电力拖动自动控制系统——运动控制系统（含 1CD）

前言

常用符号表

第1篇 直流拖动控制系统

第1章 闭环控制的直流调速系统

1．1 直流调速系统用的可控直流电源

1．1．1 旋转变流机组

1．1．2 静止式可控整流器

1．1．3 直流斩波器或脉宽调制变换器

1．2 晶闸管—电动机系统(V-M系统的主要问题

1．2．1 触发脉冲相位控制

1．2．2 电流脉动及其波形的连续与断续

1．2．3 抑制电流脉动的措施

1．2．4 晶闸管—电动机系统的机械特性

1．2．5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数

1．3 直流脉宽调速系统的主要问题

1．3．1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形

1．3．2 直流脉宽调速系统的机械特性

1．3．3 PWM控制与变换器的数学模型

1．3．4 电能回馈与泵升电压的限制

1．4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计

1．4．1 转速控制的要求和调速指标

1．4．2 开环调速系统及其存在的问题

1．4．3 闭环调速系统的组成及其静特性

1．4．4 开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系

1．4．5 反馈控制规律

1．4．6 闭环直流调速系统稳态参数的计算

1．4．7 限流保护——电流截止负反馈

1．5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计

1．5．1 反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型

1．5．2 反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件

1．5．3 动态校正——PI调节器的设计

1．6 比例积分控制规律和无静差调速系统

1．6．1 积分调节器和积分控制规律

1．6．2 比例积分控制规律

1．6．3 无静差直流调速系统及其稳态参数计算

1．7 电压反馈电流补偿控制的直流调速系统

1．7．1 电压负反馈直流调速系统

1．7．2 电流正反馈和补偿控制规律

1．7．3 电流补偿控制直流调速系统的数学模型和稳定条件

习题

第2章 转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法

2．1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性

2．1．1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成

2．1．2 稳态结构框图和静特性

2．1．3 各变量的稳态工作点和稳态参数计算

2．2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析

2．2．1 双闭环直流调速系统的动态数学模型

2．2．2起动过程分析

2．2．3 动态抗扰性能分析

2．2．4 转速和电流两个调节器的作用

2．3 调节器的工程设计方法

2．3．1 工程设计方法的基本思路

2．3．2 典型系统

2．3．3 控制系统的动态性能指标

2．3．4 典型I型系统性能指标和参数的关系

2．3．5 典型Ⅱ型系统性能指标和参数的关系

2．3．6 调节器结构的选择和传递函数的近似处理——非典型系统的典型化

2．4 按工程设计方法设计双闭环系统的调节器

2．4．1 电流调节器的设计

2．4．2转速调节器的设计

2．4．3 转速调节器退饱和时转速超调量的计算

2．5 转速超调的抑制——转速微分负反馈

2．5．1 带转速微分负反馈双闭环调速系统的基本原理

2．5．2 退饱和时间和退饱和转速

2．5．3 转速微分负反馈参数的工程设计方法

2．5．4。带转速微分负反馈双闭环调速系统的抗扰性能

