交流电机数字控制系统（第3版）内容简介

本书全面系统地介绍了现代交流电机控制系统的基本原理、设计方法和数字控制技术，在介绍了交流电机数字控制系统的理论基础和硬件基础之后，分别阐述了交流电机控制系统的不同控制方法及其数字化的实现，重点介绍了已得到广泛应用的矢量控制系统、直接转矩控制系统的控制原理、控制规律和设计方法，并对无速度传感器控制系统和同步电机控制系统也给予了详细的介绍。 本次修订，第2章，增加一些新的硬件设计方案，如CPLD和FPGA的方案等。第3章增加近在高铁和地铁中用得比较多的特定消谐PWM、中间60°调制PWM、SVPWM过调制、方波调制等。第4章，增加近研究比较多的模糊控制、模型预测控制(MPC)、多相电机矢量控制、双馈电机控制等。第6章，对永磁同步电机PMSM部分的内容进行较大修订。

本书适宜于从事电气传动自动化、电机及其控制、电力电子技术的科技人员阅读，也可作为大专院校有关教师、研究生和高年级本科生的教学参考书。

《电气自动化新技术丛书》序言

第6届《电气自动化新技术丛书》编辑委员会的话

前言

绪论

0.1 交流电机控制系统的发展和现状

0.2 交流电机控制系统的类型

0.3 交流电机数字控制系统的特点

0.4 数字控制系统的一般问题

第1章 数字控制系统的理论基础

1.1 概述

1.2 连续域等效设计法

1.2.1 数字控制系统的性能要求

1.2.2 连续域离散化的方法

1.2.3 数字PID控制

1.2.4 数字PID控制的改进

1.3数字控制系统的z变换分析

1.3.1 z变换及其性质

1.3.2 数字控制系统的脉冲传递函数

1.4 数字控制系统的离散化设计

1.4.1 最少拍系统的设计

1.4.2 最少拍无纹波系统的设计

1.4.3 数字调节器的实现

1.5 数字控制系统的状态空间分析和设计

1.5.1 数字控制系统的状态空间方程

1.5.2 数字控制系统的一般性质

1.5.3 状态空间设计法

1.5.4 状态观测器

1.6 数字控制系统软件设计的实际考虑

1.6.1 数字控制系统软件设计

1.6.2 量化误差与比例因子

1.6.3 数据处理及数字滤波

参考文献

第2章 交流电机数字控制系统硬件基础

2.1 概述

2.2 微机控制系统硬件设计的一般问题

2.2.1 交流电机数字控制系统的设计方法和步骤

2.2.2 交流电机的数字控制系统总体方案的确定

2.2.3 微处理器芯片的选择

2.3 微处理器和控制芯片简介

2.3.1 单片机

2.3.2 数字信号处理器（DSP）

2.3.3 精简指令集计算机(RISC)

2.3.4 并行处理器和并行DSP

2.3.5 专用集成电路(ASIC)

