电机传动系统控制

书籍目录

译者序

原书前言

第1章导论1

1.1引言1

1.1.1电机传动系统3

1.1.2电机传动系统的发展趋势4

1.1.3功率半导体器件的发展趋势6

1.1.4控制电子学的发展趋势6

1.2力学基础知识7

1.2.1基本定律7

1.2.2推力和转矩7

1.2.3旋转物体的转动惯量8

1.2.4刚体的运动方程10

1.2.5功率和能量13

1.2.6物理变量的连续性13

1.3典型机械负载的转矩速度曲线14

1.3.1风扇、水泵和鼓风机14

1.3.2位能型负载：起重机和升降机15

1.3.3牵引负载(电动汽车和电力机车)16

1.3.4张力控制负载16

习题18

参考文献26

第2章电机和功率变换器的基本结构和建模28

2.1直流电机的结构和建模28

2.2稳态运行分析32

2.2.1他励直流电机32

2.2.2串励直流电机35

2.3直流电机的瞬态分析36

2.3.1他励直流电机37

2.4驱动直流电机的电力电子电路39

2.4.1静态沃德—伦纳德系统40

2.4.2四象限斩波系统40

2.5旋转磁动势41

2.6同步电机稳态分析45

2.7直线电机48

2.8同步电机容量曲线49

2.8.1带有励磁绕组的圆形转子同步电机49

2.8.2永磁同步电机50

2.9同步电机的参数变化51

2.9.1定子电阻和励磁绕组电阻51

2.9.2同步电感51

2.9.3反电动势常数53

2.10异步电机稳态分析54

2.10.1异步电机稳态等效电路56

2.10.2恒定气隙磁通运行59

2.11异步电机发电运行61

2.12异步电机参数变化62

2.12.1转子电阻Rr的变化62

2.12.2转子漏感Llr的变化63

2.12.3定子电阻Rs的变化63

2.12.4定子漏感Lls的变化64

2.12.5励磁电感Lm的变化64

2.12.6铁损电阻Rm的变化65

2.13异步电机分类(根据速度—转矩特性)65

2.14准瞬态分析67

2.15异步电机容量曲线67

2.16直流电机和交流电机的比较69

2.16.1笼型异步电机和他励直流电机的比较69

2.16.2永磁同步电机和他励直流电机的比较71

2.17基于稳态特性的异步电机调速控制71

2.17.1通过控制电压来对异步电机进行调速71

2.17.2基于恒定气隙磁通(恒V/F)的异步电机调速控制72

2.17.3基于实际速度反馈的异步电机调速控制72

2.17.4基于定子电流幅值反馈的改进型恒定气隙磁通控制74

2.18功率变换器建模74

2.18.1三相二极管/晶闸管整流器74

2.18.2PWM升压型整流器76

2.18.3二象限双向DC—DC变换器78

2.18.4四象限DC—DC变换器78

2.18.5三相PWM逆变器80

2.18.6矩阵式变换器81

2.19基于标幺值的参数转换82

习题83

参考文献88

第3章参考坐标系变换和三相交流电机的瞬态分析89

3.1复矢量90

3.2基于空间复矢量的异步电机dqn建模92

3.2.1异步电机在dqn坐标轴上的等效电路92

3.2.2异步电机的转矩97

3.3基于空间复矢量的同步电机dqn建模99

3.3.1同步电机在dqn坐标轴上的等效电路99

3.3.2同步电机的转矩107

3.3.3永磁同步电机的等效电路和转矩110

3.3.4同步磁阻电机113

习题114

参考文献119

第4章电机和功率变换器的调节器设计120

4.1有源阻尼122

4.2电流调节器123

4.2.1电流的测量123

4.2.2三相可控整流器的电流调节器125

4.2.3PWM斩波驱动直流电机的电流调节器130

4.2.4抗饱和132

4.2.5交流电流调节器134

4.3转速调节器139

4.3.1电机转子的转速/位置测量140

4.3.2基于增量式编码器的速度估计143

4.3.3基于状态观测器的速度估计147

4.3.4PI/IP速度调节器155

4.3.5基于加速度的改进转速控制160

4.3.6带抗饱和功能的速度调节器162

