \approx \frac{3}{2}p\psi_f i_q$

优点：

控制简单；
电流分配直观；
适合表贴式 PMSM；
易实现速度环和电流环双闭环控制。

可背诵：

$i_d=0$ 控制使直轴电流为零，只通过交轴电流 $i_q$ 控制电磁转矩。该方法简单、实用，常用于表贴式永磁同步伺服电机。

# 6.4.8 双闭环控制

PMSM 和直流伺服系统常采用速度环 + 电流环结构。

环	作用	特点
外环：速度环	根据速度误差产生电流给定	响应较慢，决定速度跟踪性能
内环：电流环	快速跟踪电流给定	响应快，直接影响转矩控制

可背诵：

双闭环控制中，速度环根据速度误差产生电流给定值，电流环快速调节电机电流，从而控制电磁转矩，实现对转速和位置的精确控制。

# 6.5 第六章高频解答题

# 题1：为什么直流伺服电机常用电枢控制？

答：

电枢控制通过改变电枢电压调节转速，具有机械特性和调节特性线性好、特性曲线近似平行、控制回路电感小、响应速度快、空载损耗小等优点。励磁控制受磁饱和、换向火花、机械强度和励磁绕组电感影响，动态响应较差，所以直流伺服系统多采用电枢控制。

# 题2：写出直流伺服电机三大公式并说明意义。

答：

$U_a = E_a + I_aR_a$

表示电枢电压由反电动势和电枢电阻压降组成。

$E_a = K_en$

表示磁通恒定时，反电动势与转速成正比。

$T = K_tI_a$

表示磁通恒定时，电磁转矩与电枢电流成正比。

# 题3：比较直流伺服电机和交流异步伺服电机。

答：

直流伺服电机机械特性和调节特性线性好，控制简单、响应快，但有电刷和换向器，维护较复杂；交流异步伺服电机结构简单、可靠性高、维护方便，但机械特性和调节特性为非线性，控制较复杂。

# 题4：简述 PMSM 矢量控制思想。

答：

PMSM 矢量控制通过 Clarke 和 Park 坐标变换，将三相交流量转换到 $d-q$ 旋转坐标系中，把定子电流分解为 $i_d$ 和 $i_q$ 。其中 $i_d$ 控制磁链， $i_q$ 控制转矩，从而实现磁链和转矩的解耦控制，提高系统动态性能和控制精度。

# 第七章控制算法与仿真（强化）

# 7.1 控制算法在运动控制中的作用

控制算法的任务是根据给定值与反馈值之间的误差，计算执行器需要输出的控制量。

可背诵：

控制算法是运动控制系统的核心，它根据误差信号产生控制指令，使系统输出按照给定位置、速度或力矩要求运动，并满足稳定性、快速性和准确性要求。

# 7.2 传递函数

定义：

在线性定常系统零初始条件下，输出量拉氏变换与输入量拉氏变换之比称为传递函数。

公式：

$G(s)=\frac{Y(s)}{U(s)}$

特点：

只与系统结构和参数有关；
与输入信号形式无关；
只适用于线性定常系统；
可用于分析稳定性、快速性和准确性；
可以用方框图表示系统连接关系。

常见环节：

环节	传递函数	特点
比例环节	$K$	输入放大 $K$ 倍
积分环节	$\frac{1}{s}$	对输入累积，能消除静差
微分环节	$s$	反映变化趋势
一阶惯性环节	$\frac{K}{Ts+1}$	有滞后，响应逐渐变化
二阶环节	$\frac{\omega_n^2}{s^2+2\zeta\omega_n s+\omega_n^2}$	可能出现超调和振荡