2.4 交流电机数字化控制系统构成

2.4.1 总线系统

2.4.2 接口和外围设备

2.4.3 实时控制

2.4.4 信号检测

2.5 系统开发和集成

2.5.1 对开发系统的要求

2.5.2 通用数字化开发平台

2.5.3 硬件系统设计中的抗干扰问题

参考文献

第3章 电压型PWM变频调速异步电机数字控制系统

3.1 概述

3.2 变频调速的基本原理

3.2.1 变压变频（VVVF）控制原理

3.2.2 异步电机变压变频时的机械特性

3.3 电压型PWM变频器

3.3.1 电压型PWM变频器的主电路

3.3.2 PWM技术分类

3.3.3 PWM性能指标

3.4 正弦PWM技术

3.4.1 电压正弦PWM技术

3.4.2 电流正弦PWM技术

3.4.3 磁通正弦PWM技术

3.5 其他PWM技术

3.5.1 优化PWM技术

3.5.2 随机PWM技术

3.5.3 SVPWM过调制技术

3.5.4 同步调制PWM技术

3.5.5 小结

3.6 PWM变频调速异步电机开环控制

3.6.1 开环变频调速系统

3.6.2 开环通用变频器的软件设计

3.7 异步电机转速闭环控制系统

3.7.1 转差频率控制系统构成

3.7.2 转差频率控制系统的起动过程分析

3.7.3 转差频率控制系统的特点

参考文献

第4章 全数字化异步电机矢量控制系统

4.1 概述

4.2 异步电机矢量控制原理

4.2.1 异步电机数学模型

4.2.2 转子磁场定向矢量控制原理

4.2.3 转差频率矢量控制原理

4.2.4 气隙磁场定向矢量控制原理

4.2.5 定子磁场定向矢量控制原理

4.2.6 定子电压定向矢量控制系统

4.2.7 双馈电机矢量控制系统

4.2.8 异步电机矢量控制系统的基本环节

4.3 全数字化矢量控制系统设计

4.3.1 转子磁场定向矢量控制系统调节器设计

4.3.2 矢量控制中的电流调节器

4.3.3 基于模型预测控制的矢量控制

4.3.4 全数字化矢量控制系统硬件和软件构成

4.4 矢量控制中的磁通观测

4.4.1 开环观测模型

4.4.2 闭环观测模型

4.5 无速度传感器异步电机矢量控制系统

4.5.1 动态速度估计器法

4.5.2 基于PI调节器的自适应法

4.5.3 自适应速度观测器

4.5.4 转子齿谐波法

4.5.5 高频注入法

4.5.6 神经元网络法

参考文献

第5章 全数字化异步电机直接转矩控制系统

5.1 概述

5.2 直接转矩控制基本原理

5.2.1 电机数学模型

5.2.2 空间矢量PWM逆变器

5.2.3 磁链和转矩闭环控制原理

5.3 磁链和转矩控制性能分析

5.3.1 磁链控制性能分析

5.3.2 转矩控制性能分析

5.3.3 磁通和转矩的估算和观测

5.4 全数字化控制系统的实现

5.4.1 电压矢量的选择

5.4.2 控制系统硬件的实现

5.4.3 低速控制性能分析

5.4.4 改进算法

5.5 无速度传感器直接转矩控制

5.5.1 直接计算法

5.5.2 模型参考自适应法（MRAS）

参考文献

第6章 全数字化同步电机控制系统

6.1 概述

6.2 电励磁同步电机数学模型

6.3 电励磁同步电机高性能闭环控制

6.4 永磁同步电动机及其数学模型

6.4.1 永磁同步电机结构

6.4.2 永磁同步电机数学模型

6.4.3 永磁同步电机的电磁转矩方程

6.4.4 永磁同步电机的机械传感器

6.5 PMSM数字控制系统

6.5.1 永磁同步电机电流控制策略

6.5.2 数字化PMSM伺服系统总体设计

6.5.3 全数字PMSM伺服系统的性能

6.6 永磁同步电机无机械传感器控制

6.6.1 永磁同步电机无机械传感器技术概述

6.6.2 利用定子端电压和电流计算的方法

6.6.3 观测器基础上的估算方法

6.6.4 模型参考自适应法

6.6.5 基于高频信号注入的估算方法

6.6.6 人工智能理论基础上的估算方法

6.7 转子初始位置的检测策略

参考文献

附录

附录A交流异步电机多变量数学模型及广义派克方程

A.1 三相电机模型

A.2 坐标变换

A.3 广义派克方程及其复变形式

A.4 在同步旋转坐标系上的数学模型及状态方程

A.5 静止αβ坐标系下的异步电机数学模型

附录B 自动控制系统的工程设计法

B.1 工程设计方法的基本思路和要求

B.2 典型系统

B.3 典型系统参数和性能指标的关系

B.4 非典型系统的典型化

附录C 变频器控制下的异步电机参数测量

C.1 定子电阻测量方法说明

C.2 短路实验方法

C.3 空载实验方法

参考文献2100433B

录

目录

第2版前言

第1版前言

主要符号表

第1章绪论

1.1交流电机动态分析的发展

1.2交流电机动态分析的特点和

步骤

1.3常用的数学方法

1.4坐标变换

1.5常用的坐标系和坐标变换

1.6交流电机的等效电路

参考文献

第2章三相感应电动机的运动方程

2.1在ABC坐标系中感应电动机的运动

方程

2.2在αβ0坐标系中感应电动机的运动

方程

2.3转子量变换到定子坐标系时感应电动机

的运动方程

2.4用空间矢量表示时感应电动机的运动

方程

2.5在任意转速的通用坐标系中感应电动机

的运动方程

2.6感应电动机的状态方程

2.7双笼型感应电动机的运动方程

参考文献

第3章感应电动机的动态分析

3.1恒速投入电网时三相感应电动机

的电磁瞬态

3.2三相感应电动机起动过程的动态

分析

3.3突加负载时三相感应电动机的动态

过程

