　　電動機的數字控製是電動機控製的發展趨勢，用單片機對電動機進行控製是實現電動機數字控製最常用的手段。本書詳盡、係統地介紹瞭常用的直流電動機、交流電動機、步進電動機、無刷直流電動機、交流永磁同步伺服電動機、開關磁阻電動機的控製原理和采用單片機進行控製的方法，並給齣瞭單片機控製電路和軟件；同時，還介紹瞭用於電動機驅動的常用功率元器件的特性和驅動電路，用於電動機閉環控製的常用傳感器的原理以及與單片機的接口電路，用於電動機優化控製的數字PID與數字濾波的算法和編程。
　　本書適閤對電動機的單片機控製感興趣的初學者使用，也可作為高等院校機械電子工程、電氣工程及其自動化、工業自動化、電機和電器智能化等專業的教材，還可作為相關專業工程技術人員的自學用書。

緒　論…………………………………………………………………………………… 1
第1章　機電傳動係統的動力學基礎………………………………………………… 6
1．1　機電傳動係統的運動方程…………………………………………………… 6
1．2　轉矩和轉動慣量的摺算……………………………………………………… 7
1．3　負載機械和電動機的機械特性……………………………………………… 9
1．4　機電傳動係統穩定運行的條件……………………………………………… 11
習題與思考題……………………………………………………………………… 12
第2章　常用電力電子開關器件…………………………………………………… 13
2．1　可關斷晶閘管的特性和參數………………………………………………… 13
2．1．1　可關斷晶閘管的原理和性能…………………………………………… 13
2．1．2　可關斷晶閘管的門極驅動電路………………………………………… 17
2．2　功率晶體管的性能和應用…………………………………………………… 18
2．2．1　功率晶體管的特性和參數……………………………………………… 18
2．2．2　功率晶體管的驅動……………………………………………………… 21
2．3　功率場效應管的性能和應用………………………………………………… 23
2．3．1　功率場效應管的特性和參數…………………………………………… 23
2．3．2　功率場效應管的驅動…………………………………………………… 27
2．4　絕緣柵雙極型晶體管的性能和應用………………………………………… 29
2．4．1　絕緣柵雙極型晶體管的特性和參數…………………………………… 29
2．4．2　絕緣柵雙極型晶體管的驅動…………………………………………… 32
2．5　智能功率模塊的性能和應用………………………………………………… 35
2．5．1　智能功率模塊的結構…………………………………………………… 35
2．5．2　智能功率模塊的自保護特性…………………………………………… 41
2．5．3　智能功率模塊的應用…………………………………………………… 43
習題與思考題……………………………………………………………………… 45
第3章　C8051單片機對電動機控製的支持……………………………………… 46
3．1　C8051F05/15單片機的特點……………………………………………… 46
3．2　C8051單片機的組成………………………………………………………… 49
3．2．1　C8051單片機的結構…………………………………………………… 49
3．2．2　中斷係統………………………………………………………………… 53
3．2．3　定時器/計數器………………………………………………………… 56
3．3　C8051用於控製電動機時的輸入/輸齣端口設置………………………… 61
3．4　電動機控製中A/D轉換在C8051中的實現……………………………… 65
3．5　電動機控製中PWM 和測頻在C8051中的實現………………………… 70
3．6　C8051與5V 電動機控製係統的接口方法………………………………… 80
習題與思考題……………………………………………………………………… 81
第4章　數字PID 控製器與數字濾波……………………………………………… 83
4．1　模擬PID控製原理………………………………………………………… 83
4．2　數字PID控製算法………………………………………………………… 85
4．2．1　位置式PID控製算法………………………………………………… 85
4．2．2　增量式PID控製算法………………………………………………… 86
4．2．3　數字PID控製算法子程序…………………………………………… 87
4．3　數字PID的改進算法……………………………………………………… 94
4．3．1　對積分作用的改進……………………………………………………… 94
4．3．2　對微分作用的改進……………………………………………………… 96
4．4　數字PID控製器參數的選擇方法和采樣周期的選擇…………………… 98
4．4．1　參數的選擇方法………………………………………………………… 98
4．4．2　采樣周期的選擇……………………………………………………… 100
4．5　數字濾波技術……………………………………………………………… 101
4．5．1　算術平均值法………………………………………………………… 102
4．5．2　移動平均濾波法……………………………………………………… 102
4．5．3　防脈沖乾擾平均值法………………………………………………… 105
4．5．4　數字低通濾波法……………………………………………………… 107
習題與思考題……………………………………………………………………… 110
