电力拖动控制系统：运动控制系统

绪论

0.1 电力拖动及其自动控制系统

0.2 电力拖动控制系统的发展概况与趋势

0.2.1 电力拖动调速系统的发展概况和趋势

0.2.2 电力拖动伺服系统的发展概况和趋势

0.2.3 电力拖动自动控制系统的网络控制

第一篇 直流电力拖动控制系统

第1章 直流电动机的数学模型及其闭环控制结构

1.1 闭环直流调速系统被控对象的数学模型及其动态结构图

1.1.1 旋转电枢系统的数学模型及其动态结构图

1.1.2 他励直流电动机励磁回路的数学模型及其动态结构图

1.2 直流调速系统的闭环控制结构及其相应的闭环直流调速系统

1.2.1 转速单闭环的控制结构

1.2.2 转速、电流双闭环控制结构及相应的控制系统

1.2.3 他励直流电动机闭环励磁控制系统的动态结构及相应的控制系统

1.2.4 直流电动机双域闭环控制调速系统(先升压后弱磁调速系统)

第2章 闭环控制直流调速系统的稳态分析

2.1 直流调速系统的静态调速指标及开环系统存在的问题

2.1.1 生产工艺对转速控制的要求和调速指标

2.1.2 开环调速系统存在的问题

2.2 单闭环直流调速系统的稳态分析

2.2.1 ASR为比例调节器时的转速单闭环直流调速系统稳态分析与计算

2.2.2 ASR采用PI调节器的转速单闭环直流调速系统

2.2.3 带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统稳态分析

2.3 转速、电流双闭环调速系统稳态分析及计算

习题及思考题

第3章 闭环直流调速系统的动态分析

3.1 单闭环直流调速系统的动态分析

3.1.1 ASR为比例调节器的单闭环直流调速系统的动态分析

3.1.2 ASR采用PI调节器的单闭环直流调速系统动态分析

3.2 转速、电流双闭环直流调速系统的动态分析

3.2.1 快速系统与最佳过渡过程的概念

3.2.2 转速、电流双闭环直流调速系统的动态特性分析

3.3 闭环直流调速系统的自适应控制

3.3.1 电流自适应调节器

3.3.2 转速自适应调速器

3.4 闭环电力拖动控制系统的动态性能指标及动态校正——调节器设计

3.4.1 闭环控制系统的动态性能指标

3.4.2 动态校正——调节器设计

习题及思考题

第4章 可逆直流调速系统

4.1 晶闸管—电动机可逆调速系统（V-M可逆系统）

4.1.1 晶闸管—电动机可逆调速系统的基本结构

4.1.2 电枢可逆系统中的环流

4.1.3 有环流可逆调速系统

4.1.4 无环流可逆调速系统

4.2 可逆直流脉宽调速系统（PWM可逆系统）

习题及思考题

第5章 数字（计算机）控制的电力拖动系统

5.1 数字电力拖动控制系统的硬件系统

5.1.1 数字控制器（计算机系统）

5.1.2 常用（微）处理器和控制芯片

5.2 电力拖动自动控制系统的数字化设计

5.2.1 电力拖动自动控制系统的数字化设计内容、原则与步骤

5.2.2 直流双闭环调速系统全数字化设计

5.3 数字（计算机）控制的直流位置随动（伺服）系统

5.3.1 数字控制直流位置随动系统的基本组成及控制结构

5.3.2 位置控制的基本要求和理想定位过程的控制算法

5.3.3 程序的组成

习题及思考题

第二篇 交流电力拖动控制系统

第6章 基于稳态数学模型的异步电动机变压变频调速系统

6.1 基于异步电动机稳态数学模型的变压变频调速系统控制方式

6.1.1 电压－频率协调控制方式

6.1.2 转差频率控制方式

6.2 电力电子变频调速装置及其电源特性

6.3 电压源型转速开环恒压频比控制的异步电动机变压变频调速系统

6.4 电流源型转速开环恒压频比控制的异步电动机变压变频调速系统

6.5 异步电动机转差频率控制（SF）变压变频调速系统

