先进电气驱动的分析.建模与控制

作者：（比利时）当克尔（Rik De Doncker） （荷兰）泊勒（Duco W.J.Pulle） （荷兰）韦尔特曼（Andre Veltman） 译者：连晓峰

设计的完善程度在很大程度上取决于驱动应用的特性。例如，在飞行器和电动车方面，需要很高的功率密度值，这可通过对电机和变换器进行更丰富的计算机建模来实现。这些研究要求采用复杂的二维或三维有限元（FEM）仿真来对电机的磁场特性进行分析评价。另外，还有用于研究电机和变换器热特性的软件工具。在原型机实现之前，还需仔细考虑和分析电机的噪声和振动模式。

一个应用上述设计过程的驱动示例如图1.10所示。图中所用电机是一个与功率变换器相连的96相永磁球形同步电机。96相变换器模块中的每一个模块都由一个在磁场定向控制下的专用控制单元独立控制。利用一个用于确定适当相电流的全局控制算法在高转矩密度水平下以微米精度来控制转子。

设计阶段完成后，建立和评价驱动器原型。一般而言，整体实验性能与设计阶段的结果一致。这种工程项目表明对于驱动工程人员需要深刻理解电机、机电工业过程、电力电子、无源和有源电路、控制硬件、软件设计工具、通信和控制算法等一系列相关技术。掌握和扩展这些技术对于下一代驱动工程师是一个巨大挑战。

1.4实验装置

本书开发的控制算法将通过一个可用于教学和研究工作的测试平台来进行实验验证。实验装置包括4个不同的电机、DSP系统和电源机架，如图1.11所示。图中给出所用的所有部件，包括交流电机（ASM）、开关磁阻电机（SRM）、永磁同步电机（PMSM）和直流电机（DCM）。另外，图中还给出了软件AixScope的截图。

为实现对每个电机的控制，首先需要在CASPOC中建立控制和驱动模型（见图1.12）。这些模型采用与每章实例中相同的基本模块。利用CASPOC中C代码的导出功能，控制算法的代码传送给嵌入在测试平台代码中的虚拟DSP。利用软件AixControl—Center，编译后的代码上传给测试平台，由此来测试电机。随后章节中的所有实验结果都可利用软件AixScope进行测试。图1.12给出了用于所有试验电机的开发过程。

《国际电气工程先进技术译丛:先进电气驱动的分析、建模与控制》可作为从事电气自动化专业的工程和研究人员的参考书，也可作为高等院校自动化、电气工程及机电一体化相关专业高年级本科生和研究生的教材。