# 7.3 典型闭环控制结构

控制策略	通俗理解	主要解决什么问题
PID 控制	根据误差大小、误差累积、误差变化趋势来调节	最常用的基础控制
最优控制	在某个性能指标下找“最优动作”	又快又省、路径最优、能耗最小
自适应控制	系统参数变了，控制器自己跟着调	参数不确定、负载变化
解耦控制	把互相影响的变量分开控制	多关节、多变量耦合
重力补偿	提前把重力影响抵消掉	机械臂、升降机构抗重力
惯量与摩擦补偿	提前补偿转动惯量和摩擦力	高速、高精度伺服
传感器位置补偿	用外部传感器进一步修正位置误差	提高末端定位精度
前馈控制	根据指令提前给控制量	减小速度、加速度跟踪误差
超前控制	预测下一步误差，提前修正	减小滞后，提高动态响应
记忆-修正控制	记住上一次误差，下次提前改	重复运动场合
递阶控制	分层控制：底层执行，高层决策	复杂大型系统
模糊控制	用人的经验规则控制	模型不清楚、非线性系统
神经控制	用神经网络学习复杂关系	非线性、难建模系统
鲁棒控制	即使参数不准也能保证性能	不确定性、扰动较强
滑模控制	让系统沿设定“滑模面”运动	抗干扰强，但有抖振
学习控制	反复操作中越做越准	重复轨迹控制

闭环控制基本关系：

给定值 r(t) → 比较器 → 误差 e(t) → 控制器 → 执行器/对象 → 输出 y(t)
                 ↑                                      ↓
                 └──────────── 传感器反馈 ─────────────┘

误差：

$e(t)=r(t)-y(t)$

闭环传递函数常见形式：

$\Phi(s)=\frac{G(s)}{1+G(s)H(s)}$

其中 $G(s)$ 是前向通道传递函数， $H(s)$ 是反馈通道传递函数。

解释：闭环系统通过反馈不断修正误差，优点是抗干扰能力强、精度高；缺点是参数设计不好时可能振荡甚至不稳定。

# 7.4 控制性能指标

指标	含义	趋势理解
稳定性	系统能否收敛到稳定状态	最基本要求
快速性	响应速度快慢	上升时间、调节时间越短越快
准确性	稳态误差大小	稳态误差越小越准确
超调量	峰值超过稳态值的程度	超调越大，振荡越明显
调节时间	输出进入允许误差带并保持的时间	越短越好
振荡次数	达到稳定前上下波动次数	越少越好

常见指标公式：

超调量：

$\sigma\% = \frac{y_{max}-y(\infty)}{y(\infty)}\times 100\%$

稳态误差：

$e_{ss}=\lim_{t\to\infty}e(t)$

或用终值定理：

$e_{ss}=\lim_{s\to 0}sE(s)$

# 7.5 PID 控制

PID 控制规律：

$u(t)=K_p e(t)+K_i\int e(t)dt+K_d\frac{de(t)}{dt}$

也可写为：

$u(t)=K_p\left[e(t)+\frac{1}{T_i}\int e(t)dt+T_d\frac{de(t)}{dt}\right]$

其中：

$K_i=\frac{K_p}{T_i}, \quad K_d=K_pT_d$

# 7.5.1 P、I、D 三环节作用

环节	作用	优点	缺点	记忆
P 比例	根据当前误差调节	响应快、结构简单	不能完全消除静差，过大易振荡	P 管现在
I 积分	对历史误差累积	消除稳态误差	可能使超调增大，响应变慢	I 管过去
D 微分	根据误差变化率提前调节	抑制超调，改善动态性能	对噪声敏感	D 管未来

可背诵：

比例环节提高响应速度，但可能存在稳态误差；积分环节能消除稳态误差，但会降低稳定性并增大超调；微分环节能预测误差变化趋势，抑制超调、改善动态性能，但对噪声敏感。

# 7.5.2 PID 参数影响

参数增大	系统影响	过大后果
$K_p$ 增大	响应变快，误差减小	超调增大，可能振荡
$K_i$ 增大	静差减小	超调增大，稳定性变差
$K_d$ 增大	抑制超调，改善阻尼	对噪声敏感，控制量抖动

口诀：

$K_p$ 加快但易冲， $K_i$ 消差但易晃， $K_d$ 抑振但怕噪声。

# 7.5.3 PID 调参基本思路

常用经验步骤：

先只用 P 控制，逐步增大 $K_p$ ，使系统有较快响应但不过度振荡；
加入 I 控制，减小稳态误差；
加入 D 控制，抑制超调和振荡；
在快速性、稳定性和准确性之间折中。