3.4三相感应电动机瞬间断电后重新投入

电网时的动态过程

3.5三相感应电动机的突然短路

参考文献

第4章同步电机的运动方程

4.1在相坐标系中同步电机的运动方程

4.2在dq0坐标系中同步电机的运动

方程

4.3同步电机的标幺值

4.4用标幺值表示时dq0坐标系中同步

电机的运动方程

4.5在αβ0坐标系中同步电机的运动

方程

4.6用120分量和空间矢量表示时同步

电机的运动方程

4.7同步电机的状态方程

4.8同步电机的运算电抗及其等效电路

4.9用微分算子形式的运算电抗和传递

函数表示时，αβ0和120坐标系中

的磁链方程

参考文献

第5章同步电机的稳态异步运行

5.1同步电机的对称稳态同步运行

5.2同步电动机的稳态异步运行

5.3同步电机的负序电抗

5.4功角作正弦小振荡时同步电机的电磁

转矩

5.5正弦大振荡时同步电机的整步转矩和

阻尼转矩系数

参考文献

第6章同步电机的动态分析

6.1同步发电机的三相突然短路

6.2线间突然短路

6.3单相突然短路

6.4定子接有电容时同步电机的运行

6.5突加负载时同步电动机的动态分析

6.6凸极同步电动机的牵入同步

参考文献

第7章交流电动机的调速

7.1交流电动机的电磁转矩和电力

传动

7.2空间矢量与矢量控制

7.3三相感应电动机基于转子磁场的

矢量控制

7.4感应电动机的矢量控制方程

7.5三相感应电动机的直接转矩控制

7.6同步电动机的矢量控制

参考文献

附录

附录A凸极同步电机定子绕组的自感

和互感

附录Bdq0变换的导出

附录C常用数学表达式的傅里叶级数

展开

附录D感应电动机的自感、互感和T形

等效电路中各电抗的关系2100433B

本书共7章。第1章是预备知识，主要说明交流电机动态分析的特点、步骤和基本方法，包括坐标变换、等效电路、运动方程和状态方程的建立及其解法。第2～6章阐明在常用的各种坐标系中，感应电机和同步电机的运动方程、运算电抗和状态方程的导出，许多经典电磁瞬态问题的解法和一些典型动态问题的求解。第7章介绍交流电动机的调速。书未有4个附录，对某些问题进行了进一步地推导。本书是高等学校电气工程学科的研究生教材，也可供高等学校教师以及电机设计和运行方面的工程技术人员作为参考用书。

本书第2版自2008年问世至今已经走过6个年头，承蒙很多高校材料力学教学第一线的老师和同学以及业余读者的关爱和支持，已经连续印刷了10次。 2012年获得清华大学优秀教材特等奖；同年，相应的教学成果获得北京市高等学校优秀教学成果一等奖。2012年本书第3版被列入 “十二五”普通高等教育本科国家级规划教材；2013年被批准为清华大学“985”三期名优教材建设项目立项。

最近的6年里，著者秉承不断提高课程重量、着力培养学生创新思维能力的教育与教学理念，先后在清华大学、南京航空航天大学、北京工业大学以及北京邮电大学从事“材料力学”研究型教学的研究与实践，坚持全过程讲授这门课程，授课对象每年约200名。在同事和同学们的支持与帮助下，对于教育和教学改革又有了一些新的体会和收获。材料力学（第3版）将着重反映6年来我们在研究型教学方面所取得的成果。主要有: 怎样在基于普遍提高教学质量的基础上，培养学生的创新思维能力；怎样提高课程的吸引力，增强课程教学的学术性；怎样挖掘基本教学内容的深度；怎样对传统内容中的某些概念、理论和方法加以改革和更新，突出挑战性。基于此，本书第3版修订的主要内容有以下几方面。

第一，调整了部分章节，将材料的力学性能从“第2章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题”中独立出来，形成“第3章 常温静载下材料的力学性能”； 重写了“剪力图与弯矩图”作为第6章；将原来的第6章分为3章: “第7章 平面弯曲正应力分析与强度设计”和“第8章 弯曲剪应力分析与弯曲中心的概念”以及“第9章 斜弯曲、弯曲与拉伸或压缩同时作用时的应力计算与强度设计”；将原来的第8章分为: “ 应力状态与应变状态分析”和“一般应力状态下的强度设计准则及其工程应用”，分别列为第11章和12章；将原来的12章也分为两章: “动载荷与动应力概述”和“疲劳强度与构件寿命估算概述”，分别列为第16章和第17章。

第二，增加了部分教学内容，主要有: 部分非金属材料的力学性能；梁的位移叠加法中的逐段刚化法；应变分析；细长压杆实验结果；线性累积损伤与疲劳寿命估算等。

第三，将力系简化的方法引入横截面的内力分析，改革传统剪力图与弯矩图的画法。

第四，正确处理变形与位移概念的联系与区别，将确定梁的转角和挠度的章节名改为“梁的位移分析与刚度设计”。

第五，在部分章节引入“反问题”: 相对于正问题，反问题的解答不是唯一的，通过对于反问题的思考，一方面可以加深对于正问题的理解；另一方面可以激励创新思维。

第六，在部分章节设计了“开放式思维案例”作为学生课外学习和研究的资源。最近几年的教学实践表明，这对于刺激思维鼓励创新是一种有效的措施。材料力学（第3版）第七，增加了若干工程案例以及灾难性工程事故的力学解析。

第八，增加和改变了部分例题和习题。

随着课程研究型教学在更多高校开展、深入和发展，材料力学的课程教学以及教材建设还会遇到一些新问题，我们将一如既往地坚持“在教学中研究，在研究中教学”，以不断提高人才培养质量为己任，在教学实践的基础上，不断提高材料力学教材的质量。

这一版的初稿于2012年下半年—2013年上半年在国内完成；2013年7—8月在加拿大多伦多定稿。定稿期间，得到旅加的赵渊先生和范心明女士的大力支持和协助，在本书出版之际，著者谨表诚挚谢意。

诚挚地感谢广大读者对本书的关爱，希望大家对本书的缺点和不足提出宝贵意见。

范钦珊2014.1.11