4.4位置调节器163

4.4.1比例和比例积分(PPI)调节器163

4.4.2速度和加速度前馈控制164

4.5交流电压相角的检测165

4.5.1同步参考坐标系下的相角检测165

4.5.2同步参考坐标系下基于正序电压的相角检测168

4.6电压调节器169

4.6.1PWM升压型整流器直流环节的电压调节器169

习题172

参考文献179

第5章矢量控制182

5.1瞬时转矩控制182

5.1.1他励直流电机182

5.1.2面装式永磁同步电机184

5.1.3内嵌式永磁同步电机185

5.2异步电机的矢量控制187

5.2.1直接矢量控制187

5.2.2间接矢量控制192

5.3转子磁链估计器193

5.3.1基于异步电机定子电压方程的电压模型193

5.3.2基于异步电机转子电压方程的电流模型194

5.3.3混合转子磁链估计器194

5.3.4改进的混合磁链估计器195

5.4弱磁控制196

5.4.1交流电机的电压和电流约束196

5.4.2转子参考坐标系电流平面上的永磁交流电机工作区197

5.4.3永磁同步电机的弱磁控制203

5.4.4异步电机的弱磁控制206

5.4.5异步电机的磁链调节器210

习题211

参考文献222

第6章交流电机无位置/速度传感器控制223

6.1异步电机的无速度传感器控制225

6.1.1模型参考自适应系统225

6.1.2自适应速度观测器229

6.2面装式永磁同步电机的无速度传感器控制234

6.3内嵌式永磁同步电机的无速度传感器控制237

6.4通过注入高频信号的无速度传感器控制239

6.4.1凸极转子电机241

6.4.2无凸极转子的交流电机242

习题251

参考文献254

第7章实际问题258

7.1死区引起的输出电压畸变及其补偿方法258

7.1.1死区影响的补偿259

7.1.2零电流钳位(ZCC)259

7.1.3半导体开关器件杂散电容引起的电压畸变261

7.1.4开关时刻的预测263

7.2相电流测量266

7.2.1电流测量系统中延时的建模266

7.2.2电流测量中的偏置和定标误差267

7.3电流环中的数字信号处理问题272

7.3.1数字延迟造成的电流调节误差的建模和补偿273

7.3.2电流采样误差276

习题279

参考文献282

附录283

附录A电机参数的测量和估计283

A.1参数估计283

A.1.1直流电机283

A.1.2异步电机参数的估计285

A.2基于驱动系统调节器的电机参数估计288

A.2.1反馈控制系统288

A.2.2直流电机的反电动势常数K289

A.2.3三相交流电机的定子绕组电阻Rs289

A.2.4异步电机参数291

A.2.5永磁同步电机294

A.3机械参数的估计299

A.3.1基于机械方程的估计299

A.3.2基于积分过程的估计300

参考文献303

附录B基于矩阵方程的dq建模303

B.1参考坐标系和变换矩阵303

B.2基于变换矩阵的异步电机dq建模307

B.3基于变换矩阵的同步电机dq建模310

作者简介

基于作者的大量工业经验以及与工业界的广泛合作，本书包括了大量的经过测试、实现和验证过的方法，而这些方法又是电机控制领域工程师在日常工作中经常遇到的。本书首先介绍了电气传动系统的特性和相关技术的发展趋势，以及电机的基本结构和运行原理，然后介绍了电机的稳态特性与控制以及应用参考坐标系理论来对电机的物理变量进行变换，这些为后续内容提供了合适的基础。本书的核心部分回顾了电机与电力电子变换器的几种控制算法，解释了什么是主动阻尼以及如何以反馈的方式来调节电流、转速和位置。作者还介绍了提升电机控制性能的技巧、检测交流电源相位的算法以及控制功率变换器直流母线电压的算法。

本书的实用性和与实际的紧密关联性，使本书无论对电机驱动研发领域的专家和工程师、工业传动设计者还是高年级本科生和研究生，都是一本很有价值的参考书。

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