考试表述：

PID 参数整定的本质是在快速性、稳定性和准确性之间折中。比例增益提高响应速度，积分消除稳态误差，微分改善动态性能。

# 7.6 位置控制、速度控制与电流控制

控制类型	控制对象	常用反馈	特点
位置控制	位移/角度	编码器、光栅尺	精度要求最高
速度控制	转速/线速度	编码器、测速机	用于调速系统
电流控制	电枢电流/相电流	电流传感器	直接影响电磁转矩

伺服系统常见多环结构：

位置环 → 速度环 → 电流环 → 电机 → 机械负载

环	作用	响应速度
位置环	保证位置精度	最慢
速度环	保证速度跟踪	中等
电流环	控制电磁转矩	最快

可背诵：

伺服系统通常采用位置环、速度环和电流环的多闭环结构。电流环在最内层，响应最快，直接控制转矩；速度环改善速度跟踪；位置环保证最终定位精度。

# 7.7 稳定性基本概念

可背诵：

稳定性是指系统受到扰动后，输出能否回到原平衡状态或趋于新的稳定状态。运动控制系统必须首先保证稳定，然后再考虑快速性和准确性。

判断思路：

方法	思想
极点判断	闭环极点在左半平面则稳定
根轨迹	分析参数变化时闭环极点轨迹
频域法	根据幅值裕度、相位裕度判断
仿真法	观察阶跃响应是否收敛

最常用考试表述：

对连续线性系统，若闭环特征方程的全部根均位于复平面左半平面，则系统稳定；若存在右半平面根，则系统不稳定。

# 7.8 前馈、反馈与复合控制

控制方式	特点	优点	缺点
反馈控制	根据误差修正	抗干扰强	有滞后
前馈控制	根据给定或扰动提前补偿	响应快	依赖模型准确性
复合控制	前馈 + 反馈	快速性和抗干扰兼顾	设计复杂

可背诵：

前馈控制提前补偿已知输入或扰动，可改善快速性；反馈控制根据误差修正输出，可提高抗干扰能力；复合控制结合二者优点，常用于高性能运动控制系统。

# 7.9 仿真与联合仿真

运动控制系统设计中常用仿真来验证模型、算法和参数。

仿真类型	作用
数学仿真	验证控制算法和系统响应
机构仿真	验证运动学和动力学模型
联合仿真	结合机械模型与控制算法，接近真实系统
硬件在环仿真	控制器接入仿真对象，验证实时控制性能

常见工具：MATLAB/Simulink、ADAMS、Simscape、SolidWorks Motion 等。

可背诵：

联合仿真可同时考虑机械结构、动力学特性和控制算法，比单纯数学仿真更接近实际系统，常用于运动控制系统设计与验证。

# 7.10 第七章高频解答题

# 题1：简述传递函数的定义和特点。

答：

传递函数是在线性定常系统零初始条件下，输出量拉氏变换与输入量拉氏变换之比，即 $G(s)=Y(s)/U(s)$ 。它只与系统结构和参数有关，与输入形式无关，可用于分析系统稳定性、快速性和准确性。

# 题2：说明 PID 三个环节的作用。

答：

比例环节根据当前误差产生控制作用，可提高响应速度，但可能存在稳态误差；积分环节对误差累积，可消除稳态误差，但会增大超调并降低稳定性；微分环节根据误差变化率提前调节，可抑制超调、改善动态性能，但对噪声敏感。

# 题3：说明 $K_p$ 、 $K_i$ 、 $K_d$ 增大对系统的影响。

答：

$K_p$ 增大可加快响应并减小误差，但过大会导致超调和振荡； $K_i$ 增大可减小或消除稳态误差，但过大会使系统响应变慢、超调增大； $K_d$ 增大可改善阻尼、抑制超调，但过大会放大噪声并使控制量抖动。

# 题4：为什么伺服系统常采用多闭环结构？

答：

多闭环结构可以将位置、速度和电流分别控制。内层电流环响应最快，直接控制转矩；中间速度环保证速度跟踪；外层位置环保证定位精度。这样可以提高系统快速性、稳定性和抗干扰能力。

