交流伺服控制系统

前言

第1 章　伺服控制系统概述 1

1. 1　伺服控制系统的基本概念 1

1. 1. 1　伺服控制系统的定义 1

1. 1. 2　伺服控制系统的组成 1

1. 1. 3　伺服控制系统性能的基本要求 1

1. 1. 4　伺服控制系统的种类 2

1. 2　电气伺服控制系统的发展 2

1. 2. 1　电气伺服控制系统的发展过程 2

1. 2. 2　驱动产品概况 3

1. 2. 3　发展趋势 5

1. 3　交流伺服控制系统 6

1. 3. 1　交流伺服控制系统的驱动方式与

应用 8

1. 3. 2　交流伺服控制系统的应用前景 10

习题和思考题 11

第2 章　交流伺服控制系统基础知识 12

2. 1　控制器芯片 12

2. 1. 1　STM32 系列芯片的结构及性能 12

2. 1. 2　STM32 的存储空间及时钟 13

2. 1. 3　STM32 的中断系统 21

2. 1. 4　STM32 的定时器 25

2. 1. 5　STM32 的A-D 转换器 26

2. 1. 6　STM32 应用举例 30

2. 2　交流伺服控制系统功率变换电路 35

2. 2. 1　逆变电路 35

2. 2. 2　驱动电路 39

2. 2. 3　带有死区的PWM 波形 40

2. 3　交流伺服电动机 41

2. 3. 1　同步型交流伺服电动机 41

2. 3. 2　感应型交流伺服电动机 41

2. 3. 3　两种交流伺服电动机的比较 42

习题和思考题 42

第3 章　交流伺服控制系统中的编程

技术 45

3. 1　定点CPU 的数据Q 格式 45

3. 1. 1　Q 格式说明 45

3. 1. 2　电动机控制中电流采样值的Q

格式处理 46

3. 2　PI 调节器的数字实现方法 47

3. 2. 1　模拟PI 调节器的数字化 47

3. 2. 2　改进的数字PI 算法 48

3. 2. 3　数字PI 调节器的举例 49

3. 3　PWM 驱动信号 52

3. 3. 1　三相互补的PWM 驱动 52

3. 3. 2　无刷直流电动机的PWM 驱动 55

3. 4　数字测速 58

3. 4. 1　旋转编码器 58

3. 4. 2　数字测速方法的精度指标 59

3. 4. 3　M 法测速 60

3. 4. 4　T 法测速 61

3. 4. 5　M / T 法测速 62

3. 4. 6　M / T 法速度测量的实现 64

3. 4. 7　M / T 法例程 65

习题和思考题 69

第4 章　电压空间矢量PWM 71

4. 1　电压空间矢量PWM 控制技术 71

4. 1. 1　空间矢量的定义 71

4. 1. 2　电压与磁链空间矢量的关系 72

4. 1. 3　PWM 逆变器基本输出电压矢量 73

4. 1. 4　正六边形空间旋转磁场 74

4. 1. 5　期望电压空间矢量的合成与

实现 75

4. 2　SVPWM 三个关键问题的解决 76

4. 3　SVPWM 编程实例 86

习题和思考题 91

Ⅴ

第5 章　无刷直流电动机控制技术 92

5. 1　无刷直流电动机的结构和工作原理 92

5. 1. 1　无刷直流电动机的结构 92

5. 1. 2　无刷直流电动机的霍尔传感器

位置检测 93

5. 1. 3　无刷直流电动机的工作原理 96

5. 1. 4　三相多槽多极对电机结构 98

5. 1. 5　无刷直流电动机的双闭环调速

系统 99

5. 2　无刷直流电动机控制系统 100

5. 2. 1　硬件电路 100

5. 2. 2　控制系统程序设计 105

5. 2. 3　电动机起动分析 105

5. 2. 4　STM32 的TIM1 与TIM2 中断 106

5. 2. 5　具体程序 106

5. 2. 6　程序分析 110

5. 3　无刷直流电动机无霍尔传感器控制

方法与实现 113

5. 3. 1　采用无位置传感器控制的

必要性 113

5. 3. 2　无刷直流电动机无位置传感器

控制方法 114

5. 3. 3　无刷直流电动机无位置传感器

控制原理框图 114

5. 3. 4　无霍尔传感器控制软件编程

设计 114

5. 4　无刷直流电动机相序测定方法 118

5. 5　无刷直流电动机的制动 119

习题和思考题 121

第6 章　永磁同步电动机控制技术 122

6. 1　永磁同步电动机控制原理 122

6. 1. 1　永磁同步电动机的数学模型 123

6. 1. 2　永磁同步电动机矢量控制原理 126

6. 2　永磁同步电动机控制的硬件设计 127

6. 2. 1　永磁同步电动机驱动器的总体

硬件电路 127

6. 2. 2　与无刷直流电动机硬件的差别 128

6. 3　永磁同步电动机控制的软件设计 129

6. 3. 1　软件设计总体结构 129

6. 3. 2　合成电压矢量幅值及其与d 轴

夹角的计算 133

6. 3. 3　电动机转子实时角度的计算 137

6. 3. 4　定时器中断程序分析 138

习题和思考题 142

第7 章　异步电动机矢量控制技术 143

7. 1　异步电动机动态数学模型 143

7. 1. 1　异步电动机动态数学模型的

性质 143

7. 1. 2　异步电动机三相原始数学模型 144

7. 2　坐标变换控制的基本思想 148

7. 3　坐标变换 149

7. 4　异步电动机在两相坐标系上的动态

数学模型 152

7. 5　异步电动机在两相坐标系上的状态

方程 155

7. 6　异步电动机按转子磁链定向的矢量

控制系统 158

7. 6. 1　按转子磁链定向同步旋转坐标系

中的状态方程 159

7. 6. 2　按转子磁链定向矢量控制的基本

思想 160

7. 6. 3　按转子磁链定向矢量控制系统的

实现 161

7. 6. 4　磁链开环转差型矢量控制

系统———间接定向 161

7. 7　CPU 在异步电动机矢量控制系统中的

实现 162

7. 7. 1　控制系统总体设计 162

7. 7. 2　编程分析 163

7. 8　两个常见问题 173

习题和思考题 180

附录　缩略语对照表 181

参考文献 1842100433B

本书首先介绍了交流伺服控制系统及编程的基础知识，然后以实现无刷直流电动机控制、永磁同步电动机控制及异步电机控制技术为重点，介绍STM32芯片在交流伺服控制的应用。全书共七章，第1章概要介绍了交流伺服系统。第2章介绍了交流伺服控制系统基础知识，包括STM32的结构及性能、存储空间及时钟、中断系统、定时器及A/D转换器。第3章围绕电动机的控制技术方面编程需要，重点介绍了数据Q格式、电动机驱动的PWM信号、数字PI调节器、数字测速的编程实现方法。第4章针对控制系统的实现，介绍了电压空间矢量PWM（SVPWM）和旋转变换控制技术。第5-7章以STM32的控制在实际应用分别对无刷直流电动机控制器、永磁同步电动机控制及异步电动机控制技术做了详细介绍。