译者序

原书序

前言

致谢

第1章现代电机驱动：概述

1.1引言

1.2驱动技术的发展趋势

1.2.1电机

l.2.2功率变换器

1.2.3嵌入式控制和通信链接

1.3驱动设计方法

1.4实验装置

第2章电力电子变换器的调制

2.1引言

2.2单相半桥变换器

2.3单相全桥变换器

2.4三相变换器

2.4.1空间矢量调制

2.5死区效应

2.6实例教程

2.6.1实例教程l：脉宽调制的半桥变换器

2.6.2实例教程2：脉宽调制和死区效应的半桥变换器

2.6.3实例教程3：脉宽调制的全桥变换器

2.6.4实例教程4：脉冲居中的三相脉宽调制器

2.6.5实例教程5：脉宽调制的三相变换器

2.6.6实例教程6：无脉宽调制的三相简化变换器

第3章广义负载的电流控制

3.1单相负载的电流控制

3.1.1滞环电流控制

3.1.2基于模型的电流控制

3.1.3基于增强模型的电流控制

3.2三相负载的电流控制

3.2.1三相滞环电流控制

3.2.2基于模型的三相电流控制

3.2.3基于增强模型的三相电流控制

3.2.4滞环电流控制器和基于模型电流控制器的频谱

3.3实例教程

3.3.1实例教程1：单相滞环电流控制

3.3.2实例教程2：基于模型的单相电流控制

3.3.3实例教程3：基于方框法的三相滞环电流控制

3.3.4实例教程4：基于模型的三相电流控制

3.3.5实例教程5：采用简化方法无PwM的基于模型的三相电流控制

第4章驱动原理

4.1ITF和IRllF概念

4.2电磁转矩控制原理

4.2.1直流电机

4.2.2同步电机

4.2.3异步电机

4.3驱动动力学

4.3.1线性和旋转运动

4.3.2旋转到平移的变速器

4.3.3齿轮传动

4.3.4传动系统的动态模型

4.4转速闭环控制设计原理

4.5实例教程

4.5.1实例教程1：初级同步电机驱动

4.5.2实例教程2：初级异步（感应）电机驱动

4.5.3实例教程3：初级直流电机驱动

4.5.4实例教程4：驱动动力示例

4.5.5实例教程5：转速闭环控制设计示例

第5章直流电机的建模与控制

5.1电流控制的他励直流电机

5.1.1直流电机的符号模型

5.1.2直流电机的通用模型

5.2磁场定向的电机模型

5.3他励直流电机的控制

5.3.1控制器概念

5.3.2驱动器的工作边界

5.3.3基于IRTF模型的电流源

5.3.4基于模型的电流控制的电压源

5.4实例教程

5.4.1实例教程1：分段换向的有刷直流电机的电流源模型

5.4.2实例教程2：电流源和电压源的有刷直流电机建模

5.4.3实例教程3：具有弱磁控制器的电流源有刷直流电机

5.4.4实例教程4：基于模型的电流控制和弱磁控制器下的直流驱动运行

5.4.5实例教程5：基于模型的电流控制和转速控制环下的直流驱动

5.4.6实例教程6：直流电机的实验结果

第6章同步电机建模概念

6.1非凸极式电机

6.1.1非凸极式电机的符号模型

6.1.2通用模型

6.1.3转子定向模型：非凸极式同步电机

6.1.4稳态分析

6.2凸极式同步电机

6.2.1通用模型

6.2.2凸极式同步电机的转子定向模型

6.2.3稳态分析

6.3实例教程

6.3.1实例教程1：非凸极式同步电机的动态模型

6.3.2实例教程2：非凸极式同步电机的稳态模型

6.3.3实例教程3：同步电机的定子磁链励磁动态模型来阐述转子磁链定向概念

6.3.4实例教程4：凸极可调同步电机的动态模型

6.3.5实例教程5：凸极式同步电机的稳态分析

第7章同步电机驱动控制

7.1控制器工作原理

7.2非凸极式同步电机控制

7.2.1驱动限制条件下的运行

7.2.2非凸极永磁电机驱动的弱磁运行

7.2.3恒定定子磁链控制的非凸极永磁电机驱动的弱磁运行

7.2.4恒定定子磁链和单位功率因数控制的电励磁非凸极电机驱动的弱磁运行

7.3凸极式同步电机控制

7.4电流控制同步电机的磁场定向控制

7.5电压源同步电机的磁场定向控制

7.6实例教程

7.6.1实例教程1：非凸极式同步电机驱动

7.6.2实例教程2：恒定定子磁通下的非凸极式同步电机的驱动运行

7.6.3实例教程3：单位功率因数下的非凸极式同步电机的驱动运行

7.6.4实例教程4：凸极式同步电机驱动

7.6.5实例教程5：基于模型电流控制的永磁凸极式同步电机驱动

7.6.6实例教程6：非凸极式永磁同步电机驱动的实验结果

第8章异步电机建模概念

8.1笼型异步电机

8.2异步电机的零漏感模型

8.2.1基于IRTF的异步电机模型

8.2.2磁场定向模型

8.3具有漏感的电机模型

8.3.1基于基本IRTF的模型

8.3.2基于IRTF的通用模型

8.3.3静止坐标定向通用模型

8.3.4磁场定向通用模型

8.3.5同步参考坐标系定向的Heyland图

8.3.6电压源异步电机稳态分析

8.4参数辨识与定子和转子磁链幅值的估计

8.5单相异步电机

8.5.1容性单相异步电机的稳态分析

8.6实例教程

8.6.1实例教程1：异步电机简化模型

8.6.2实例教程2：通用异步电机模型

8.6.3实例教程3：静止坐标系定向的通用异步电机模型

8.6.4实例教程4：电流控制零漏磁定向电机模型

8.6.5实例教程5：电流控制的通用磁场定向模型

8.6.6实例教程6：根据铭牌数据和已知定子电阻的参数估计

8.6.7实例教程7：与电网连接的异步电机

8.6.8实例教程8：与电网连接的异步电机的稳态特性

8.6.9实例教程9：与电网连接的单相异步电机

第9章异步电机驱动控制

9.1伏频（V/f）控制

9.1.1简单V/f转速控制器