第5章　位移、角度、轉速檢測傳感器……………………………………………… 111
5．1　光柵位移檢測傳感器……………………………………………………… 111
5．1．1　光柵傳感器的特點和分類…………………………………………… 111
5．1．2　光柵位移傳感器的組成……………………………………………… 113
5．1．3　光柵位移傳感器的工作原理………………………………………… 114
5．1．4　光柵細分技術………………………………………………………… 117
5．1．5　光柵位移傳感器與單片機的接口…………………………………… 119
5．2　光電編碼盤角度檢測傳感器……………………………………………… 121
5．2．1　絕對式光電編碼盤…………………………………………………… 121
5．2．2　增量式光電編碼盤…………………………………………………… 124
5．2．3　光電編碼盤與單片機的接口………………………………………… 126
5．3　直流測速發電機…………………………………………………………… 128
5．3．1　直流測速發電機的工作原理………………………………………… 128
5．3．2　影響直流測速發電機輸齣特性的因素及對策……………………… 129
5．3．3　直流測速發電機與單片機的接口…………………………………… 132
習題與思考題……………………………………………………………………… 133
第6章　直流電動機調速係統……………………………………………………… 134
6．1　直流電動機電樞的PWM 調壓調速原理………………………………… 134
6．2　直流電動機的不可逆PWM 係統………………………………………… 137
6．2．1　無製動的不可逆PWM 係統………………………………………… 137
6．2．2　有製動的不可逆PWM 係統………………………………………… 139
6．3　直流電動機雙極性驅動可逆PWM 係統………………………………… 141
6．3．1　雙極性驅動可逆PWM 係統的控製原理…………………………… 141
6．3．2　采用專用直流電動機驅動芯片LMD18200實現雙極性控製……… 143
6．4　直流電動機單極性驅動可逆PWM 係統………………………………… 146
6．4．1　受限單極性驅動可逆PWM 係統的控製原理……………………… 146
6．4．2　受限倍頻單極性驅動可逆PWM 係統的控製原理………………… 147
6．4．3　用單片機實現受限單極性控製……………………………………… 148
6．5　小功率直流伺服係統……………………………………………………… 149
6．5．1　LM629的功能和工作原理…………………………………………… 149
6．5．2　LM629的指令………………………………………………………… 150
6．5．3　LM629的應用………………………………………………………… 154
習題與思考題……………………………………………………………………… 155
第7章　交流異步電動機變頻調速係統…………………………………………… 156
7．1　交流異步電動機變頻調速原理…………………………………………… 156
7．1．1　交流異步電動機調速原理…………………………………………… 156
7．1．2　主電路和逆變電路工作原理………………………………………… 157
7．2　變頻與變壓………………………………………………………………… 160
7．2．1　問題的提齣…………………………………………………………… 160
7．2．2　變頻與變壓的實現———SPWM 調製波……………………………… 161
7．2．3　載波頻率的選擇……………………………………………………… 165
7．3　變頻後的機械特性及其補償……………………………………………… 166
7．3．1　變頻後的機械特性…………………………………………………… 166
7．3．2　U/f 轉矩補償法……………………………………………………… 167
7．4　SPWM 波發生器SA4828芯片…………………………………………… 168
7．4．1　SA4828的工作原理………………………………………………… 168
7．4．2　SA4828的編程……………………………………………………… 170
7．5　單片機控製交流異步電動機變頻調速應用舉例………………………… 174
7．5．1　硬件接口電路………………………………………………………… 174
7．5．2　編程舉例……………………………………………………………… 175
習題與思考題……………………………………………………………………… 182
第8章　步進電動機的單片機控製………………………………………………… 183
8．1　步進電動機的結構和工作原理…………………………………………… 183
8．1．1　步進電動機的分類與結構…………………………………………… 183
8．1．2　反應式步進電動機的工作原理……………………………………… 187
8．1．3　二相混閤式步進電動機的工作原理………………………………… 192
8．2　步進電動機的特性………………………………………………………… 193
8．2．1　步進電動機的振蕩、失步及解決方法………………………………… 193
8．2．2　步進電動機的矩角特性……………………………………………… 195
8．2．3　步進電動機的矩頻特性……………………………………………… 197
8．3　步進電動機的驅動………………………………………………………… 198
8．3．1　單電壓驅動…………………………………………………………… 198
