电机传动系统控制-Seung-Ki Sul编著-图书介绍
中文译文版本
图书封面
译著作者介绍
张永昌
张永昌（电气电子工程师学会会士，华北电力大学电气与电子工程学院教授、博士生导师）_百度百科
李正熙
图书内容
本书涵盖的主题包括(来自中文图书封面):
- 矢量控制;
- 无位置/速度传感器交流电机的控制算法;
- 电机与变频器的参数辨识方法;
- 三相交流电机在d-q-n坐标系下的矩阵建模.
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作为现代工业的动力， 电机及驱动系统一直是工业界和学术界关心和研究的课题。 从早期的直流调速到现在的交流调速， 从早期的开环恒压频比控制到现在的高性能矢量控制以及无传感器控制， 电机传动系统经历了巨大而深刻的变化。 本书深入剖析了在工业中广泛应用的直流电机、 异步电机和永磁同步电机的控制系统设计， 包括数学建模、 坐标系变换、 调节器设计、 矢量控制和无位置/ 速度传感器设计， 最后还介绍了一些工业实际问题如死区补偿、 电压测量和控制延迟的解决方案， 以及电机参数辨识等内容。 可以说， 本书较全面地涵盖了电机驱动系统设计的内容。英文原版
目录
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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. 2 PWM 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
目 录 Ⅸ
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. 3 PWM 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. 4 PI/ 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
Ⅹ 电机传动系统控制
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. 1 PWM 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
目 录 Ⅺ
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 K ............................................................... 289
A. 2. 3 三相交流电机的定子绕组电阻 Rs ...................................................... 289
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