无刷直流电机矢量控制技术

第1部分 基础篇

第1章 电机技术成了战略技术——环境和能源问题备受关注的时代

1.1 有近200年历史的电机技术是支撑人们生活和生产的重要基础 002

1.2 总耗电量的57.3%来自电机—电机控制技术是节电的关键 002

1.3 无刷直流电机矢量控制技术的引入 003

1.4 从感应电机到无刷直流电机的矢量控制 005

1.5 本书的目的 005

1.6 无刷直流电机矢量控制技术的发展 007

第2章 有刷直流电机的工作原理和特征、驱动电路——从常见的电机开始讲解

2.1 至今仍被经常使用的有刷直流电机 009

2.2 有刷直流电机的结构和旋转机理 010

2.3 有刷直流电机的工作原理和特征 011

2.4 有刷直流电机是发电机 013

2.5 电机的启动电流和额定电流 015

2.6 电机即发电机的应用——电机制动器 016

2.7 再生制动是应用于EV的重要技术 019

2.8 直流电机专用的FET全桥驱动器IC VNH3SP30-E 019

附录 步进电机的工作原理和特点 022

第3章 无刷直流电机的特征和工作原理——节能、长寿命、高可靠性

3.1 长寿命、无噪声、无尘的无刷直流电机 025

3.2 高能效的无刷直流电机得以实现 026

3.3 无刷直流电机是电动汽车的战略技术支撑 028

3.4 无刷直流电机的结构 028

3.5 无刷直流电机的驱动方式 031

3.6 无刷直流电机的驱动电路 031

3.7 无刷直流电机的无传感器、方波驱动和矢量控制 036

附录 交流感应电机的工作原理 038

第4章 无刷直流电机驱动方式的进化——无传感器驱动、正弦波驱动

4.1 采用无传感器驱动的理由 042

4.2 根据线圈感应电压进行无传感器驱动的原理 044

4.3 无传感器驱动IC TB6588 046

4.4 正弦波驱动方式的优点 052

4.5 始动时采用方波驱动，运转时过渡为正弦波驱动 055

第5章 无刷直流电机矢量控制理论——让电机发挥最大转矩

5.1 矢量控制技术的优点 058

5.2 矢量控制的概念和控制方式、基本控制流程 059

5.3 矢量控制的电流检测方式 061

5.4 矢量控制的坐标变换 068

5.5 多用于重视成本的家电产品的无传感器控制 070

5.6 速度控制、电流控制和坐标变换 072

第2部分 应用篇

第6章 无刷直流电机矢量控制实际——矢量控制问题与内置矢量引擎的微控制器TMPM370

6.1 矢量控制技术用于家电产品的时代 076

6.2 矢量引擎电机控制器的规格 078

第7章 无刷直流电机矢量控制编程——了解内置矢量引擎的微控制器TMPM370

7.1 矢量控制的软件开发环境和无刷直流电机控制流程 087

7.2 矢量控制软件由应用程序、电机控制、电机驱动三阶段构成 090

7.3 三阶段间的接口是命令和信息 091

7.4 应用程序函数、电机控制函数、电机驱动函数 093

7.5 矢量控制软件的详细数据 102

第8章 无刷直流电机矢量控制开发平台——使用内置矢量引擎的微控制器TMPM370

8.1 概述 115

8.2 微控制器外围电路的设计 122

8.3 无刷直流电机的驱动电路和电源电路设计 125

8.4 无刷直流电机的选型及特性 127

8.5 动作参数的修改和具备记录功能的GUI程序的开发 131

第9章 定位伺服控制板的开发和机器人应用——使用TMPM370驱动双足步行机器人

9.1 轻量、小型、强力的定位伺服控制板 134

9.2 定位伺服控制板的设计 138

9.3 定位控制程序的流程图 140

笔者介绍 146

《无刷直流电机矢量控制技术》以无刷直流电机为研究对象，从电机是如何旋转的入手，在介绍有刷直流电机的基础上，深入浅出地讲解无刷直流电机矢量控制技术。

《无刷直流电机矢量控制技术》分为2个部分，共9章：电机技术成了战略技术，有刷直流电机的工作原理和特征、驱动电路，无刷直流电机的特征和工作原理，无刷直流电机驱动方式的进化，无刷直流电机矢量控制理论，无刷直流电机矢量控制实际，无刷直流电机矢量控制编程，无刷直流电机矢量控制开发平台，定位伺服控制板的开发和机器人应用。

本书共分9个章节，对永磁无刷直流电机的控制技术与应用作了系统地介绍，具体内容包括永磁无刷直流电机的数学模型及仿真研究、永磁无刷直流电机的电子电路、永磁无刷直流电机转矩脉动和铁耗抑制、永磁无刷直流电机锁相环速度控制技术、无位置传感器永磁无刷直流电机控制等。该书可供各大专院校作为教材使用，也可供从事相关工作的人员作为参考用书使用。

