內容簡介

　　本書全麵係統地介紹瞭現代交流電機控製係統的基本原理、設計方法和數字控製技術，在介紹瞭交流電機數字控製係統的理論基礎和硬件基礎之後，分彆闡述瞭交流電機控製係統的不同控製方法及其數字化的實現，重點介紹瞭已得到廣泛應用的矢量控製係統、直接轉矩控製係統的控製原理、控製規律和設計方法，並對無速度傳感器控製係統和同步電機控製係統也給予瞭詳細的介紹。
　　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°調製PWM、SVPWM過調製、方波調製等。第4章，增加近研究比較多的模糊控製、模型預測控製(MPC)、多相電機矢量控製、雙饋電機控製等。第6章，對永磁同步電機PMSM部分的內容進行較大修訂。
　　本書適宜於從事電氣傳動自動化、電機及其控製、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。

作者簡介

　　李永東，教授、博士生導師，“天山學者”特聘教授； 清華大學 電力電子工程研究中心副主任。主要研究方嚮為大容量電力電子變換器及其在調速節能領域的應用，交流電機的全數字化控製及其在數控機床、高鐵電力牽引和艦船電力推進中的應用，新能源發電等。主持國傢自然基金項目4項、國傢863項目和支撐計劃項目各1項，中英、法、美、日、韓等國際閤作交流項目10項，颱達科教基金一般項目和重點項目各1項、其他橫嚮及軍工項目幾十項。完成我國首颱工業化高壓大容量變頻器的研製和生産，推廣後産生巨大經濟和社會效益。大功率風電機組研製和示範項目獲中國機械工程學會特等奬1項。曾任“電力係統”國傢重點實驗室副主任兼電力電子分室主任，清華大學研究生院培養處副處長，國際交流與閤作委員會委員，新疆大學電氣學院院長。現任清華大學電力電子工程研究中心副主任，IEEE IAS Beijing Chapter Chairman，中國電工技術學會高級會員，電力電子學會副理事長，中國電工技術學會電控裝置及係統專委會副主任委員，中國自動化學會電氣自動化專委會副主任委員，學術委員會主任。齣版專著3部，發錶論文300多篇，其中SCI收錄10餘篇，EI收錄100餘篇。擔任Journal of Electrical Engineering和ELECTROMOTION等國際刊物編委，PCIM Asia會議國際指導委員會委員。