9.1.2具有测速传感器的V/f转矩控制器

9.2磁场定向控制

9.2.1控制器工作原理

9.2.2控制器结构

9.2.3UFO模块结构

9.2.4利用所测转速或转角的IFO

9.2.5具有气隙磁通传感器的DFO

9.2.6具有感应线圈的DFO

9.2.7具有电压和电流互感器的DF0

9.2.8具有电流和转速变送器的DF0

9.3转子磁链定向控制的驱动运行边界

9.4转子磁链定向异步电机驱动的弱磁运行

9.5磁场定向控制器和电流控制异步电机的接口

9.6磁场定向控制器和电压源异步电机的接口

9.7实例教程

9.7.1实例教程1：简化的V/f驱动

9.7.2实例教程2：转速传感器的V/f驱动

9.7.3实例教程3：电流源电机模型和已知转角的通用磁场定向控制

9.7.4实例教程4：uFO控制器和基于模型电流控制的异步电机驱动

9.7.5实例教程5：uF0控制器和弱磁控制器的转子磁链定向异步电机驱动

9.7.6实例教程6：uF0控制器异步电机的实验结果

第10章开关磁阻电机驱动系统

10.1电机基本概念

10.2工作原理

10.2.1单相电机概念

10.2.2转矩产生和能量转换原理

10.2.3单相开关磁阻电机：线性示例

10.2.4开关磁阻电机建模概念

lO.2.5磁化特性的表示

10.2.6变换器和控制概念

10.2.7低速和高速驱动工作示例

10.3多相电机

10.3.1变换器概念

10.4开关磁阻电机驱动的控制

lO.4.1驱动特性和工作范围

10.4.2驱动工作过程

10.4.3直接瞬时转矩控制

10.5开关磁阻电机样机

10.6实例教程

10.6.1实例教程1：电流励磁的线性开关磁阻电机分析

10.6.2实例教程2：电压励磁和滞环电流控制器的非线性开关磁阻电机

10.6.3实例教程3：电压励磁和PwM控制器的非线性开关磁阻电机

10.6.4实例教程4：电压励磁和滞环控制的四相非线性开关磁阻电机模型

10.6.5实例教程5：电压励磁和直接瞬时转矩控制的四相非线性开关磁阻电机模型

附录

附录A缩略语

附录B符号表

附录C上／下角标表

参考文献

　　内容简介《工业系统的驱动、测量、建模与控制》为一、二年级理工科本科生的工程训练而编写，上册内容是工业系统的驱动与测量，分为以下两个部分。第一部分是工业系统中常用的驱动元件、执行元件和控制元件，第二部分是工业系统测量的基本内容。很多章配有器材和装置上的操作与观察训练。本书的立意、材料组织和教学法都体现了作者“面向工业系统”的工程训练教学思想。本书为普通高等教育“十一五”国家级规划教材，本书上册分为两个部分。第一部分简要叙述工业系统的一般组成及执行器和驱动器的作用，介绍了常见的机械执行机构以及电气、液压、气动驱动元件、执行元件和控制元件。第二部分通过对几种物理量的测量介绍了工业系统测量的基本内容，包括传感器、信号调理电路和显示装置。作为预备知识，叙述了几种通用测量仪器的基本用法和常用元器件的基本特性及应用。书中很多内容有通用器材或自制装置配合使用。

　　目录前言第1章绪论1.1工业系统的一般概念1.2工业系统中的执行器和驱动器1.3工业系统中的测量1.4阅读材料第2章执行机构2.1基本概念2.2带轮机构2.3链轮机构2.4齿轮机构2.5螺旋机构2.6蜗轮蜗杆机构2.7直线导轨2.8连杆机构2.9凸轮、棘轮和槽轮2.10机架2.11机构的组合2.12本章小结第3章低压配电常识3.1电能与电力系统3.2三相交流电源3.3三相电源的输送方式3.4单相交流电源3.5安全用电常识3.6常用电源装置3.7电源检测器具和仪表3.8训练内容3.9阅读材料第4章电气、液压、气动执行元件与驱动元件4.1电气执行元件和驱动元件4.2流体动力装置4.3液压、气动执行元件第5章电气、液压、气动控制元件5.1电气控制元件5.2液压控制元件5.3气动控制元件第6章常用开关电器6.1开关电器的基础知识6.2配电电器6.3控制电器6.4主令电器6.5训练内容第7章通用测量仪器7.1示波器7.2函数信号发生器7.3直流稳压电源7.4数字多用表7.5阅读材料第8章常用元器件8.1电阻器8.2电容器8.3二极管8.4稳压管8.5晶体管8.6运算放大器8.7阅读材料第9章直流稳压电源调试9.1实现直流稳压的基本过程9.2训练内容9.3阅读材料第10章传感器与信号讽理电路概述10.1工业系统中的测量系统10.2传感器10.3信号调理电路10.4通用仪器在工业系统测量中的应用10.5阅读材料第11章杠杆机构及力测量11.1用于力加载的杠杆机构11.2弹性受力体一电阻应变片构成的力传感器11.3差动测量原理11.4训练内容11.5阅读材料第12章温度测量12.1热力学系统的热惯量12.2半导体温度传感器及其信号调理12.3训练内容12.4阅读材料第13章带轮传动机构及转速测量13.1带轮传动机构13.2码盘式转速传感器13.3转速测量中的信号调理13.4训练内容13.5阅读材料第14章螺旋机构及位移测量14.1螺旋机构14.2光电编码式位移传感器14.3位移辨向原理14.4训练内容14.5阅读材料第15章蜗轮蜗杆机构及线位移测量15.1蜗轮蜗杆机构15.2二进制码带位移测量原理15.3二进制码带位移测量的信号调理15.4训练内容15.5阅读材料第16章信号的数字显示16.1LED数码管16.2七段LED数码管的显示16.3训练内容16.4阅读材料第17章鼠标典型机电产品117.1滚球式鼠标17.2光电式鼠标17.3各种接口的鼠标17.4中键和拨轮的各种功能17.5鼠标的人机工程学问题第18章磁盘驱动器典型机电产品218.1软驱的结构和原理18.2磁头系统18.3主轴系统18.4磁头系统与主轴系统的协同工作18.5软驱主板18.6辅助部分18.7软驱的主要技术18.8阅读材料参考文献