2．6 弱磁控制的直流调速系统

2．6．1 变压与弱磁的配合控制

2．6．2 非独立控制励磁的调速系统

2．6．3 弱磁过程的直流电动机数学模型和弱磁控制系统转速调节器的设计

习题

第3章 直流调速系统的数字控制

3．1 微型计算机数字控制的主要特点

3．1．1 数字量化

3．1．2 采样频率的选择

3．1．3 微机数字控制系统的输入与输出变量

3．2 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件

3．2．1 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件结构

3．2．2 微机数字控制双闭环直流调速系统的软件框图

3．3 数字测速与滤波

3．3．1旋转编码器

3．3．2 M法测速

3．3．3 T法测速

3．3．4 M/T法测速

3．3．5 各种数字测速方法的精度指标

3．3．6 M/T法数字测速软件框图

3．3．7 数字滤波

3．4数字PI调节器

3．4．1 模拟PI调节器的数字化

3．4．2 改进的数字PI算法

3．4．3智能型PI调节器

3．5 按离散控制系统设计数字控制器

3．5．1 具有零阶保持器的数字控制直流调速系统

3．5．2 控制对象传递函数的离散化

3．5．3 数字转速调节器的设计

3．6 数字控制系统的故障检测、保护与自诊断

3．6．1 故障检测

3．6．2 故障保护

3．6．3 故障自诊断

习题

第4章 可逆直流调速系统和位置随动系统

4．1 可逆直流调速系统

4．1．1 单片微机控制的PWM可逆直流调速系统

4．1．2 有环流控制的可逆晶闸管—电动机系统

4．1. 3 无环流控制的可逆晶闸管—电动机系统

4．2位置随动系统

4．2．1 位置随动系统的组成

4．2. 2 位置随动系统的特征及其与调速系统的比较

4．2．3位置传感器

4．2．4 位置随动系统的稳态误差分析和参数计算

4．2．5 位置随动系统的动态校正与控制

习题

第2篇 交流拖动控制系统

第5章 闭环控制的异步电动机变压调速系统——一种转差功率消耗型调速系统

5．1 异步电动机变压凋速电路

5．2 异步电动机改变电压时的机械特性

5．3 闭环控制的变压调速系统及其静特性

5．4 闭环变压调速系统的近似动态结构框图

5．5转差功率损耗分析

5．6 变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用

5．6．1 软起动器

5．6．2 轻载降压节能运行

习题

第6章 笼型异步电动机变压变频调速系统VVVF系统)——转差功率不变型调速系统

6．1 变压变频调速的基本控制方式

6．1．1 基频以下调速

6．1．2 基频以上调速

6．2 异步电动机电压—频率协调控制时的机械特性

6．2. 1 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性

6．2. 2 基频以下电压—频率协调控制时的机械特性

6．2. 3 基频以上恒压变频时的机械特性

6．2．4 恒流正弦波供电时的机械特性

6．3 电力电子变压变频器的主要类型

6．3．1 交—直—交和交—交变压变频器

6．3．2 电压源型和电流源型逆变器

6．3．3 180度导通型和120度导通型逆变器

6．4 变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术

6．4．1 正弦波脉宽调制(SPWM)技术

6．4．2 消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM)控制技术

6．4．3 电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术

6．4．4 电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术(或称磁链跟踪控制技术)

