無刷直流電機(jī)矢量控制技術(shù)

第1部分 基礎(chǔ)篇

第1章 電機(jī)技術(shù)成了戰(zhàn)略技術(shù)——環(huán)境和能源問題備受關(guān)注的時(shí)代

1.1 有近200年歷史的電機(jī)技術(shù)是支撐人們生活和生產(chǎn)的重要基礎(chǔ) 002

1.2 總耗電量的57.3%來自電機(jī)—電機(jī)控制技術(shù)是節(jié)電的關(guān)鍵 002

1.3 無刷直流電機(jī)矢量控制技術(shù)的引入 003

1.4 從感應(yīng)電機(jī)到無刷直流電機(jī)的矢量控制 005

1.5 本書的目的 005

1.6 無刷直流電機(jī)矢量控制技術(shù)的發(fā)展 007

第2章 有刷直流電機(jī)的工作原理和特征、驅(qū)動電路——從常見的電機(jī)開始講解

2.1 至今仍被經(jīng)常使用的有刷直流電機(jī) 009

2.2 有刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)理 010

2.3 有刷直流電機(jī)的工作原理和特征 011

2.4 有刷直流電機(jī)是發(fā)電機(jī) 013

2.5 電機(jī)的啟動電流和額定電流 015

2.6 電機(jī)即發(fā)電機(jī)的應(yīng)用——電機(jī)制動器 016

2.7 再生制動是應(yīng)用于EV的重要技術(shù) 019

2.8 直流電機(jī)專用的FET全橋驅(qū)動器IC VNH3SP30-E 019

附錄 步進(jìn)電機(jī)的工作原理和特點(diǎn) 022

第3章 無刷直流電機(jī)的特征和工作原理——節(jié)能、長壽命、高可靠性

3.1 長壽命、無噪聲、無塵的無刷直流電機(jī) 025

3.2 高能效的無刷直流電機(jī)得以實(shí)現(xiàn) 026

3.3 無刷直流電機(jī)是電動汽車的戰(zhàn)略技術(shù)支撐 028

3.4 無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 028

3.5 無刷直流電機(jī)的驅(qū)動方式 031

3.6 無刷直流電機(jī)的驅(qū)動電路 031

3.7 無刷直流電機(jī)的無傳感器、方波驅(qū)動和矢量控制 036

附錄 交流感應(yīng)電機(jī)的工作原理 038

第4章 無刷直流電機(jī)驅(qū)動方式的進(jìn)化——無傳感器驅(qū)動、正弦波驅(qū)動

4.1 采用無傳感器驅(qū)動的理由 042

4.2 根據(jù)線圈感應(yīng)電壓進(jìn)行無傳感器驅(qū)動的原理 044

4.3 無傳感器驅(qū)動IC TB6588 046

4.4 正弦波驅(qū)動方式的優(yōu)點(diǎn) 052

4.5 始動時(shí)采用方波驅(qū)動，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)過渡為正弦波驅(qū)動 055