# 第八章控制器硬件与软件系统（强化）

# 8.1 控制器在运动控制系统中的作用

控制器是运动控制系统的“大脑”，负责采集传感器数据、运行控制算法、输出驱动信号，并完成通信、保护和人机交互。

可背诵：

运动控制器根据给定指令和传感器反馈计算控制量，通过驱动器控制执行器运动，同时完成数据采集、实时运算、通信管理和故障保护等任务。

# 8.2 常见控制器类型

控制器	特点	优点	缺点	应用
单片机 MCU	成本低，资源有限	简单、低功耗	运算能力弱	简单运动控制、小车
PLC	工业可靠性高，逻辑控制强	抗干扰强、易维护	复杂算法能力一般	工业自动化、机床
DSP	数字信号处理能力强	适合高速控制和电机控制	开发难度较高	伺服驱动器、电机控制
FPGA	并行处理能力强	实时性极高	设计复杂	高速采集、并行控制
工控机 IPC	运算能力强，扩展性好	适合复杂算法和上位机	实时性需专门保障	机器人、视觉控制
运动控制卡	专用运动控制硬件	多轴插补、脉冲输出方便	依赖厂商平台	数控、自动化设备

记忆：

PLC 偏工业逻辑，DSP 偏电机高速控制，工控机偏复杂算法和上位机，FPGA 偏高速并行，单片机偏低成本嵌入式。

# 8.3 控制器硬件基本组成

模块	作用
CPU/处理器	执行控制算法和逻辑程序
存储器	存放程序、参数和数据
A/D 转换	将模拟传感器信号转为数字量
D/A 转换	输出模拟控制量
数字 I/O	开关量输入输出
PWM/脉冲模块	控制电机驱动器或步进驱动器
通信接口	CAN、RS485、EtherCAT、以太网等
保护电路	过流、过压、急停、限位保护

可背诵：

运动控制器通常由处理器、存储器、输入输出接口、A/D 和 D/A 转换模块、PWM 或脉冲输出模块、通信接口和保护电路组成。

# 8.4 运动控制软件的作用

控制软件用于实现：

系统初始化；
传感器数据采集；
信号滤波与状态估计；
轨迹规划；
控制算法计算；
执行器驱动输出；
通信管理；
故障检测与安全保护；
数据记录与人机交互。

# 8.5 控制软件基本流程

系统上电
  ↓
硬件初始化
  ↓
读取传感器数据
  ↓
滤波与状态估计
  ↓
轨迹规划/指令解析
  ↓
控制算法计算
  ↓
输出 PWM/电流/速度/位置指令
  ↓
故障检测与保护
  ↓
循环执行

解释：

运动控制软件通常以固定控制周期循环运行，每个周期完成采样、计算和输出。若控制周期不稳定或延迟过大，会影响系统稳定性和控制精度。

# 8.6 控制软件设计要求

要求	含义	解释
实时性	在规定时间内完成采样和控制计算	控制周期必须稳定
可靠性	长时间稳定运行	工业现场不能频繁死机
模块化	各功能分模块设计	便于调试和维护
可扩展性	方便增加功能	如增加传感器或通信协议
安全性	故障时保护设备和人员	急停、限位、过流保护
可维护性	程序结构清晰	便于后续修改

可背诵：

运动控制软件应满足实时性、可靠性、模块化、可扩展性和安全性要求，其中实时性是运动控制软件区别于普通软件的重要特点。

# 8.7 实时控制与控制周期

控制周期是指控制器完成一次采样、计算和输出所需的周期时间。

若控制周期为 $T_s$ ，采样频率为：

$f_s = \frac{1}{T_s}$

要求：

采样周期要足够短；
控制计算必须在一个周期内完成；
周期抖动要小；
传感器采样、控制计算和执行器输出要同步。

解释：

控制周期过长会造成反馈滞后，使系统响应变慢甚至振荡；周期不稳定会造成控制量抖动，影响运动平稳性。

# 8.8 现场总线与通信

现场总线用于连接控制器、驱动器、传感器和执行模块。

通信方式	特点	应用
RS232	点对点，距离短	调试、简单设备
RS485	抗干扰较强，可多节点	工业设备通信
CAN	实时性较好，可靠性高	汽车、机器人、运动控制
EtherCAT	高速、高实时、多轴同步	高性能伺服和机器人
以太网	通用性强，速度高	上位机通信、数据传输