6.5.1 电流源型转差频率控制的异步电动机变压变频调速系统构成及工作原理

6.5.2 电压源型转差频率控制（SF）的异步电动机变压变频调速系统

习题及思考题

第7章 基于动态数学模型的异步电动机矢量控制变压变频调速系统

7.1 矢量控制的基本概念

7.1.1 直流电动机和异步电动机的电磁转矩

7.1.2 矢量控制的基本思想

7.2 异步电动机在不同坐标系上的数学模型

7.2.1 交流电动机的坐标系与空间矢量的概念

7.2.2 异步电动机在静止坐标系上的数学模型

7.2.3 坐标变换及变换矩阵

7.2.4 异步电动机在二相静止坐标系上的数学模型

7.2.5 异步电动机在任意二相旋转坐标系上的数学模型

7.2.6 异步电动机在二相同步旋转坐标系上的数学模型

7.2.7 异步电动机在二相坐标系上的状态方程

7.3 磁场定向和矢量控制的基本控制结构

7.3.1 转子磁场定向的异步电动机矢量控制结构

7.3.2 异步电动机其他两种磁场定向方法

7.4 转子磁链观测器

7.4.1 开环方式转子磁链观测器

7.4.2 闭环方式转子磁链观测器

7.5 异步电动机矢量控制系统

7.5.1 具有转矩内环的转速、磁链闭环异步电动机直接矢量控制系统

7.5.2 转差型异步电动机间接矢量控制系统

7.5.3 无速度传感器矢量控制系统

7.6 具有双PWM变流器的矢量控制系统

7.7 绕线式异步电动机双馈矢量控制系统

7.7.1 绕线式异步电动机双馈调速系统

7.7.2 绕线式异步电动机双馈矢量控制系统

7.7.3 双馈电动机矢量控制的其他方案

7.8 数字化异步电动机矢量控制系统设计

7.8.1 以DSP为控制核心的数字异步电动机矢量控制系统的硬件系统

7.8.2 软件设计（运算程序和控制算法）

习题及思考题

第8章 异步电动机直接转矩控制变压变频调速系统

8.1 异步电动机直接转矩控制系统的基本理论

8.1.1 直接转矩控制的理论依据

8.1.2 异步电动机定子轴系的数学模型

8.1.3 逆变器的8种开关状态和逆变器的电压状态

8.1.4 电压空间矢量的概念

8.1.5 电压空间矢量与磁链空间矢量的关系

8.1.6 电压空间矢量对电动机转矩的影响

8.1.7 电压空间矢量的正确选择

8.1.8 异步电动机直接转矩控制的基本结构

8.2 异步电动机直接转矩控制系统的基本组成及工作原理

8.2.1 磁链自控制

8.2.2 转矩调节

8.2.3 磁链调节

8.2.4 电压状态的选择

8.2.5 最小开关持续时间

8.2.6 逆变器的开关频率调节

8.3 在低速范围内直接转矩控制系统的转矩控制与调节方法

8.3.1 在低速范围内直接转矩控制系统的结构特点

8.3.2 区段的电压状态选择

8.3.3 低速范围内转矩与磁链调节的协调

8.3.4 使用-120°电压的磁链调节

8.4 在弱磁范围内直接转矩控制系统的转矩控制及恒功率调节

8.4.1 弱磁范围内直接转矩控制系统的结构特点

8.4.2 弱磁范围内的转矩控制与调节

8.4.3 弱磁范围内的功率调节

8.5 圆形磁链轨迹的直接转矩控制系统

8.5.1 圆形磁链控制

8.5.2 电磁转矩控制

8.6 异步电动机间接转矩控制（ISC）系统

8.7 直接转矩控制系统的特点——本章结论

习题及思考题

第9章 同步电动机变压变频调速系统

9.1 同步电动机变压变频调速的特点及基本类型

9.2 同步电动机变压变频调速系统主电路晶闸管换流原理及其方法

9.2.1 同步电动机交"para" label-module="para">

9.2.2 交"_blank" href="/item/同步电动机/3468433" data-lemmaid="3468433">同步电动机调速系统主电路晶闸管的换流