随着科学技术的不断发展，对永磁无刷直流电机调速系统转速和转矩的性能要求越来越高。各种传统的控制方法也伴随着科学发展和技术进步不断更新，许多经典的控制方法在新技术硬件平台上获得了比以往更优良的性能。特别是数字信号处理器和可编程逻辑器件出现，极大地推动了永磁无刷直流电机控制技术不断向集成化、智能化方向发展。

本书共9章。第1章概括地介绍了永磁无刷直流电机的结构、原理、调速性能、控制方法以及在磁悬浮飞轮中的应用；第2章建立了永磁无刷直流电机系统模型，以验证各种先进的电机控制方法的应用效果；第3章系统地介绍了永磁无刷直流电机的电子电路，这部分内容是作者十几年来从事永磁无刷直流电机控制系统研制工作的总结；第4章对转矩脉动进行了分析，介绍了各种抑制转矩脉动的方法，同时针对高速永磁无刷直流电机的低功耗驱动问题，提出了降低电机铁耗的控制方法；第5章介绍了基于锁相环的高精度转速控制方法；第6章介绍了小电枢电感永磁无刷直流电机的无位置传感器控制方法；第7章针对永磁无刷直流电机伺服系统，介绍了高性能数字控制方法；第8章介绍了永磁无刷直流电机在磁悬浮储能飞轮中的应用；第9章，以高速磁悬浮飞轮用永磁无刷直流电机为例，介绍了永磁无刷直流电机电磁场的分析和计算方法。

本书既适用于永磁无刷直流电机控制系统的设计和研发人员，又可作为工程技术人员的技术参考书和高校相关专业研究生的参考书。

矢量之间的运算要遵循特殊的法则。矢量加法一般可用平行四边形法则。由平行四边形法则可推广至三角形法则、多边形法则或正交分解法等。矢量减法是矢量加法的逆运算，一个矢量减去另一个矢量，等于加上那个矢量的负矢量。A-B=A (-B)。矢量的乘法。矢量和标量的乘积仍为矢量。矢量和矢量的乘积，可以构成新的标量，矢量间这样的乘积叫标积；也可构成新的矢量，矢量间这样的乘积叫矢积。例如，物理学中，功、功率等的计算是采用两个矢量的标积。W=F·S，P=F·v，物理学中，力矩、洛伦兹力等的计算是采用两个矢量的矢积。M=r×F，F=qv×B。

我国各地兴建的许多地下停车场，不仅安装大量光源，并且24小时照明，浪费了大量电能。矢量照明的应用即当有人、车出入需要照明时，系统会在高亮状态下运行，反之则保持节电的低亮状态，比传统照明方式节电80%以上。

矢量照明的原理即矢量图像的原理。矢量图像由被称为矢量的数学对象定义的线条和曲线组成。 矢量根据图像的几何特性描绘图像。 例如，矢量图形中的靴带由特定的宽度和长度定义，设置在特定位置，并以特定颜色填色。 不论是移动靴带、调整其大小，还是更改其颜色，都不会降低图形的品质。同样光束也可以根据不同的照明需要和照明环境、照明风格设计进行调整，即达到了视觉美化效果，也保证了光源质量。

传统照明只有一个单一的亮度指标，只调明暗，而矢量照明则是一个多维度、多参量照明。相对传统照明而言，它的优势更加明显：不仅能调明暗，还能调色温、色调，如可以根据个人喜好和场所需要调成偏绿、偏蓝、偏红等不同风格。LED光源出现后，把照明的概念拓展了，不光是一个照亮的问题，更重要的是发挥了一种环境渲染、改变氛围、增加情趣、调节情绪、改变心情的功能，从而给照明灯具赋予了新的内涵。2100433B

矢量，数学术语，又称向量。既有大小又有方向的量。一般来说，在物理学中称作矢量，在数学中称作向量。在计算机，矢量图可以无限放大永不变形。

矢量的概念实际上根源于格式塔心理学对人的视知觉的研究。格式塔心理学建立在大量实证的基础之上，主要研究人的知觉。格式塔心理学认为，我们人类在感知环境时，总是倾向于在头脑中去填充信息的缺失，使其成为易于掌控的完整的图案和形态。

比如下图。图1A图中的完形结果是左面的两个圆是一组，而图1B图的完形结果是右面的两个圆是一组。通过那两个鼻子，三个图形的位置并没有变，我们改变了三个圆之间的“力”。 图1　A图中左面两个圆之间的“引力”较大，让我们认为它们俩是一组。而图1B图中的两个小鼻子，为右面的两个圆形之间添加了一个更强大的吸引力，大过了左面两个圆之间的吸引力，我们觉得它们俩成了一组。 　由于心理完形的存在，对图像的认识，人们就具有了共通的倾向性。这被格式塔心理学称为“力”。 　在电影中，这种屏幕内的力引导观众的实现从一点到另一点。这样的力具有方向和强度，被称为“矢量”。