先進電氣驅(qū)動的分析.建模與控制

作者：（比利時）當(dāng)克爾（Rik De Doncker） （荷蘭）泊勒（Duco W.J.Pulle） （荷蘭）韋爾特曼（Andre Veltman） 譯者：連曉峰

設(shè)計的完善程度在很大程度上取決于驅(qū)動應(yīng)用的特性。例如，在飛行器和電動車方面，需要很高的功率密度值，這可通過對電機和變換器進行更豐富的計算機建模來實現(xiàn)。這些研究要求采用復(fù)雜的二維或三維有限元（FEM）仿真來對電機的磁場特性進行分析評價。另外，還有用于研究電機和變換器熱特性的軟件工具。在原型機實現(xiàn)之前，還需仔細考慮和分析電機的噪聲和振動模式。

一個應(yīng)用上述設(shè)計過程的驅(qū)動示例如圖1.10所示。圖中所用電機是一個與功率變換器相連的96相永磁球形同步電機。96相變換器模塊中的每一個模塊都由一個在磁場定向控制下的專用控制單元獨立控制。利用一個用于確定適當(dāng)相電流的全局控制算法在高轉(zhuǎn)矩密度水平下以微米精度來控制轉(zhuǎn)子。

設(shè)計階段完成后，建立和評價驅(qū)動器原型。一般而言，整體實驗性能與設(shè)計階段的結(jié)果一致。這種工程項目表明對于驅(qū)動工程人員需要深刻理解電機、機電工業(yè)過程、電力電子、無源和有源電路、控制硬件、軟件設(shè)計工具、通信和控制算法等一系列相關(guān)技術(shù)。掌握和擴展這些技術(shù)對于下一代驅(qū)動工程師是一個巨大挑戰(zhàn)。

1.4實驗裝置

本書開發(fā)的控制算法將通過一個可用于教學(xué)和研究工作的測試平臺來進行實驗驗證。實驗裝置包括4個不同的電機、DSP系統(tǒng)和電源機架，如圖1.11所示。圖中給出所用的所有部件，包括交流電機（ASM）、開關(guān)磁阻電機（SRM）、永磁同步電機（PMSM）和直流電機（DCM）。另外，圖中還給出了軟件AixScope的截圖。

為實現(xiàn)對每個電機的控制，首先需要在CASPOC中建立控制和驅(qū)動模型（見圖1.12）。這些模型采用與每章實例中相同的基本模塊。利用CASPOC中C代碼的導(dǎo)出功能，控制算法的代碼傳送給嵌入在測試平臺代碼中的虛擬DSP。利用軟件AixControl—Center，編譯后的代碼上傳給測試平臺，由此來測試電機。隨后章節(jié)中的所有實驗結(jié)果都可利用軟件AixScope進行測試。圖1.12給出了用于所有試驗電機的開發(fā)過程。

《國際電氣工程先進技術(shù)譯叢:先進電氣驅(qū)動的分析、建模與控制》可作為從事電氣自動化專業(yè)的工程和研究人員的參考書，也可作為高等院校自動化、電氣工程及機電一體化相關(guān)專業(yè)高年級本科生和研究生的教材。

譯者序

原書序

前言

致謝

第1章現(xiàn)代電機驅(qū)動：概述

1.1引言

1.2驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展趨勢

1.2.1電機

l.2.2功率變換器

1.2.3嵌入式控制和通信鏈接

1.3驅(qū)動設(shè)計方法

1.4實驗裝置

第2章電力電子變換器的調(diào)制

2.1引言

2.2單相半橋變換器

2.3單相全橋變換器

2.4三相變換器

2.4.1空間矢量調(diào)制

2.5死區(qū)效應(yīng)

2.6實例教程

2.6.1實例教程l：脈寬調(diào)制的半橋變換器

2.6.2實例教程2：脈寬調(diào)制和死區(qū)效應(yīng)的半橋變換器

2.6.3實例教程3：脈寬調(diào)制的全橋變換器

2.6.4實例教程4：脈沖居中的三相脈寬調(diào)制器

2.6.5實例教程5：脈寬調(diào)制的三相變換器

2.6.6實例教程6：無脈寬調(diào)制的三相簡化變換器

第3章廣義負載的電流控制

3.1單相負載的電流控制

3.1.1滯環(huán)電流控制

3.1.2基于模型的電流控制

3.1.3基于增強模型的電流控制

3.2三相負載的電流控制

3.2.1三相滯環(huán)電流控制

3.2.2基于模型的三相電流控制

3.2.3基于增強模型的三相電流控制

3.2.4滯環(huán)電流控制器和基于模型電流控制器的頻譜

3.3實例教程

3.3.1實例教程1：單相滯環(huán)電流控制

3.3.2實例教程2：基于模型的單相電流控制

3.3.3實例教程3：基于方框法的三相滯環(huán)電流控制

3.3.4實例教程4：基于模型的三相電流控制

3.3.5實例教程5：采用簡化方法無PwM的基于模型的三相電流控制

第4章驅(qū)動原理

4.1ITF和IRllF概念

4.2電磁轉(zhuǎn)矩控制原理

4.2.1直流電機

4.2.2同步電機

4.2.3異步電機

4.3驅(qū)動動力學(xué)

