交流電機數(shù)字控制系統(tǒng)（第3版）

《電氣自動化新技術叢書》序言

第6屆《電氣自動化新技術叢書》編輯委員會的話

前言

緒論

0.1 交流電機控制系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀

0.2 交流電機控制系統(tǒng)的類型

0.3 交流電機數(shù)字控制系統(tǒng)的特點

0.4 數(shù)字控制系統(tǒng)的一般問題

第1章 數(shù)字控制系統(tǒng)的理論基礎

1.1 概述

1.2 連續(xù)域等效設計法

1.2.1 數(shù)字控制系統(tǒng)的性能要求

1.2.2 連續(xù)域離散化的方法

1.2.3 數(shù)字PID控制

1.2.4 數(shù)字PID控制的改進

1.3數(shù)字控制系統(tǒng)的z變換分析

1.3.1 z變換及其性質(zhì)

1.3.2 數(shù)字控制系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)

1.4 數(shù)字控制系統(tǒng)的離散化設計

1.4.1 最少拍系統(tǒng)的設計

1.4.2 最少拍無紋波系統(tǒng)的設計

1.4.3 數(shù)字調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)

1.5 數(shù)字控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析和設計

1.5.1 數(shù)字控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程

1.5.2 數(shù)字控制系統(tǒng)的一般性質(zhì)

1.5.3 狀態(tài)空間設計法

1.5.4 狀態(tài)觀測器

1.6 數(shù)字控制系統(tǒng)軟件設計的實際考慮

1.6.1 數(shù)字控制系統(tǒng)軟件設計

1.6.2 量化誤差與比例因子

1.6.3 數(shù)據(jù)處理及數(shù)字濾波

參考文獻

第2章 交流電機數(shù)字控制系統(tǒng)硬件基礎

2.1 概述

2.2 微機控制系統(tǒng)硬件設計的一般問題

2.2.1 交流電機數(shù)字控制系統(tǒng)的設計方法和步驟

2.2.2 交流電機的數(shù)字控制系統(tǒng)總體方案的確定

2.2.3 微處理器芯片的選擇

2.3 微處理器和控制芯片簡介

2.3.1 單片機

2.3.2 數(shù)字信號處理器（DSP）

2.3.3 精簡指令集計算機(RISC)

2.3.4 并行處理器和并行DSP

2.3.5 專用集成電路(ASIC)

2.4 交流電機數(shù)字化控制系統(tǒng)構(gòu)成

2.4.1 總線系統(tǒng)

2.4.2 接口和外圍設備

2.4.3 實時控制

2.4.4 信號檢測

2.5 系統(tǒng)開發(fā)和集成

2.5.1 對開發(fā)系統(tǒng)的要求

2.5.2 通用數(shù)字化開發(fā)平臺

2.5.3 硬件系統(tǒng)設計中的抗干擾問題

參考文獻

第3章 電壓型PWM變頻調(diào)速異步電機數(shù)字控制系統(tǒng)

3.1 概述

3.2 變頻調(diào)速的基本原理

3.2.1 變壓變頻（VVVF）控制原理

3.2.2 異步電機變壓變頻時的機械特性

3.3 電壓型PWM變頻器

3.3.1 電壓型PWM變頻器的主電路

3.3.2 PWM技術分類

3.3.3 PWM性能指標

3.4 正弦PWM技術

3.4.1 電壓正弦PWM技術

3.4.2 電流正弦PWM技術

3.4.3 磁通正弦PWM技術

3.5 其他PWM技術

3.5.1 優(yōu)化PWM技術

3.5.2 隨機PWM技術

3.5.3 SVPWM過調(diào)制技術

3.5.4 同步調(diào)制PWM技術

3.5.5 小結(jié)

3.6 PWM變頻調(diào)速異步電機開環(huán)控制

3.6.1 開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)

3.6.2 開環(huán)通用變頻器的軟件設計

3.7 異步電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

3.7.1 轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)構(gòu)成

3.7.2 轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的起動過程分析

3.7.3 轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的特點

參考文獻

第4章 全數(shù)字化異步電機矢量控制系統(tǒng)

4.1 概述

4.2 異步電機矢量控制原理

4.2.1 異步電機數(shù)學模型

4.2.2 轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制原理

4.2.3 轉(zhuǎn)差頻率矢量控制原理

4.2.4 氣隙磁場定向矢量控制原理

4.2.5 定子磁場定向矢量控制原理

4.2.6 定子電壓定向矢量控制系統(tǒng)