9.3 他控变频同步电动机调速系统

9.3.1 转速开环恒压频比控制的同步电动机调速系统

9.3.2 交"para" label-module="para">

9.3.3 交"para" label-module="para">

9.4 自控变频同步电动机（无换向器电动机）调速系统

9.4.1 自控变频同步电动机（无换向器电动机）调速原理及特性

9.4.2 自控变频同步电动机调速系统

9.5 按气隙磁场定向的普通三相同步电动机矢量控制系统

9.5.1 普通三相同步电动机的多变量数学模型

9.5.2 按气隙磁场定向的绕组励磁式普通三相同步电动机交直交变频矢量控制系统

9.6 正弦波永磁同步电动机变压变频调速系统

9.7 梯形波永磁同步电动机变压变频调速系统

习题及思考题

第10章 交流位置随动（伺服）系统

10.1 以DSP为核心的交流位置随动系统

10.2 基于PC（或PLC）的交流位置随动系统及基于现场总线的交流位置随动系统

10.3 数控机床及其插补算法

附录A 电力拖动控制系统中的检测技术

A.1 位置检测

A.1.1 光电编码器

A.2 速度（转速）测量

A.2.1 数字测速法

A.3 电压、电流检测

A.3.1 直接检测式霍尔传感器

A.3.2 磁平衡式（或称磁补偿式）霍尔传感器

附录B 常用符号表

B.1 元件和装置用的文字符号（按国家标准GB/T7159-1987）

B.2 参数和物理量文字符号

B.3 常用下角标

B.4 常用缩写符号

参考文献2100433B

本书全面、系统地介绍了现代电力拖动控制系统的基本组成、基本原理、基本控制方法，以及对系统的静、动态特性分析和数字化设计。第一篇依据直流电动机的广义数学模型，建立了直流电动机的闭环控制结构及相应的控制系统；分析了闭环直流调速系统的静、动态特性；介绍了直流调速系统可逆运行的方法；给出了电力拖动控制系统的数字控制设计方法。第二篇从建立交流电动机数学模型入手，讲述现代交流电动机变压变频调速系统的基本原理，以及静、动态特性分析。

本书全面介绍了电力拖动控制系统实验中所涉及的基本原理、仿真技术、实验设备及实验过程等内容，并结合应用于电力拖动控制系统实验的机械负载模拟技术对基于直流电机模拟机械负载实现细节进行了介绍。本书针对船舶螺旋桨负载特性进行了数学分析，并对其负载特性模拟的设计和实现过程进行了说明。全书共分三篇： 第一篇（第1～3章）为直流电力拖动自动控制系统原理与实践篇，着重介绍基于直流电动机的多种电力拖动控制系统的原理与实验技术； 第二篇（第4～6章）为交流电力拖动自动控制系统原理与实践篇，重点以三相异步电动机为研究对象，介绍其拖动控制系统的原理与实验技术； 第三篇（第7～9章）为机械负载模拟原理与船舶电力推进系统实验篇，主要从机械负载模拟技术和螺旋桨负载特性原理入手