6．4．5 桥臂器件开关死区对PWM控制变压变频器工作的影响

6．5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速系统

6．5．1 转速开环恒压频比控制调速系统——通用变频器—异步电动机调速系统

6．5．2 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统

6．6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换

6．6．1 异步电动机动态数学模型的性质

6．6．2 三相异步电动机的多变量非线性数学模型

6．6．3 坐标变换和变换矩阵

6．6．4 三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型

6．6．5 三相异步电动机在两相坐标系上的状态方程

6．7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统

6．7．1 矢量控制系统的基本思路

6．7．2 按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用

6．7．3转子磁链模型

6．7．4 转速、磁链闭环控制的矢量控制系统——直接矢量控制系统

6．7．5 磁链开环转差型矢量控制系统——间接矢量控制系统

6．8 基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统

6．8．1 直接转矩控制系统的原理和特点

6．8．2 直接转矩控制系统的控制规律和反馈模型

6．8．3 直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较

习题

第7章 绕线转子异步电机双馈调速系统——转差功率馈送型调速系统

7．1 异步电机双馈调速工作原理

7．1．1 异步电机转子附加电动势的作用

7．1．2 异步电机双馈调速的五种工况

7．2 异步电机在次同步电动状态下的双馈系统——串级调速系统

7．2．1 串级调速系统的工作原理

7．2．2 串级调速系统的其他类型

7．3 异步电动机串级调速时的机械特性

7．3．1 异步电动机串级调速机械特性的特征

7．3．2 异步电动机串级调速时的转子整流电路

7．3．3 异步电动机串级调速机械特性方程式

7．4 串级调速系统的技术经济指标及其提高方案

7．4．1 串级调速系统的效率

7．4．2 串级调速系统的功率因数及其改善途径

7．4．3 斩波控制的串级调速系统

7．4．4 串级调速装置的电压和容量

7．5 双闭环控制的串级调速系统

7．5．1 双闭环控制串级调速系统的组成

7．5．2 串级调速系统的动态数学模型

7．5．3 调节器参数的设计

7．5．4 串级调速系统的起动方式

7．6 异步电机双馈调速系统

7．6．1 双馈调速系统的构成

7．6．2 双馈调速系统的矢量控制

习题

第8章 同步电动机变压变频调速系统

8．1 同步电动机变压变频调速的特点及其基本类型

8．2 他控变频同步电动机调速系统

8．2．1 转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统

8．2．2 由交—直—交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统

8．2．3 由交—交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统

8. 2．4 按气隙磁场定向的同步电动机矢量控制系统

8. 2．5 同步电动机的多变量动态数学模型

8．3 自控变频同步电动机调速系统

8．3．1 梯形波永磁同步电动机(无刷直流电动机)的自控变频调速系统

8．3．2 正弦波永磁同步电动机的自控变频调速系统

习题

附录

附录1 几种传递函数的近似处理条件

附1．1 直流调速系统中电力电子变换器传递函数的近似处理条件

附1．2 三个小惯性环节的近似处理条件

附1．3 忽略反电动势动态影响的近似条件

附录2 典型Ⅱ型系统的闭环幅频特性峰值最小(Mrmin)准则——式(2—34)、式(2—35)、式(2—37)的证明

附录3 第3．5节使用的计算机辅助设计软件

附3．1 程序变量

附3．2 转速调节器设计软件

附3. 3 系统仿真软件

附录4 在功率不变条件下的坐标变换

附4．1 功率

本书是根据全国高等院校电工及自动化类专业教学指导委员会制定的教材规划编写的，是本教材的修订第3版。自本书第2版1992年出版以来，有关的科学技术已经取得了很大进步，电力电子变换器中以晶闸管为主的可控器件已逐步被MOSFET和IGBT等功率开关器件所取代，变换技术也因此由相位控制转变成脉宽调制(PWM)；模拟电子控制器已基本上让位于数字电子控制器；交流可调拖动逐步取代直流拖动已经成为不争的事实，交流拖动控制技术本身也有不小的进展。本书针对这些技术发展进行了全面的修订。

在内容上，本书包括直流拖动控制系统和交流拖动控制系统两篇。编写思路继承了前两版的特色，理论和实际相结合，应用自动控制理论解决电力拖动控制系统的分析和设计问题，以控制规律为主线，由简人繁、由低及高地循序深入，主要论述了系统的静、动态性能，并发展了实用价值很高的工程设计方法。

本书可作为高等学校电气工程与自动化、电气工程及其自动化专业和自动化专业的教材，也可供有关工程师和技术人员参考。

《电力拖动自动控制系统》（运动控制系统）针对这些技术发展进行了全面的修订。《电力拖动自动控制系统》（运动控制系统）包括直流拖动控制系统和交流拖动控制系统两篇。编写思路继承了前两版的特色，理论和实际相结合，应用自动控制理论解决电力拖动控制系统的分析和设计问题，以控制规律为主线，由简入繁、由低及高地循序深入，主要论述了系统的静、动态性能，并发展了实用价值很高的工程设计方法。

《电力拖动自动控制系统：运动控制系统（第3版）》是根据全国高等院校电工及自动化类专业教学指导委员会制定的教材规划编写的，是本教材的修订第3版。自本书第2版1993年出版以来，有关的科学技术已经取得了很大进步，电力电子变换器以晶闸管为主的可控器件已逐步被功率开关器件所取代，变换技术也因此由相位控制转变成脉宽调制（PWM）；模拟电子控制器已基本上让位于数字电子控制器；交流以可调拖动逐步取代直流拖动已经成为不争的事实，交流拖动控制技术本身也有不小的进展。

《电力拖动自动控制系统：运动控制系统（第3版）》可作为高等学校电气工程与自动化、电气工程及其自动化专业和自动化专业的教材，也可供有关工程师和技术人员参考。

《电力拖动自动控制系统:运动控制系统(第4版)》内容简介：根据全国高等学校电气工程与自动化系列教材编审委员会制定的普通高等教育电气工程与自动化类“十一五”规划教材的要求，在《电力拖动自动控制系统:运动控制系统(第4版)》第3版的基础上进行修订，成为第4版，并人选普通高等教育“十一五”国家级规划教材。