4.2.7 雙饋電機矢量控制系統(tǒng)

4.2.8 異步電機矢量控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)

4.3 全數(shù)字化矢量控制系統(tǒng)設計

4.3.1 轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設計

4.3.2 矢量控制中的電流調(diào)節(jié)器

4.3.3 基于模型預測控制的矢量控制

4.3.4 全數(shù)字化矢量控制系統(tǒng)硬件和軟件構(gòu)成

4.4 矢量控制中的磁通觀測

4.4.1 開環(huán)觀測模型

4.4.2 閉環(huán)觀測模型

4.5 無速度傳感器異步電機矢量控制系統(tǒng)

4.5.1 動態(tài)速度估計器法

4.5.2 基于PI調(diào)節(jié)器的自適應法

4.5.3 自適應速度觀測器

4.5.4 轉(zhuǎn)子齒諧波法

4.5.5 高頻注入法

4.5.6 神經(jīng)元網(wǎng)絡法

參考文獻

第5章 全數(shù)字化異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

5.1 概述

5.2 直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理

5.2.1 電機數(shù)學模型

5.2.2 空間矢量PWM逆變器

5.2.3 磁鏈和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制原理

5.3 磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制性能分析

5.3.1 磁鏈控制性能分析

5.3.2 轉(zhuǎn)矩控制性能分析

5.3.3 磁通和轉(zhuǎn)矩的估算和觀測

5.4 全數(shù)字化控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

5.4.1 電壓矢量的選擇

5.4.2 控制系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)

5.4.3 低速控制性能分析

5.4.4 改進算法

5.5 無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制

5.5.1 直接計算法

5.5.2 模型參考自適應法（MRAS）

參考文獻

第6章 全數(shù)字化同步電機控制系統(tǒng)

6.1 概述

6.2 電勵磁同步電機數(shù)學模型

6.3 電勵磁同步電機高性能閉環(huán)控制

6.4 永磁同步電動機及其數(shù)學模型

6.4.1 永磁同步電機結(jié)構(gòu)

6.4.2 永磁同步電機數(shù)學模型

6.4.3 永磁同步電機的電磁轉(zhuǎn)矩方程

6.4.4 永磁同步電機的機械傳感器

6.5 PMSM數(shù)字控制系統(tǒng)

6.5.1 永磁同步電機電流控制策略

6.5.2 數(shù)字化PMSM伺服系統(tǒng)總體設計

6.5.3 全數(shù)字PMSM伺服系統(tǒng)的性能

6.6 永磁同步電機無機械傳感器控制

6.6.1 永磁同步電機無機械傳感器技術概述

6.6.2 利用定子端電壓和電流計算的方法

6.6.3 觀測器基礎上的估算方法

6.6.4 模型參考自適應法

6.6.5 基于高頻信號注入的估算方法

6.6.6 人工智能理論基礎上的估算方法

6.7 轉(zhuǎn)子初始位置的檢測策略

參考文獻

附錄

附錄A交流異步電機多變量數(shù)學模型及廣義派克方程

A.1 三相電機模型

A.2 坐標變換

A.3 廣義派克方程及其復變形式

A.4 在同步旋轉(zhuǎn)坐標系上的數(shù)學模型及狀態(tài)方程

A.5 靜止αβ坐標系下的異步電機數(shù)學模型

附錄B 自動控制系統(tǒng)的工程設計法

B.1 工程設計方法的基本思路和要求

B.2 典型系統(tǒng)

B.3 典型系統(tǒng)參數(shù)和性能指標的關系

B.4 非典型系統(tǒng)的典型化

附錄C 變頻器控制下的異步電機參數(shù)測量

C.1 定子電阻測量方法說明

C.2 短路實驗方法

C.3 空載實驗方法

參考文獻2100433B

本書全面系統(tǒng)地介紹了現(xiàn)代交流電機控制系統(tǒng)的基本原理、設計方法和數(shù)字控制技術，在介紹了交流電機數(shù)字控制系統(tǒng)的理論基礎和硬件基礎之后，分別闡述了交流電機控制系統(tǒng)的不同控制方法及其數(shù)字化的實現(xiàn)，重點介紹了已得到廣泛應用的矢量控制系統(tǒng)、直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制原理、控制規(guī)律和設計方法，并對無速度傳感器控制系統(tǒng)和同步電機控制系統(tǒng)也給予了詳細的介紹。 本次修訂，第2章，增加一些新的硬件設計方案，如CPLD和FPGA的方案等。第3章增加近在高鐵和地鐵中用得比較多的特定消諧PWM、中間60°調(diào)制PWM、SVPWM過調(diào)制、方波調(diào)制等。第4章，增加近研究比較多的模糊控制、模型預測控制(MPC)、多相電機矢量控制、雙饋電機控制等。第6章，對永磁同步電機PMSM部分的內(nèi)容進行較大修訂。