可背诵：

现场总线实现控制器与传感器、驱动器之间的数据通信，是分布式运动控制系统的重要组成部分。高性能多轴伺服系统常要求通信具有高实时性和同步性。

# 8.9 工业控制系统常见结构

# 结构一：PLC + 伺服驱动器

适合工业自动化生产线。

PLC → 伺服驱动器 → 伺服电机 → 机械机构
 ↑                         ↓
传感器/限位开关 ←──────────

特点：可靠性高、维护方便、逻辑控制强。

# 结构二：工控机 + 运动控制卡

适合多轴插补、复杂轨迹和上位机控制。

工控机 → 运动控制卡 → 驱动器 → 电机
  ↑                         ↓
人机界面/视觉系统       编码器反馈

特点：计算能力强、扩展性好。

# 结构三：嵌入式控制器 + 驱动器

适合机器人、小车、移动平台。

嵌入式控制器 → 电机驱动器 → 电机
      ↑              ↓
  IMU/编码器/视觉反馈

特点：体积小、成本低、适合移动设备。

# 8.10 控制软件模块化设计

模块	功能
初始化模块	配置硬件、参数、通信
采集模块	读取传感器数据
滤波模块	去除噪声，提高数据质量
规划模块	生成目标位置、速度、加速度
控制模块	运行 PID、前馈、模型控制等算法
输出模块	输出 PWM、脉冲、模拟量或通信指令
通信模块	与上位机、驱动器或其他节点通信
保护模块	急停、限位、过流、过压保护
日志模块	记录数据和故障信息

可背诵：

模块化设计可以降低软件复杂度，提高可读性、可维护性和可扩展性，是运动控制软件设计的重要方法。

# 8.11 第八章高频解答题

# 题1：运动控制器由哪些硬件模块组成？

答：

运动控制器通常由处理器、存储器、A/D 和 D/A 转换模块、数字输入输出模块、PWM 或脉冲输出模块、通信接口以及保护电路组成。处理器运行控制算法，I/O 模块完成数据采集和输出，通信接口实现与传感器、驱动器和上位机的数据交换。

# 题2：运动控制软件应满足哪些要求？

答：

运动控制软件应满足实时性、可靠性、模块化、可扩展性、安全性和可维护性要求。其中实时性要求控制程序在固定周期内完成采样、计算和输出；安全性要求系统在限位、过流、通信故障等异常情况下能够及时保护设备和人员。

# 题3：比较 PLC、DSP 和工控机。

项目	PLC	DSP	工控机
主要优势	工业可靠性强	高速数字运算	算法复杂度高、扩展性强
适合任务	逻辑控制、顺序控制	电机控制、伺服驱动	视觉、规划、多轴协调
实时性	较好	很好	取决于系统配置
开发难度	较低	较高	中等到较高

# 题4：为什么运动控制系统强调实时性？

答：

运动控制系统需要周期性采集传感器数据并及时输出控制量。如果控制计算延迟过大或控制周期不稳定，会造成反馈滞后和控制量抖动，导致响应变慢、精度下降，严重时会引起振荡或失稳。因此实时性是运动控制软件的重要要求。

# 高频解答题预测汇总

# 题1：简述运动控制系统的组成及各部分作用。

答题要点：

被控对象：需要控制的机械系统；
执行器：将控制信号转换成机械运动；
传感器：检测位置、速度、力、姿态等状态；
控制器：根据给定值和反馈值计算控制量；
软件系统：实现算法、通信、任务管理和安全保护。

# 题2：比较开环控制和闭环控制。

答：

开环控制无反馈，结构简单、成本低，但精度低、抗干扰能力差；闭环控制有反馈，能够根据误差自动修正，精度高、抗干扰能力强，但结构复杂，参数设计不当可能产生振荡或不稳定。

# 题3：简述 D-H 参数法建模流程。

答：

给每个连杆建立坐标系；
确定四个 D-H 参数 $a_i$ 、 $\alpha_i$ 、 $d_i$ 、 $\theta_i$ ；
写出相邻连杆变换矩阵 $A_i$ ；
将各级矩阵连乘得到末端位姿；
根据矩阵结果分析末端位置和姿态。