《电力拖动自动控制系统:运动控制系统(第4版)》第3版2003年出版，第3版主要体现了三方面的技术进步：全控型电力电子器件取代半控型器件，变换技术由相位控制转变成脉宽调制；模拟电子控制已基本上让位于数字电子控制；交流可调拖动系统逐步取代直流拖动系统已经成为不争的事实，而且交流拖动控制技术本身也有不小的进展。第4版在继承与发扬第3版特色的基础上，将计算机仿真与辅助设计逐步融入运动控制系统的性能分析与设计中。

第4版共3篇，第1篇直流调速系统，第2篇交流调速系统，第3篇伺服系统。编写的思路继承了前三版的特色，理论和实际相结合，应用自动控制理论解决运动控制系统的分析和设计问题，以转矩和磁链(或磁通)控制规律为主线，由简入繁、由低及高地循序深入，论述系统的静、动态性能。为了适应技术的发展，补充和添加了部分新内容，以供选用。

前言

常用符号表1

第1章电力拖动运动控制系统

基础5

11电力拖动系统的运动方程5

12电力拖动系统的负载特性6

121恒转矩负载特性6

122风机类负载特性6

123恒功率负载特性7

13电力拖动系统的转矩与功率8

131电动机允许输出的转矩和功率8

132调速方式与负载类型的配合9

14电力拖动系统的检测技术10

141模拟检测技术10

142数字检测技术12

思考题与习题19

第2章直流电动机调速系统20

21调速系统的性能指标20

211稳态指标21

212动态指标22

22直流调速系统的组成及数学模型24

221系统组成24

222可控直流电源24

223他励直流电动机38

23开环直流调速系统40

231静态特性40

232动态特性41

233开环直流调速系统的局限性42

24转速单反馈闭环直流调速系统43

241转速单反馈闭环系统的静

特性43

242转速单反馈闭环系统的稳

定性45

25闭环控制系统的工程设计方法47

251自动控制原理的基本结论47

252典型系统49

253近似典型系统58

26转速单反馈闭环直流调速系统的动

态设计62

261动态设计62

262电流截止负反馈64

263转速单反馈闭环直流调速系统

的局限性68

27转速电流双闭环直流调速系统的原

理和静态设计68

271电流反馈环的作用68

272双闭环直流调速系统的起动

过程70

273双闭环直流调速系统的稳态

设计71

28双闭环直流调速系统的动态设计73

281电流环设计73

282转速环设计74

283转速调节器积分退饱和超调78

284转速超调的抑制措施79

29转速电流双闭环直流调速系统的

抗扰特性82

291扰动模型82

292抗负载电流扰动的特性83

293抗扰性能的进一步改进85

210可逆直流调速系统88

2101H形PWM变换电源供电的可

逆直流调速系统88

2102可逆相控整流供电的直流调速

系统89

211本章小结92

思考题与习题93

第3章机电能量转换基础95

31磁路95

311磁场的建立95

312磁路的欧姆定律96

313磁路中铁心的作用97

32感应电动势98

321电磁感应定律与电动势98

322变压器电动势与运动电动势99

33磁场能量与电感100

331磁场储能与磁共能100

332电感及用电感表示的磁场

能量101

34机电能量转换的基本原理104

341典型的机电能量转换装置104

342电磁力和电磁转矩104

思考题与习题108

第4章异步电动机与调速110

41概述110

411直流电动机与交流电动机的

比较110

412交流电动机调速的技术突破111

413交流电动机调速的方法111

42异步电动机调速112

421旋转磁场112

422正弦波磁场的矢量表示及时

空矢量图114

423转矩的产生116

424稳态等效电路117

425机械特性120

426变压恒频(VVCF)运行120

427变压变频(VVVF)运行121

428恒流运行时的机械特性124

429绕线转子异步电动机调速126

43异步电动机的动态数学模型与

坐标变换130

431电动机等效的原则130

432坐标变换131

433三相异步电动机的多变量非

线性数学模型134

434异步电动机在两相dq坐

标系上的数学模型138

435三相异步电动机在两相坐标系

上的状态方程142

思考题与习题143

第5章异步电动机恒压频比控制146