本書適宜于從事電氣傳動自動化、電機及其控制、電力電子技術的科技人員閱讀，也可作為大專院校有關教師、研究生和高年級本科生的教學參考書。

錄

目錄

第2版前言

第1版前言

主要符號表

第1章緒論

1.1交流電機動態(tài)分析的發(fā)展

1.2交流電機動態(tài)分析的特點和

步驟

1.3常用的數(shù)學方法

1.4坐標變換

1.5常用的坐標系和坐標變換

1.6交流電機的等效電路

參考文獻

第2章三相感應電動機的運動方程

2.1在ABC坐標系中感應電動機的運動

方程

2.2在αβ0坐標系中感應電動機的運動

方程

2.3轉(zhuǎn)子量變換到定子坐標系時感應電動機

的運動方程

2.4用空間矢量表示時感應電動機的運動

方程

2.5在任意轉(zhuǎn)速的通用坐標系中感應電動機

的運動方程

2.6感應電動機的狀態(tài)方程

2.7雙籠型感應電動機的運動方程

參考文獻

第3章感應電動機的動態(tài)分析

3.1恒速投入電網(wǎng)時三相感應電動機

的電磁瞬態(tài)

3.2三相感應電動機起動過程的動態(tài)

分析

3.3突加負載時三相感應電動機的動態(tài)

過程

3.4三相感應電動機瞬間斷電后重新投入

電網(wǎng)時的動態(tài)過程

3.5三相感應電動機的突然短路

參考文獻

第4章同步電機的運動方程

4.1在相坐標系中同步電機的運動方程

4.2在dq0坐標系中同步電機的運動

方程

4.3同步電機的標幺值

4.4用標幺值表示時dq0坐標系中同步

電機的運動方程

4.5在αβ0坐標系中同步電機的運動

方程

4.6用120分量和空間矢量表示時同步

電機的運動方程

4.7同步電機的狀態(tài)方程

4.8同步電機的運算電抗及其等效電路

4.9用微分算子形式的運算電抗和傳遞

函數(shù)表示時，αβ0和120坐標系中

的磁鏈方程

參考文獻

第5章同步電機的穩(wěn)態(tài)異步運行

5.1同步電機的對稱穩(wěn)態(tài)同步運行

5.2同步電動機的穩(wěn)態(tài)異步運行

5.3同步電機的負序電抗

5.4功角作正弦小振蕩時同步電機的電磁

轉(zhuǎn)矩

5.5正弦大振蕩時同步電機的整步轉(zhuǎn)矩和

阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)

參考文獻

第6章同步電機的動態(tài)分析

6.1同步發(fā)電機的三相突然短路

6.2線間突然短路

6.3單相突然短路

6.4定子接有電容時同步電機的運行

6.5突加負載時同步電動機的動態(tài)分析

6.6凸極同步電動機的牽入同步

參考文獻

第7章交流電動機的調(diào)速

7.1交流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩和電力

傳動

7.2空間矢量與矢量控制

7.3三相感應電動機基于轉(zhuǎn)子磁場的

矢量控制

7.4感應電動機的矢量控制方程

7.5三相感應電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制

7.6同步電動機的矢量控制

參考文獻

附錄

附錄A凸極同步電機定子繞組的自感

和互感

附錄Bdq0變換的導出

附錄C常用數(shù)學表達式的傅里葉級數(shù)

展開

附錄D感應電動機的自感、互感和T形

等效電路中各電抗的關系2100433B

本書共7章。第1章是預備知識，主要說明交流電機動態(tài)分析的特點、步驟和基本方法，包括坐標變換、等效電路、運動方程和狀態(tài)方程的建立及其解法。第2～6章闡明在常用的各種坐標系中，感應電機和同步電機的運動方程、運算電抗和狀態(tài)方程的導出，許多經(jīng)典電磁瞬態(tài)問題的解法和一些典型動態(tài)問題的求解。第7章介紹交流電動機的調(diào)速。書未有4個附錄，對某些問題進行了進一步地推導。本書是高等學校電氣工程學科的研究生教材，也可供高等學校教師以及電機設計和運行方面的工程技術人員作為參考用書。