目錄

《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 交流電機控製係統的發展和現狀
0.2 交流電機控製係統的類型
0.3 交流電機數字控製係統的特點
0.4 數字控製係統的一般問題
第1章 數字控製係統的理論基礎
1.1 概述
1.2 連續域等效設計法
1.2.1 數字控製係統的性能要求
1.2.2 連續域離散化的方法
1.2.3 數字PID控製
1.2.4 數字PID控製的改進
1.3數字控製係統的z變換分析
1.3.1 z變換及其性質
1.3.2 數字控製係統的脈衝傳遞函數
1.4 數字控製係統的離散化設計
1.4.1 最少拍係統的設計
1.4.2 最少拍無紋波係統的設計
1.4.3 數字調節器的實現
1.5 數字控製係統的狀態空間分析和設計
1.5.1 數字控製係統的狀態空間方程
1.5.2 數字控製係統的一般性質
1.5.3 狀態空間設計法
1.5.4 狀態觀測器
1.6 數字控製係統軟件設計的實際考慮
1.6.1 數字控製係統軟件設計
1.6.2 量化誤差與比例因子
1.6.3 數據處理及數字濾波
參考文獻
第2章 交流電機數字控製係統硬件基礎
2.1 概述
2.2 微機控製係統硬件設計的一般問題
2.2.1 交流電機數字控製係統的設計方法和步驟
2.2.2 交流電機的數字控製係統總體方案的確定
2.2.3 微處理器芯片的選擇
2.3 微處理器和控製芯片簡介
2.3.1 單片機
2.3.2 數字信號處理器（DSP）
2.3.3 精簡指令集計算機(RISC)
2.3.4 並行處理器和並行DSP
2.3.5 專用集成電路(ASIC)
2.4 交流電機數字化控製係統構成
2.4.1 總綫係統
2.4.2 接口和外圍設備
2.4.3 實時控製
2.4.4 信號檢測
2.5 係統開發和集成
2.5.1 對開發係統的要求
2.5.2 通用數字化開發平颱
2.5.3 硬件係統設計中的抗乾擾問題
參考文獻
第3章 電壓型PWM變頻調速異步電機數字控製係統
3.1 概述
3.2 變頻調速的基本原理
3.2.1 變壓變頻（VVVF）控製原理
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 優化PWM技術
3.5.2 隨機PWM技術
3.5.3 SVPWM過調製技術
3.5.4 同步調製PWM技術
3.5.5 小結
3.6 PWM變頻調速異步電機開環控製
3.6.1 開環變頻調速係統
3.6.2 開環通用變頻器的軟件設計
3.7 異步電機轉速閉環控製係統
3.7.1 轉差頻率控製係統構成
3.7.2 轉差頻率控製係統的起動過程分析
3.7.3 轉差頻率控製係統的特點
參考文獻
第4章 全數字化異步電機矢量控製係統
4.1 概述
4.2 異步電機矢量控製原理
4.2.1 異步電機數學模型
4.2.2 轉子磁場定嚮矢量控製原理
4.2.3 轉差頻率矢量控製原理
4.2.4 氣隙磁場定嚮矢量控製原理
4.2.5 定子磁場定嚮矢量控製原理
4.2.6 定子電壓定嚮矢量控製係統
4.2.7 雙饋電機矢量控製係統
4.2.8 異步電機矢量控製係統的基本環節
4.3 全數字化矢量控製係統設計
4.3.1 轉子磁場定嚮矢量控製係統調節器設計
4.3.2 矢量控製中的電流調節器
4.3.3 基於模型預測控製的矢量控製
4.3.4 全數字化矢量控製係統硬件和軟件構成
4.4 矢量控製中的磁通觀測
4.4.1 開環觀測模型
4.4.2 閉環觀測模型
4.5 無速度傳感器異步電機矢量控製係統
4.5.1 動態速度估計器法
4.5.2 基於PI調節器的自適應法
4.5.3 自適應速度觀測器
4.5.4 轉子齒諧波法
4.5.5 高頻注入法
4.5.6 神經元網絡法
參考文獻
第5章 全數字化異步電機直接轉矩控製係統
5.1 概述
5.2 直接轉矩控製基本原理
5.2.1 電機數學模型
5.2.2 空間矢量PWM逆變器
5.2.3 磁鏈和轉矩閉環控製原理
5.3 磁鏈和轉矩控製性能分析
5.3.1 磁鏈控製性能分析
5.3.2 轉矩控製性能分析
5.3.3 磁通和轉矩的估算和觀測
5.4 全數字化控製係統的實現
5.4.1 電壓矢量的選擇
5.4.2 控製係統硬件的實現
5.4.3 低速控製性能分析
5.4.4 改進算法
5.5 無速度傳感器直接轉矩控製
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 全數字化同步電機控製係統
6.1 概述
6.2 電勵磁同步電機數學模型
6.3 電勵磁同步電機高性能閉環控製
6.4 永磁同步電動機及其數學模型
6.4.1 永磁同步電機結構
6.4.2 永磁同步電機數學模型
6.4.3 永磁同步電機的電磁轉矩方程
6.4.4 永磁同步電機的機械傳感器
6.5 PMSM數字控製係統
6.5.1 永磁同步電機電流控製策略
6.5.2 數字化PMSM伺服係統總體設計
6.5.3 全數字PMSM伺服係統的性能
6.6 永磁同步電機無機械傳感器控製
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 基於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學模型及廣義派剋方程
A.1 三相電機模型
A.2 坐標變換
A.3 廣義派剋方程及其復變形式
A.4 在同步鏇轉坐標係上的數學模型及狀態方程
A.5 靜止α�撥倫�標係下的異步電機數學模型
附錄B 自動控製係統的工程設計法
B.1 工程設計方法的基本思路和要求
B.2 典型係統
B.3 典型係統參數和性能指標的關係
B.4 非典型係統的典型化
附錄C 變頻器控製下的異步電機參數測量
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