4.3.1線性和旋轉(zhuǎn)運動

4.3.2旋轉(zhuǎn)到平移的變速器

4.3.3齒輪傳動

4.3.4傳動系統(tǒng)的動態(tài)模型

4.4轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制設(shè)計原理

4.5實例教程

4.5.1實例教程1：初級同步電機驅(qū)動

4.5.2實例教程2：初級異步（感應(yīng)）電機驅(qū)動

4.5.3實例教程3：初級直流電機驅(qū)動

4.5.4實例教程4：驅(qū)動動力示例

4.5.5實例教程5：轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制設(shè)計示例

第5章直流電機的建模與控制

5.1電流控制的他勵直流電機

5.1.1直流電機的符號模型

5.1.2直流電機的通用模型

5.2磁場定向的電機模型

5.3他勵直流電機的控制

5.3.1控制器概念

5.3.2驅(qū)動器的工作邊界

5.3.3基于IRTF模型的電流源

5.3.4基于模型的電流控制的電壓源

5.4實例教程

5.4.1實例教程1：分段換向的有刷直流電機的電流源模型

5.4.2實例教程2：電流源和電壓源的有刷直流電機建模

5.4.3實例教程3：具有弱磁控制器的電流源有刷直流電機

5.4.4實例教程4：基于模型的電流控制和弱磁控制器下的直流驅(qū)動運行

5.4.5實例教程5：基于模型的電流控制和轉(zhuǎn)速控制環(huán)下的直流驅(qū)動

5.4.6實例教程6：直流電機的實驗結(jié)果

第6章同步電機建模概念

6.1非凸極式電機

6.1.1非凸極式電機的符號模型

6.1.2通用模型

6.1.3轉(zhuǎn)子定向模型：非凸極式同步電機

6.1.4穩(wěn)態(tài)分析

6.2凸極式同步電機

6.2.1通用模型

6.2.2凸極式同步電機的轉(zhuǎn)子定向模型

6.2.3穩(wěn)態(tài)分析

6.3實例教程

6.3.1實例教程1：非凸極式同步電機的動態(tài)模型

6.3.2實例教程2：非凸極式同步電機的穩(wěn)態(tài)模型

6.3.3實例教程3：同步電機的定子磁鏈勵磁動態(tài)模型來闡述轉(zhuǎn)子磁鏈定向概念

6.3.4實例教程4：凸極可調(diào)同步電機的動態(tài)模型

6.3.5實例教程5：凸極式同步電機的穩(wěn)態(tài)分析

第7章同步電機驅(qū)動控制

7.1控制器工作原理

7.2非凸極式同步電機控制

7.2.1驅(qū)動限制條件下的運行

7.2.2非凸極永磁電機驅(qū)動的弱磁運行

7.2.3恒定定子磁鏈控制的非凸極永磁電機驅(qū)動的弱磁運行

7.2.4恒定定子磁鏈和單位功率因數(shù)控制的電勵磁非凸極電機驅(qū)動的弱磁運行

7.3凸極式同步電機控制

7.4電流控制同步電機的磁場定向控制

7.5電壓源同步電機的磁場定向控制

7.6實例教程

7.6.1實例教程1：非凸極式同步電機驅(qū)動

7.6.2實例教程2：恒定定子磁通下的非凸極式同步電機的驅(qū)動運行

7.6.3實例教程3：單位功率因數(shù)下的非凸極式同步電機的驅(qū)動運行

7.6.4實例教程4：凸極式同步電機驅(qū)動

7.6.5實例教程5：基于模型電流控制的永磁凸極式同步電機驅(qū)動

7.6.6實例教程6：非凸極式永磁同步電機驅(qū)動的實驗結(jié)果

第8章異步電機建模概念

8.1籠型異步電機

8.2異步電機的零漏感模型

8.2.1基于IRTF的異步電機模型

8.2.2磁場定向模型

8.3具有漏感的電機模型

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靜止坐標定向通用模型

8.3.4磁場定向通用模型

8.3.5同步參考坐標系定向的Heyland圖

8.3.6電壓源異步電機穩(wěn)態(tài)分析

8.4參數(shù)辨識與定子和轉(zhuǎn)子磁鏈幅值的估計

8.5單相異步電機

8.5.1容性單相異步電機的穩(wěn)態(tài)分析

8.6實例教程

8.6.1實例教程1：異步電機簡化模型

8.6.2實例教程2：通用異步電機模型

8.6.3實例教程3：靜止坐標系定向的通用異步電機模型

8.6.4實例教程4：電流控制零漏磁定向電機模型

8.6.5實例教程5：電流控制的通用磁場定向模型

8.6.6實例教程6：根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)和已知定子電阻的參數(shù)估計