本書第2版自2008年問世至今已經(jīng)走過6個年頭，承蒙很多高校材料力學教學第一線的老師和同學以及業(yè)余讀者的關愛和支持，已經(jīng)連續(xù)印刷了10次。 2012年獲得清華大學優(yōu)秀教材特等獎；同年，相應的教學成果獲得北京市高等學校優(yōu)秀教學成果一等獎。2012年本書第3版被列入 “十二五”普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材；2013年被批準為清華大學“985”三期名優(yōu)教材建設項目立項。

最近的6年里，著者秉承不斷提高課程重量、著力培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維能力的教育與教學理念，先后在清華大學、南京航空航天大學、北京工業(yè)大學以及北京郵電大學從事“材料力學”研究型教學的研究與實踐，堅持全過程講授這門課程，授課對象每年約200名。在同事和同學們的支持與幫助下，對于教育和教學改革又有了一些新的體會和收獲。材料力學（第3版）將著重反映6年來我們在研究型教學方面所取得的成果。主要有: 怎樣在基于普遍提高教學質(zhì)量的基礎上，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力；怎樣提高課程的吸引力，增強課程教學的學術性；怎樣挖掘基本教學內(nèi)容的深度；怎樣對傳統(tǒng)內(nèi)容中的某些概念、理論和方法加以改革和更新，突出挑戰(zhàn)性?；诖耍緯?版修訂的主要內(nèi)容有以下幾方面。

第一，調(diào)整了部分章節(jié)，將材料的力學性能從“第2章 軸向載荷作用下桿件的材料力學問題”中獨立出來，形成“第3章 常溫靜載下材料的力學性能”； 重寫了“剪力圖與彎矩圖”作為第6章；將原來的第6章分為3章: “第7章 平面彎曲正應力分析與強度設計”和“第8章 彎曲剪應力分析與彎曲中心的概念”以及“第9章 斜彎曲、彎曲與拉伸或壓縮同時作用時的應力計算與強度設計”；將原來的第8章分為: “ 應力狀態(tài)與應變狀態(tài)分析”和“一般應力狀態(tài)下的強度設計準則及其工程應用”，分別列為第11章和12章；將原來的12章也分為兩章: “動載荷與動應力概述”和“疲勞強度與構(gòu)件壽命估算概述”，分別列為第16章和第17章。

第二，增加了部分教學內(nèi)容，主要有: 部分非金屬材料的力學性能；梁的位移疊加法中的逐段剛化法；應變分析；細長壓桿實驗結(jié)果；線性累積損傷與疲勞壽命估算等。

第三，將力系簡化的方法引入橫截面的內(nèi)力分析，改革傳統(tǒng)剪力圖與彎矩圖的畫法。

第四，正確處理變形與位移概念的聯(lián)系與區(qū)別，將確定梁的轉(zhuǎn)角和撓度的章節(jié)名改為“梁的位移分析與剛度設計”。

第五，在部分章節(jié)引入“反問題”: 相對于正問題，反問題的解答不是唯一的，通過對于反問題的思考，一方面可以加深對于正問題的理解；另一方面可以激勵創(chuàng)新思維。

第六，在部分章節(jié)設計了“開放式思維案例”作為學生課外學習和研究的資源。最近幾年的教學實踐表明，這對于刺激思維鼓勵創(chuàng)新是一種有效的措施。材料力學（第3版）第七，增加了若干工程案例以及災難性工程事故的力學解析。

第八，增加和改變了部分例題和習題。

隨著課程研究型教學在更多高校開展、深入和發(fā)展，材料力學的課程教學以及教材建設還會遇到一些新問題，我們將一如既往地堅持“在教學中研究，在研究中教學”，以不斷提高人才培養(yǎng)質(zhì)量為己任，在教學實踐的基礎上，不斷提高材料力學教材的質(zhì)量。

這一版的初稿于2012年下半年—2013年上半年在國內(nèi)完成；2013年7—8月在加拿大多倫多定稿。定稿期間，得到旅加的趙淵先生和范心明女士的大力支持和協(xié)助，在本書出版之際，著者謹表誠摯謝意。

誠摯地感謝廣大讀者對本書的關愛，希望大家對本書的缺點和不足提出寶貴意見。

范欽珊2014.1.11