第5章 無刷直流電機(jī)矢量控制理論——讓電機(jī)發(fā)揮最大轉(zhuǎn)矩

5.1 矢量控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 058

5.2 矢量控制的概念和控制方式、基本控制流程 059

5.3 矢量控制的電流檢測方式 061

5.4 矢量控制的坐標(biāo)變換 068

5.5 多用于重視成本的家電產(chǎn)品的無傳感器控制 070

5.6 速度控制、電流控制和坐標(biāo)變換 072

第2部分 應(yīng)用篇

第6章 無刷直流電機(jī)矢量控制實(shí)際——矢量控制問題與內(nèi)置矢量引擎的微控制器TMPM370

6.1 矢量控制技術(shù)用于家電產(chǎn)品的時(shí)代 076

6.2 矢量引擎電機(jī)控制器的規(guī)格 078

第7章 無刷直流電機(jī)矢量控制編程——了解內(nèi)置矢量引擎的微控制器TMPM370

7.1 矢量控制的軟件開發(fā)環(huán)境和無刷直流電機(jī)控制流程 087

7.2 矢量控制軟件由應(yīng)用程序、電機(jī)控制、電機(jī)驅(qū)動三階段構(gòu)成 090

7.3 三階段間的接口是命令和信息 091

7.4 應(yīng)用程序函數(shù)、電機(jī)控制函數(shù)、電機(jī)驅(qū)動函數(shù) 093

7.5 矢量控制軟件的詳細(xì)數(shù)據(jù) 102

第8章 無刷直流電機(jī)矢量控制開發(fā)平臺——使用內(nèi)置矢量引擎的微控制器TMPM370

8.1 概述 115

8.2 微控制器外圍電路的設(shè)計(jì) 122

8.3 無刷直流電機(jī)的驅(qū)動電路和電源電路設(shè)計(jì) 125

8.4 無刷直流電機(jī)的選型及特性 127

8.5 動作參數(shù)的修改和具備記錄功能的GUI程序的開發(fā) 131

第9章 定位伺服控制板的開發(fā)和機(jī)器人應(yīng)用——使用TMPM370驅(qū)動雙足步行機(jī)器人

9.1 輕量、小型、強(qiáng)力的定位伺服控制板 134

9.2 定位伺服控制板的設(shè)計(jì) 138

9.3 定位控制程序的流程圖 140

筆者介紹 146

《無刷直流電機(jī)矢量控制技術(shù)》以無刷直流電機(jī)為研究對象，從電機(jī)是如何旋轉(zhuǎn)的入手，在介紹有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上，深入淺出地講解無刷直流電機(jī)矢量控制技術(shù)。

《無刷直流電機(jī)矢量控制技術(shù)》分為2個(gè)部分，共9章：電機(jī)技術(shù)成了戰(zhàn)略技術(shù)，有刷直流電機(jī)的工作原理和特征、驅(qū)動電路，無刷直流電機(jī)的特征和工作原理，無刷直流電機(jī)驅(qū)動方式的進(jìn)化，無刷直流電機(jī)矢量控制理論，無刷直流電機(jī)矢量控制實(shí)際，無刷直流電機(jī)矢量控制編程，無刷直流電機(jī)矢量控制開發(fā)平臺，定位伺服控制板的開發(fā)和機(jī)器人應(yīng)用。

本書共分9個(gè)章節(jié)，對永磁無刷直流電機(jī)的控制技術(shù)與應(yīng)用作了系統(tǒng)地介紹，具體內(nèi)容包括永磁無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及仿真研究、永磁無刷直流電機(jī)的電子電路、永磁無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動和鐵耗抑制、永磁無刷直流電機(jī)鎖相環(huán)速度控制技術(shù)、無位置傳感器永磁無刷直流電機(jī)控制等。該書可供各大專院校作為教材使用，也可供從事相關(guān)工作的人員作為參考用書使用。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對永磁無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的性能要求越來越高。各種傳統(tǒng)的控制方法也伴隨著科學(xué)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步不斷更新，許多經(jīng)典的控制方法在新技術(shù)硬件平臺上獲得了比以往更優(yōu)良的性能。特別是數(shù)字信號處理器和可編程邏輯器件出現(xiàn)，極大地推動了永磁無刷直流電機(jī)控制技術(shù)不斷向集成化、智能化方向發(fā)展。

本書共9章。第1章概括地介紹了永磁無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理、調(diào)速性能、控制方法以及在磁懸浮飛輪中的應(yīng)用；第2章建立了永磁無刷直流電機(jī)系統(tǒng)模型，以驗(yàn)證各種先進(jìn)的電機(jī)控制方法的應(yīng)用效果；第3章系統(tǒng)地介紹了永磁無刷直流電機(jī)的電子電路，這部分內(nèi)容是作者十幾年來從事永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)研制工作的總結(jié)；第4章對轉(zhuǎn)矩脈動進(jìn)行了分析，介紹了各種抑制轉(zhuǎn)矩脈動的方法，同時(shí)針對高速永磁無刷直流電機(jī)的低功耗驅(qū)動問題，提出了降低電機(jī)鐵耗的控制方法；第5章介紹了基于鎖相環(huán)的高精度轉(zhuǎn)速控制方法；第6章介紹了小電樞電感永磁無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制方法；第7章針對永磁無刷直流電機(jī)伺服系統(tǒng)，介紹了高性能數(shù)字控制方法；第8章介紹了永磁無刷直流電機(jī)在磁懸浮儲能飛輪中的應(yīng)用；第9章，以高速磁懸浮飛輪用永磁無刷直流電機(jī)為例，介紹了永磁無刷直流電機(jī)電磁場的分析和計(jì)算方法。

本書既適用于永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)人員，又可作為工程技術(shù)人員的技術(shù)參考書和高校相關(guān)專業(yè)研究生的參考書。