8.6.7實例教程7：與電網(wǎng)連接的異步電機

8.6.8實例教程8：與電網(wǎng)連接的異步電機的穩(wěn)態(tài)特性

8.6.9實例教程9：與電網(wǎng)連接的單相異步電機

第9章異步電機驅(qū)動控制

9.1伏頻（V/f）控制

9.1.1簡單V/f轉(zhuǎn)速控制器

9.1.2具有測速傳感器的V/f轉(zhuǎn)矩控制器

9.2磁場定向控制

9.2.1控制器工作原理

9.2.2控制器結(jié)構(gòu)

9.2.3UFO模塊結(jié)構(gòu)

9.2.4利用所測轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的IFO

9.2.5具有氣隙磁通傳感器的DFO

9.2.6具有感應(yīng)線圈的DFO

9.2.7具有電壓和電流互感器的DF0

9.2.8具有電流和轉(zhuǎn)速變送器的DF0

9.3轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制的驅(qū)動運行邊界

9.4轉(zhuǎn)子磁鏈定向異步電機驅(qū)動的弱磁運行

9.5磁場定向控制器和電流控制異步電機的接口

9.6磁場定向控制器和電壓源異步電機的接口

9.7實例教程

9.7.1實例教程1：簡化的V/f驅(qū)動

9.7.2實例教程2：轉(zhuǎn)速傳感器的V/f驅(qū)動

9.7.3實例教程3：電流源電機模型和已知轉(zhuǎn)角的通用磁場定向控制

9.7.4實例教程4：uFO控制器和基于模型電流控制的異步電機驅(qū)動

9.7.5實例教程5：uF0控制器和弱磁控制器的轉(zhuǎn)子磁鏈定向異步電機驅(qū)動

9.7.6實例教程6：uF0控制器異步電機的實驗結(jié)果

第10章開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)

10.1電機基本概念

10.2工作原理

10.2.1單相電機概念

10.2.2轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生和能量轉(zhuǎn)換原理

10.2.3單相開關(guān)磁阻電機：線性示例

10.2.4開關(guān)磁阻電機建模概念

lO.2.5磁化特性的表示

10.2.6變換器和控制概念

10.2.7低速和高速驅(qū)動工作示例

10.3多相電機

10.3.1變換器概念

10.4開關(guān)磁阻電機驅(qū)動的控制

lO.4.1驅(qū)動特性和工作范圍

10.4.2驅(qū)動工作過程

10.4.3直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制

10.5開關(guān)磁阻電機樣機

10.6實例教程

10.6.1實例教程1：電流勵磁的線性開關(guān)磁阻電機分析

10.6.2實例教程2：電壓勵磁和滯環(huán)電流控制器的非線性開關(guān)磁阻電機

10.6.3實例教程3：電壓勵磁和PwM控制器的非線性開關(guān)磁阻電機

10.6.4實例教程4：電壓勵磁和滯環(huán)控制的四相非線性開關(guān)磁阻電機模型

10.6.5實例教程5：電壓勵磁和直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制的四相非線性開關(guān)磁阻電機模型

附錄

附錄A縮略語

附錄B符號表

附錄C上／下角標表

參考文獻

　　內(nèi)容簡介《工業(yè)系統(tǒng)的驅(qū)動、測量、建模與控制》為一、二年級理工科本科生的工程訓(xùn)練而編寫，上冊內(nèi)容是工業(yè)系統(tǒng)的驅(qū)動與測量，分為以下兩個部分。第一部分是工業(yè)系統(tǒng)中常用的驅(qū)動元件、執(zhí)行元件和控制元件，第二部分是工業(yè)系統(tǒng)測量的基本內(nèi)容。很多章配有器材和裝置上的操作與觀察訓(xùn)練。本書的立意、材料組織和教學(xué)法都體現(xiàn)了作者“面向工業(yè)系統(tǒng)”的工程訓(xùn)練教學(xué)思想。本書為普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材，本書上冊分為兩個部分。第一部分簡要敘述工業(yè)系統(tǒng)的一般組成及執(zhí)行器和驅(qū)動器的作用，介紹了常見的機械執(zhí)行機構(gòu)以及電氣、液壓、氣動驅(qū)動元件、執(zhí)行元件和控制元件。第二部分通過對幾種物理量的測量介紹了工業(yè)系統(tǒng)測量的基本內(nèi)容，包括傳感器、信號調(diào)理電路和顯示裝置。作為預(yù)備知識，敘述了幾種通用測量儀器的基本用法和常用元器件的基本特性及應(yīng)用。書中很多內(nèi)容有通用器材或自制裝置配合使用。