51变压变频调速的一般基础146

511变压变频调速时的U/f关系146

512交直交电压型方波逆变器

的工作原理147

513交直交电流型方波逆变器

的工作原理147

514逆变器的电压控制方式148

52转速开环交直交电压型变频调

速系统149

521系统结构框图149

522系统的基本单元149

53转速开环交直交电流型变频调

速系统152

531系统结构框图152

532系统的基本单元153

54谐波的影响154

541转矩脉动154

542谐波发热155

543参数变化155

544噪声155

55脉宽调制158

551正弦PWM(SPWM)158

552电流跟踪型PWM161

553空间矢量PWM(SVPWM)163

56转速闭环转差频率控制的变频

调速系统169

561转速闭环磁链开环的转差频率

控制系统169

562转矩和磁链闭环的转差频率控

制系统170

57基于小信号模型的异步电动机

闭环控制171

58V/F控制的通用变频器175

581通用变频器的基本结构175

582通用变频器的控制方式178

583通用变频器的附加功能178

584通用变频器的保护180

585通用变频器的外围设备182

思考题与习题183

第6章异步电动机矢量控制与直接

转矩控制184

61矢量控制的基本思路184

611模仿直流电动机184

612矢量控制原理185

62按转子磁链定向异步电动机矢量

控制系统186

621按转子磁链定向的矢量控制

方程186

622转子磁链的电压和电流模型188

623异步电动机转子磁链定向矢

量控制系统191

624转差频率推算中参数变化的

影响与对策194

625无速度传感器矢量控制系统196

63基于动态模型按定子磁链控制的

异步电动机直接转矩控制198

631用定子和转子磁链表示的

转矩方程198

632定子电压矢量对磁链和转矩

的调节作用199

633异步电动机直接转矩控制

系统200

64矢量控制与直接转矩控制的比较204

思考题与习题204

第7章同步电动机与变频

调速206

71同步电动机206

711直流励磁同步电动机206

712永磁同步电动机210

72变磁阻电动机214

721开关磁阻电动机214

722步进电动机215

73同步电动机他控变频调速系统215

731正弦波永磁同步电动机

开环V/F控制216

732正弦波永磁同步电动机矢量

控制217

733直流励磁同步电动机调速

系统219

74同步电动机自控变频调速系统223

741梯形波永磁同步电动机无刷

直流电动机自控变频调速

系统224

742正弦波永磁同步电动机自控变

频调速系统230

75开关磁阻电动机调速系统231

76同步电动机在同步旋转dq坐标系

上的动态数学模型235

77交流电动机变频调速总结237

思考题与习题238

第8章电力拖动在运动控制系统

中的应用240

81电力拖动速度控制系统240

811恒压供水系统(无塔上水)240

812多电动机同步调速系统242

813卷绕机械恒张力控制245

82电力拖动位置控制系统245

821位置控制系统概述245

822电梯位置控制系统246

823运动对象的位置控制248

824时间最优的位置控制249

83数控机床伺服系统251

831数控机床概述251

832闭环伺服系统252

833数控机床的轨迹控制原理及

实现255

84机器人运动控制技术261

思考题与习题262

第9章计算机控制的电力拖动运动

控制系统263

91数字控制电力拖动运动控制基础263

911数字控制的电力拖动系统

结构263

912计算机控制系统的数学描述266

92连续域离散化设计269

921设计原理及步骤269

922各种离散化的方法270

923数字PID调节器的设计275

924PID调节参数的整定277

93电动机控制专用微处理器与集成

电路279

931单片机与DSP279

932专用集成电路282

94基于TMS320LF2407A的DSP电动机

控制系统286

941直流电动机的DSP控制286

942无刷直流电动机的DSP控制287

943异步电动机的DSP矢量控制291

思考题与习题297

思考题与习题参考答案298

参考文献3052100433B