矢量之間的運(yùn)算要遵循特殊的法則。矢量加法一般可用平行四邊形法則。由平行四邊形法則可推廣至三角形法則、多邊形法則或正交分解法等。矢量減法是矢量加法的逆運(yùn)算，一個(gè)矢量減去另一個(gè)矢量，等于加上那個(gè)矢量的負(fù)矢量。A-B=A (-B)。矢量的乘法。矢量和標(biāo)量的乘積仍為矢量。矢量和矢量的乘積，可以構(gòu)成新的標(biāo)量，矢量間這樣的乘積叫標(biāo)積；也可構(gòu)成新的矢量，矢量間這樣的乘積叫矢積。例如，物理學(xué)中，功、功率等的計(jì)算是采用兩個(gè)矢量的標(biāo)積。W=F·S，P=F·v，物理學(xué)中，力矩、洛倫茲力等的計(jì)算是采用兩個(gè)矢量的矢積。M=r×F，F(xiàn)=qv×B。

我國各地興建的許多地下停車場，不僅安裝大量光源，并且24小時(shí)照明，浪費(fèi)了大量電能。矢量照明的應(yīng)用即當(dāng)有人、車出入需要照明時(shí)，系統(tǒng)會在高亮狀態(tài)下運(yùn)行，反之則保持節(jié)電的低亮狀態(tài)，比傳統(tǒng)照明方式節(jié)電80%以上。

矢量照明的原理即矢量圖像的原理。矢量圖像由被稱為矢量的數(shù)學(xué)對象定義的線條和曲線組成。 矢量根據(jù)圖像的幾何特性描繪圖像。 例如，矢量圖形中的靴帶由特定的寬度和長度定義，設(shè)置在特定位置，并以特定顏色填色。 不論是移動靴帶、調(diào)整其大小，還是更改其顏色，都不會降低圖形的品質(zhì)。同樣光束也可以根據(jù)不同的照明需要和照明環(huán)境、照明風(fēng)格設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，即達(dá)到了視覺美化效果，也保證了光源質(zhì)量。

傳統(tǒng)照明只有一個(gè)單一的亮度指標(biāo)，只調(diào)明暗，而矢量照明則是一個(gè)多維度、多參量照明。相對傳統(tǒng)照明而言，它的優(yōu)勢更加明顯：不僅能調(diào)明暗，還能調(diào)色溫、色調(diào)，如可以根據(jù)個(gè)人喜好和場所需要調(diào)成偏綠、偏藍(lán)、偏紅等不同風(fēng)格。LED光源出現(xiàn)后，把照明的概念拓展了，不光是一個(gè)照亮的問題，更重要的是發(fā)揮了一種環(huán)境渲染、改變氛圍、增加情趣、調(diào)節(jié)情緒、改變心情的功能，從而給照明燈具賦予了新的內(nèi)涵。2100433B

矢量，數(shù)學(xué)術(shù)語，又稱向量。既有大小又有方向的量。一般來說，在物理學(xué)中稱作矢量，在數(shù)學(xué)中稱作向量。在計(jì)算機(jī)，矢量圖可以無限放大永不變形。

矢量的概念實(shí)際上根源于格式塔心理學(xué)對人的視知覺的研究。格式塔心理學(xué)建立在大量實(shí)證的基礎(chǔ)之上，主要研究人的知覺。格式塔心理學(xué)認(rèn)為，我們?nèi)祟愒诟兄h(huán)境時(shí)，總是傾向于在頭腦中去填充信息的缺失，使其成為易于掌控的完整的圖案和形態(tài)。

比如下圖。圖1A圖中的完形結(jié)果是左面的兩個(gè)圓是一組，而圖1B圖的完形結(jié)果是右面的兩個(gè)圓是一組。通過那兩個(gè)鼻子，三個(gè)圖形的位置并沒有變，我們改變了三個(gè)圓之間的“力”。 圖1　A圖中左面兩個(gè)圓之間的“引力”較大，讓我們認(rèn)為它們倆是一組。而圖1B圖中的兩個(gè)小鼻子，為右面的兩個(gè)圓形之間添加了一個(gè)更強(qiáng)大的吸引力，大過了左面兩個(gè)圓之間的吸引力，我們覺得它們倆成了一組。 　由于心理完形的存在，對圖像的認(rèn)識，人們就具有了共通的傾向性。這被格式塔心理學(xué)稱為“力”。 　在電影中，這種屏幕內(nèi)的力引導(dǎo)觀眾的實(shí)現(xiàn)從一點(diǎn)到另一點(diǎn)。這樣的力具有方向和強(qiáng)度，被稱為“矢量”。