　　目錄前言第1章緒論1.1工業(yè)系統(tǒng)的一般概念1.2工業(yè)系統(tǒng)中的執(zhí)行器和驅(qū)動器1.3工業(yè)系統(tǒng)中的測量1.4閱讀材料第2章執(zhí)行機構(gòu)2.1基本概念2.2帶輪機構(gòu)2.3鏈輪機構(gòu)2.4齒輪機構(gòu)2.5螺旋機構(gòu)2.6蝸輪蝸桿機構(gòu)2.7直線導(dǎo)軌2.8連桿機構(gòu)2.9凸輪、棘輪和槽輪2.10機架2.11機構(gòu)的組合2.12本章小結(jié)第3章低壓配電常識3.1電能與電力系統(tǒng)3.2三相交流電源3.3三相電源的輸送方式3.4單相交流電源3.5安全用電常識3.6常用電源裝置3.7電源檢測器具和儀表3.8訓(xùn)練內(nèi)容3.9閱讀材料第4章電氣、液壓、氣動執(zhí)行元件與驅(qū)動元件4.1電氣執(zhí)行元件和驅(qū)動元件4.2流體動力裝置4.3液壓、氣動執(zhí)行元件第5章電氣、液壓、氣動控制元件5.1電氣控制元件5.2液壓控制元件5.3氣動控制元件第6章常用開關(guān)電器6.1開關(guān)電器的基礎(chǔ)知識6.2配電電器6.3控制電器6.4主令電器6.5訓(xùn)練內(nèi)容第7章通用測量儀器7.1示波器7.2函數(shù)信號發(fā)生器7.3直流穩(wěn)壓電源7.4數(shù)字多用表7.5閱讀材料第8章常用元器件8.1電阻器8.2電容器8.3二極管8.4穩(wěn)壓管8.5晶體管8.6運算放大器8.7閱讀材料第9章直流穩(wěn)壓電源調(diào)試9.1實現(xiàn)直流穩(wěn)壓的基本過程9.2訓(xùn)練內(nèi)容9.3閱讀材料第10章傳感器與信號諷理電路概述10.1工業(yè)系統(tǒng)中的測量系統(tǒng)10.2傳感器10.3信號調(diào)理電路10.4通用儀器在工業(yè)系統(tǒng)測量中的應(yīng)用10.5閱讀材料第11章杠桿機構(gòu)及力測量11.1用于力加載的杠桿機構(gòu)11.2彈性受力體一電阻應(yīng)變片構(gòu)成的力傳感器11.3差動測量原理11.4訓(xùn)練內(nèi)容11.5閱讀材料第12章溫度測量12.1熱力學(xué)系統(tǒng)的熱慣量12.2半導(dǎo)體溫度傳感器及其信號調(diào)理12.3訓(xùn)練內(nèi)容12.4閱讀材料第13章帶輪傳動機構(gòu)及轉(zhuǎn)速測量13.1帶輪傳動機構(gòu)13.2碼盤式轉(zhuǎn)速傳感器13.3轉(zhuǎn)速測量中的信號調(diào)理13.4訓(xùn)練內(nèi)容13.5閱讀材料第14章螺旋機構(gòu)及位移測量14.1螺旋機構(gòu)14.2光電編碼式位移傳感器14.3位移辨向原理14.4訓(xùn)練內(nèi)容14.5閱讀材料第15章蝸輪蝸桿機構(gòu)及線位移測量15.1蝸輪蝸桿機構(gòu)15.2二進制碼帶位移測量原理15.3二進制碼帶位移測量的信號調(diào)理15.4訓(xùn)練內(nèi)容15.5閱讀材料第16章信號的數(shù)字顯示16.1LED數(shù)碼管16.2七段LED數(shù)碼管的顯示16.3訓(xùn)練內(nèi)容16.4閱讀材料第17章鼠標典型機電產(chǎn)品117.1滾球式鼠標17.2光電式鼠標17.3各種接口的鼠標17.4中鍵和撥輪的各種功能17.5鼠標的人機工程學(xué)問題第18章磁盤驅(qū)動器典型機電產(chǎn)品218.1軟驅(qū)的結(jié)構(gòu)和原理18.2磁頭系統(tǒng)18.3主軸系統(tǒng)18.4磁頭系統(tǒng)與主軸系統(tǒng)的協(xié)同工作18.5軟驅(qū)主板18.6輔助部分18.7軟驅(qū)的主要技術(shù)18.8閱讀材料參考文獻