# 题4：比较电动、液压和气压执行器。

答：

电动执行器控制方便、精度高、响应快，适合机器人和数控设备；液压执行器输出力大、功率密度高，适合重载场合，但易泄漏、维护复杂；气压执行器结构简单、成本低、动作快，适合轻载自动化，但控制精度较低。

# 题5：简述 PWM 调速原理。

答：

PWM 调速通过周期性开关电源，使电枢获得脉冲电压。改变占空比 $D=t_{on}/T_s$ 即可改变电枢平均电压 $\bar{U}_a=DU_d$ ，从而调节电机转速。占空比越大，平均电压越高，转速越大。

# 题6：简述 PMSM 矢量控制思想。

答：

PMSM 矢量控制通过坐标变换将三相交流量转换到 $d-q$ 旋转坐标系中，把定子电流分解为 $i_d$ 和 $i_q$ ，其中 $i_d$ 控制磁链， $i_q$ 控制转矩，从而实现磁链和转矩的解耦控制，提高伺服系统的动态性能和控制精度。

# 题7：简述 PID 控制三个环节的作用。

答：

比例环节根据当前误差调节，可提高响应速度，但可能存在静差；积分环节累积误差，可消除稳态误差，但会降低稳定性并增大超调；微分环节根据误差变化率提前调节，可抑制超调、改善动态性能，但对噪声敏感。

# 题8：简述运动控制软件的基本流程。

答：

运动控制软件通常先进行系统初始化，然后周期性读取传感器数据，经过滤波和状态估计后进行轨迹规划和控制算法计算，最后输出控制量驱动执行器，同时进行通信管理、故障检测和安全保护。

# 最后冲刺背诵清单

# 必背概念

运动控制系统组成；
开环控制与闭环控制区别；
运动副和自由度；
虚约束定义；
D-H 参数含义；
正运动学和逆运动学区别；
内部、外部、全局传感器分类；
电动、液压、气压执行器特点；
直流伺服电机三大公式；
PWM 调速原理；
交流伺服四种控制方式；
PMSM 坐标变换和矢量控制；
传递函数定义；
PID 三环节作用；
控制软件实时性和模块化。

# 必背公式

平面机构自由度：

$F = 3n - 2P_l - P_h$

齐次变换矩阵：

$T = \begin{bmatrix} R & p \\ 0 & 1 \end{bmatrix}$

动力学方程：

$M(q)\ddot{q} + C(q,\dot{q})\dot{q} + G(q) = \tau$

直流伺服电机：

$U_a = E_a + I_aR_a$

$E_a = K_en$

$T = K_tI_a$

PWM 占空比：

$D = \frac{t_{on}}{T_s}$

同步转速：

$n_s = \frac{60f}{p}$

PMSM 转矩：

$T_e = \frac{3}{2}p\left[\psi_f i_q + (L_d - L_q)i_d i_q\right]$

传递函数：

$G(s)=\frac{Y(s)}{U(s)}$

PID：

$u(t)=K_p e(t)+K_i\int e(t)dt+K_d\frac{de(t)}{dt}$

采样频率：

$f_s = \frac{1}{T_s}$

# 一页纸压缩版

运动控制系统 = 被控对象 + 执行器 + 传感器 + 控制器 + 软件。
开环无反馈，闭环有反馈。
运动副决定自由度，平面机构常用 $F=3n-2P_l-P_h$ 。
D-H 参数包括 $a_i$ 、 $\alpha_i$ 、 $d_i$ 、 $\theta_i$ 。
正运动学由关节求末端，逆运动学由末端求关节。
内部传感器测自身，外部传感器测环境，全局传感器测位置。
电动执行器精度高，液压输出力大，气压结构简单。
直流伺服常用电枢控制： $U_a=E_a+I_aR_a$ ， $E_a=K_en$ ， $T=K_tI_a$ 。
PWM 靠改变占空比调节平均电压。
交流伺服控制方式：幅值、相位、幅相、双相。
PMSM 矢量控制： $i_d$ 控磁链， $i_q$ 控转矩，常用 $i_d=0$ 。
传递函数： $G(s)=Y(s)/U(s)$ 。
PID：P 管现在，I 管过去，D 管未来。
控制软件重点：实时性、可靠性、模块化、安全性。