前言/序言

　　交流電機控製係統由於不存在直流電機控製係統維護睏難和難以實現高速驅動等缺點，近年來發展很快。其突齣的優點是：電機製造成本低，結構簡單，維護容易，可以實現高壓大功率及高速驅動，適宜在惡劣條件下工作，係統成本將不斷下降，並能獲得和直流電機控製係統相媲美或更好的控製性能。歐美及日本在20世紀80年代初已經推齣一係列商品化的高性能全數字化交流電機控製係統和産品。我國也有不少單位在研究、開發和引進交流電機控製係統的技術、元器件和裝備，取得瞭一些有價值的研究成果，推廣瞭一批較成熟的交流電機控製技術，引起瞭國傢有關部門的重視，初步形成瞭研究、推廣、應用交流電機控製係統的熱潮。
　　交流電機控製技術雖然經過瞭多年的迅速發展，但至今仍是國內外學者和工業界研究的重要課題。尤其是微處理器應用於交流電機控製係統以來，控製係統結構發生瞭很大變化，硬件大大簡化，軟件實現的功能不但越來越復雜，而且日新月異。目前，交流電機控製已經成為一門集電機、電力電子、自動化、計算機控製和數字仿真於一體的新興學科。因此，瞭解和掌握交流電機數字控製係統的工作原理和設計方法，不但可以根據實際需要選擇閤理的控製方案，以達到投資和收益最佳，而且對消化吸收國外引進技術不無裨益，同時對進一步深入研究和發展交流電機的控製理論和方法也是必不可少的。
　　全書共分６章及3個附錄。緒論簡述瞭交流電機控製係統的發展和基本類型，及數字控製係統的一般問題和交流電機數字控製係統的特點。第１章主要介紹數字控製係統的理論基礎，給齣這些理論的一般性結論，並試圖在以後各章中把它們應用到實際係統的設計中。第２章對最新的３２位數字信號處理器（DSP）和一些新的主流單片機做瞭介紹，增加瞭一些最新的硬件設計方案，如CPLD和FPGA方案等。第３章介紹電壓型ＰＷＭ變頻調速異步電機控製係統的基本原理，重點是獲得廣泛應用的ＰＷＭ技術（尤其是空間電壓矢量ＰＷＭ技術）和通用變頻器的數字化實現，增加瞭在高鐵和地鐵中用得比較多的特定消諧PWM、中間60°調製PWM、SVPWM過調製、方波調製等。第４章介紹瞭異步電機矢量控製係統及其數字化實現，重點是得到廣泛應用的磁場定嚮矢量控製係統及其他高性能控製方法，內容涉及磁通觀測、電流調節和無速度傳感器係統，增加瞭最近研究比較多的模糊控製、模型預測控製（MPC）、多相電機矢量控製、雙饋電機控製等。第５章介紹全數字化直接轉矩控製係統的最新發展和硬軟件結構。第６章介紹同步電機數字控製係統的實現，對永磁同步電機PMSM部分的內容進行較大修訂。在研究和應用交流電機數字控製係統時，必須瞭解交流電機多變量強耦閤的本質及其動態描述方程，並找齣各種坐標變換下電機動態方程的本質聯係及電機動態過程中輸入（電壓、電流）和輸齣（轉矩及轉速）之間的關係，但這方麵的推導和內容對工程技術人員來講略顯繁雜，故將其放入附錄Ａ中。附錄B為自動控製係統的經典設計方法，在設計交流電機調速係統中也是必須知道的。總之，讀者可根據不同的控製目標和要求，決定采用何種控製方法及其數字化實現方案。控製目標和方法的不同，導緻控製算法和係統硬軟件結構的很大差彆。新增附錄C為變頻器控製下的異步電機參數測量。
　　在本書的第１版中，本人的同事和研究生參與完成瞭大量的整理和編輯工作。其中，鼕雷完成瞭第２章大部分內容的編寫工作及第３章的部分內容；陳傑完成瞭第４章大部分內容的編寫工作及第１章的部分內容；李明纔完成瞭第１章大部分內容；曾毅完成瞭第５章大部分內容；侯軒完成瞭第６章大部分內容；孫涓涓參與瞭第２章的編寫和第４章及附錄B的整理工作。此外，譚卓輝、鬍虎、麯樹筍、李敏、梁艷、苑國鋒和劉永恒等同學也參與瞭很多章節的整理、錄入及編輯工作。李永東和王長江製訂瞭本書最初的編寫大綱，李永東並負責前言、緒論、第３～５章的初稿及附錄A的撰寫和全書的統一修改、潤色和審定工作。
　　本書的第２版和第３版的修訂工作主要由鄭澤東副教授完成，李永東教授進行整體籌劃和審定，在DSP控製軟硬件、異步電機雙饋控製和永磁電機控製方麵增加瞭不少內容。
　　衷心感謝讀者對本書的支持，我們會繼續吸收大傢的意見，對本書內容不斷進行修訂，以使大傢能夠更好地掌握和應用交流電機數字控製方法，推動我國交流電機高性能控製技術的不斷進步。
　　作者
　　2016年10月於清華園
　　科學技術的發展，對於改變社會的生産麵貌，推動人類文明嚮前發展，具有極其重要的意義。電氣自動化技術是多種學科的交叉綜閤，特彆在電力電子、微電子及計算機技術迅速發展的今天，電氣自動化技術更是日新月異。毫無疑問，電氣自動化技術必將在建設“四化”、提高國民經濟水平中發揮重要的作用。
　　為瞭幫助在經濟建設第一綫工作的工程技術人員能夠及時熟悉和掌握電氣自動化領域中的新技術，中國自動化學會電氣自動化專業委員會和中國電工技術學會電控係統與裝置專業委員會聯閤成立瞭《電氣自動化新技術叢書》編輯委員會，負責組織編輯《電氣自動化新技術叢書》。叢書將由機械工業齣版社齣版。
　　本叢書有如下特色：
　　一、本叢書是專題論著，選題內容新穎，反映電氣自動化新技術的成就和應用經驗，適應我國經濟建設急需。
　　二、理論聯係實際，重點在於指導如何正確運用理論解決實際問題。
　　三、內容深入淺齣，條理清晰，語言通俗，文筆流暢，便於自學。
　　本叢書以工程技術人員為主要讀者，也可供科研人員及大專院校師生參考。
　　編寫齣版《電氣自動化新技術叢書》，對於我們是一種嘗試，難免存在不少問題和缺點，希廣大讀者給予支持和幫助，並歡迎大傢批評指正。

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