8．3．2　雙電壓驅動…………………………………………………………… 198
8．3．3　斬波驅動……………………………………………………………… 200
8．3．4　細分驅動……………………………………………………………… 201
8．3．5　集成電路驅動………………………………………………………… 203
8．3．6　雙極性驅動…………………………………………………………… 204
8．4　步進電動機的單片機控製………………………………………………… 207
8．4．1　脈沖分配……………………………………………………………… 207
8．4．2　速度控製……………………………………………………………… 210
8．5　步進電動機的運行控製…………………………………………………… 211
8．5．1　位置控製……………………………………………………………… 211
8．5．2　加、減速控製…………………………………………………………… 214
習題與思考題……………………………………………………………………… 219
第9章　無刷直流電動機的原理及單片機控製…………………………………… 221
9．1　無刷直流電動機的結構和原理…………………………………………… 221
9．1．1　無刷直流電動機的結構……………………………………………… 221
9．1．2　位置傳感器…………………………………………………………… 222
9．1．3　無刷直流電動機的工作原理………………………………………… 226
9．2　無刷直流電動機的驅動…………………………………………………… 229
9．2．1　三相無刷直流電動機全橋驅動的連接方式………………………… 229
9．2．2　無刷直流電動機的PWM 控製方式………………………………… 231
9．2．3　正反轉………………………………………………………………… 234
9．3　無刷直流電動機的單片機控製…………………………………………… 237
9．3．1　有位置傳感器無刷直流電動機的單片機控製……………………… 237
9．3．2　無位置傳感器無刷直流電動機的單片機控製……………………… 243
習題與思考題……………………………………………………………………… 251
第10章　交流永磁同步伺服電動機的磁場定嚮矢量控製……………………… 252
10.1　矢量控製技術……………………………………………………………… 252
10.1.1　矢量控製的基本思想………………………………………………… 252
10.1.2　矢量控製的坐標變換………………………………………………… 253
10．2　電壓空間矢量SVPWM 技術…………………………………………… 259
10.2.1　電壓矢量與磁鏈矢量的關係………………………………………… 259
10.2.2　基本電壓空間矢量…………………………………………………… 260
10.2.3　鏈軌跡的控製………………………………………………………… 262
10.2.4　t1、t2、t0的計算和扇區號的確定…………………………………… 263
10.3　轉子磁場定嚮矢量控製…………………………………………………… 265
10.4　用單片機實現交流永磁同步伺服電動機的磁場定嚮矢量控製………… 266
10.4.1　交流伺服控製芯片的功能…………………………………………… 266
10.4.2　應用舉例……………………………………………………………… 278
習題與思考題……………………………………………………………………… 290
第11章　開關磁阻電動機的單片機控製………………………………………… 291
11．1　開關磁阻電動機的結構、工作原理和特點……………………………… 291
11．2　開關磁阻電動機的功率驅動電路………………………………………… 294
11．3　開關磁阻電動機的線性模式分析………………………………………… 296
11．3．1　開關磁阻電動機理想的相電感線性分析…………………………… 296
11．3．2　開關磁阻電動機轉矩的定性分析…………………………………… 297
11．4　開關磁阻電動機的控製方法……………………………………………… 298
11．5　開關磁阻電動機的單片機控製及編程例子……………………………… 302
習題與思考題……………………………………………………………………… 312
參考文獻……………………………………………………………………………… 313

前言/序言

　　不管是工業4．0的“智能工廠”和“智能生産”，還是中國製造2025的“智能製造”，都離不開數字化與自動化。絕大部分可動自動化設備的動作執行體就是電動機。因此在這一工業革命的進程中，電動機的數字控製必將成為重點領域。本書第4版正是在這一大背景下孕育而生的。希望本書能為從事電動機數字控製相關專業的工程技術人員水平的提高和高校培養相關專業人纔方麵做齣一點貢獻。本書的修訂主要是在第3版的基礎上增加瞭“開關磁阻電動機的單片機控製”一章。這樣，本書的內容就覆蓋瞭全部應用電動機的種類。
　　特彆感謝北京航空航天大學齣版社及相關工作人員與本人長期友好的閤作和提供的各項幫助。感謝曾紅、潘靜、董振宇、王曉磊、趙英、楊紅梅、趙忠義、康樂、黃海龍、於濤、莊喜潤、楊秀艷、劉瑤、周青山、李光旭、譚微、倪鵬、董玉林、張桐、馮準、常甲興、趙波、李玉美等為本書的修訂所做的資料收集和整理、電路設計、程序設計與試驗、文字校對和圖形繪製等工作，以及對我的工作所給予的各種支持和鼓勵。
　　王曉明
　　2015年10月

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