目 录

第1章 概述 1

1.1 运动控制技术概况 1

1.2 运动控制技术发展历史及趋势 2

1.2.1 运动控制技术发展历史 2

1.2.2 运动控制技术的发展现状及展望 4

1.3 运动控制系统中的关键技术 5

1.4 运动控制技术应用领域 6

1.5 伺服运动系统的基本组成 6

小结 7

第2章 运动控制系统电气基础 8

2.1 基本电器 8

2.1.1 主令电器 8

2.1.2 断路器 11

2.1.3 接触器 12

2.1.4 继电器 14

2.1.5 熔断器 16

2.1.6 漏电保护器 17

2.2 运动控制系统的设备平台 18

2.2.1 管理层 18

2.2.2 控制层 19

2.2.3 设备层 21

小结 24

第3章 现场总线控制 25

3.1 现场总线技术 25

3.1.1 现场总线技术概述 25

3.1.2 现场总线的技术特点 27

3.1.3 现场总线技术的现状 28

3.1.4 现场总线的发展趋势 29

3.2 典型现场总线介绍 30

3.2.1 Modbus总线 30

3.2.2 CANopen总线 34

3.3 工业以太网 38

3.3.1 工业以太网概述 38

3.3.2 工业以太网的优势及特点 38

3.3.3 工业以太网的应用现状 39

3.4 Modbus TCP/IP协议 40

小结 43

第4章 运动控制系统基础实践 44

4.1 人机界面XBT GT2330 44

4.1.1 硬件概述 44

4.1.2 编程软件Vijeo Designer 45

4.1.3 应用实例——灯光控制模拟演示系统 47

4.2 可编程控制器Twido 56

4.2.1 Twido PLC硬件概述 56

4.2.2 编程软件TwidoSoft 58

4.2.3 TwidoSoft编程 60

4.2.4 应用实例——简易灯光控制 64

4.3 运动控制器LMC20 68

4.3.1 运动控制器LMC20硬件概述 68

4.3.2 编程软件CoDeSys 69

4.3.3 应用实例——机械臂控制模拟 77

4.4 伺服驱动器Lexium 05和BSH伺服电机 84

4.4.1 伺服驱动器Lexium 05和BSH伺服电机硬件概述 84

4.4.2 伺服驱动器Lexium 05参数配置 86

4.4.3 应用实例——本地控制方式的实现 87

4.5 变频器ATV71 90

4.5.1 变频器ATV71硬件概述 90

4.5.2 变频器ATV71的参数配置 94

4.5.3 应用实例——电机的变频启动 98

小结 101

第5章 系统总线控制方式实现 102

5.1 基于Twido PLC和Lexium 05的总线控制 102

5.1.1 Modbus总线控制方式的实现 102

5.1.2 CANopen总线控制方式的实现 111

5.2 基于LMC20和Lexium 05的总线控制 122

5.2.1 CANopen总线控制方式的实现 122

5.2.2 运动控制总线控制方式的实现 135

5.3 基于Twido PLC和ATV71的总线控制 149

5.3.1 Modbus总线控制方式的实现 149

5.3.2 CANopen总线控制方式的实现 158

5.4 基于LMC20和ATV71的总线控制 166

小结 171

第6章 基于可编程控制器PLC的典型应用案例 172

6.1 电梯控制演示系统 172

6.1.1 案例引言 172

6.1.2 方案设计 172

6.1.3 系统实现 180

6.2 X-Y轴运动演示系统 184

6.2.1 案例引言 184

6.2.2 方案设计 184

6.2.3 系统实现 191

小结 195

第7章 基于运动控制器LMC20的典型应用案例 196

7.1 电梯群控演示系统 196

7.1.1 案例引言 196

7.1.2 方案设计 196

7.1.3 系统实现 209

7.2 三轴直线联动演示系统 213

7.2.1 案例引言 213

7.2.2 方案设计 214

7.2.3 系统实现 222

7.3 双泵供水演示系统 227

7.3.1 案例引言 227

7.3.2 方案设计 227

7.3.3 系统实现 235

小结 244

参考文献 245 2100433B

技术基础部分主要介绍整个系统涵盖的基本理论知识，包括运动控制系统的概述、运动控制系统电气基础及现场总线控制等内容；组建入门部分基于施耐德电气的运动控制产品展开，介绍了各产品的硬件使用及软件的基本配置，并结合简单的实例阐述每种设备的基本应用，然后在此基础上详细介绍了典型总线控制方式的实现；集成案例部分共有5个综合系统案例，详细阐述了系统的设计方案和实现步骤，供读者进行综合实践锻炼。