专业课

# 《运动控制系统》期末复习重点文档（强化版）

# 0. 考试重点总览

# 第一章 绪论

# 1.1 运动控制系统概念

# 1.2 运动控制系统组成

# 1.3 开环控制与闭环控制

# 1.4 运动控制系统特点

# 第二章 运动机构基础

# 2.1 运动副

# 2.2 运动机构分类

# 2.3 自由度计算

# 2.4 虚约束

# 2.5 减速器和传动机构

# 常见传动方式

# 减速器作用

# 第三章 运动学和动力学建模

# 3.1 坐标变换

# 3.2 RPY 角

# 3.3 D-H 参数法

# 3.4 正运动学与逆运动学

# 3.5 动力学建模

# 第四章 传感器系统（强化）

# 4.1 传感器在运动控制系统中的作用

# 4.2 传感器分类总表

# 4.3 内部传感器

# 4.3.1 编码器

# 4.3.2 电位计

# 4.3.3 测速发电机

# 4.3.4 IMU、陀螺仪和加速度计

# 4.4 外部传感器

# 4.5 视觉传感器重点

# 4.6 全局传感器

# GPS/北斗

# 罗盘/磁力计

# 组合导航

# 4.7 第四章高频解答题

# 题1：内部传感器、外部传感器和全局传感器有什么区别？

# 题2：比较增量式编码器和绝对式编码器。

# 题3：为什么 IMU 常与其他传感器融合？

# 第五章 执行器基础

# 5.1 执行器分类

# 5.2 三类主流执行器比较

# 第六章 伺服电动机模型及控制策略（强化）

# 6.1 伺服系统与伺服电动机

# 6.2 直流伺服电动机

# 6.2.1 结构与控制对象

# 6.2.2 两种调速控制方式

# 6.2.3 直流伺服电机三大公式

# 6.2.4 转速公式与机械特性

# 6.2.5 PWM 调速

# 6.2.6 单极性 PWM 与双极性 PWM

# 6.3 交流异步伺服电动机

# 6.3.1 旋转磁场

# 6.3.2 交流伺服控制方式

# 6.3.3 交流异步伺服和直流伺服比较

# 6.4 永磁同步伺服电动机 PMSM

# 6.4.1 PMSM 工作原理

# 6.4.2 PMSM 建模假设

# 6.4.3 三个坐标系

# 6.4.4 PMSM 电磁转矩与 d−qd-qd−q 电流

# 6.4.5 PMSM 控制策略

# 6.4.6 矢量控制

# 6.4.7 id=0i_d=0id​=0 控制

# 6.4.8 双闭环控制

# 6.5 第六章高频解答题

# 题1：为什么直流伺服电机常用电枢控制？

# 题2：写出直流伺服电机三大公式并说明意义。

# 题3：比较直流伺服电机和交流异步伺服电机。

# 题4：简述 PMSM 矢量控制思想。

# 第七章 控制算法与仿真（强化）

# 7.1 控制算法在运动控制中的作用

# 7.2 传递函数

# 7.3 典型闭环控制结构

# 7.4 控制性能指标

# 7.5 PID 控制

# 7.5.1 P、I、D 三环节作用

# 7.5.2 PID 参数影响

# 7.5.3 PID 调参基本思路

# 7.6 位置控制、速度控制与电流控制

# 7.7 稳定性基本概念

# 第一章绪论

# 第二章运动机构基础

# 第三章运动学和动力学建模

# 第四章传感器系统（强化）

# 第五章执行器基础

# 第六章伺服电动机模型及控制策略（强化）

# 6.4.4 PMSM 电磁转矩与 $d-q$ 电流

# 6.4.7 $i_d=0$ 控制

# 第七章控制算法与仿真（强化）

# 题3：说明 $K_p$ 、 $K_i$ 、 $K_d$ 增大对系统的影响。

# 第八章控制器硬件与软件系统（强化）