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節能電機驅動系統基礎與設計 版權信息
- ISBN：9787030752512
- 條形碼：9787030752512 ; 978-7-03-075251-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
節能電機驅動系統基礎與設計 本書特色
本書作者權威，立足節能電機驅動系統的設計與開發，深入淺出，結構合理，內容豐富實用。符合科技發展現狀，服務科技一線工作。
節能電機驅動系統基礎與設計 內容簡介
本書著眼于永磁同步電機和同步磁阻電機的高效率、高性能驅動系統，介紹電機驅動系統的構建、高性能運轉控制，以及電機特性和控制性能評估。主要內容包括電機驅動系統的基礎知識，PMSM和SynRM的基本結構和數學模型，電流矢量控制系統，無傳感器控制系統，直接轉矩控制，逆變器、傳感器，數字控制系統，以及實機實驗的準備和特性測量方法等。
節能電機驅動系統基礎與設計 目錄
目錄
第1章 電機驅動系統概述 1
1.1 電機驅動系統的基礎知識 3
1.1.1 總體結構 3
1.1.2 電機負載的特性 3
1.1.3 電機與控制器 5
1.1.4 機械系統的運動控制 6
1.2 電機驅動系統組成部分與各章的對應關系 8
參考文獻 11
第2章 永磁同步電機與同步磁阻電機的基礎知識 13
2.1 電機的種類和基本結構 15
2.1.1 電機的種類 15
2.1.2 定子結構及旋轉磁場 16
2.1.3 轉子結構 22
2.2 轉矩產生原理 25
參考文獻 31
第3章 永磁同步電機與同步磁阻電機的數學模型 33
3.1 坐標變換 35
3.1.1 什么是坐標變換 35
3.1.2 坐標變換矩陣 36
3.2 靜止坐標系模型 40
3.2.1 三相靜止坐標系模型 40
3.2.2 兩相靜止坐標系（α-β坐標系）模型 43
3.3 旋轉坐標系模型 43
3.3.1 d-q坐標系模型 43
3.3.2 考慮鐵損的d-q坐標系模型 48
3.3.3 M-T坐標系模型 49
3.3.4 任意直角坐標系模型 50
3.4 作為控制對象的基本電機模型 51
3.4.1 d-q坐標系基本模型 51
3.4.2 本書使用的電機和設備常數 53
3.5 實際電機模型 56
3.5.1 磁飽和與空間諧波的影響 56
3.5.2 電機參數分析實例 60
參考文獻 63
第4章 電流矢量控制方法 65
4.1 電流矢量平面上的特性曲線 67
4.2 電流相位與各種特性 72
4.2.1 電流恒定時的電流相位控制特性 72
4.2.2 轉矩恒定時的電流相位控制特性 76
4.2.3 電流相位控制特性小結 77
4.3 各種電流矢量控制方法 78
4.3.1 *大轉矩/電流控制 78
4.3.2 *大轉矩/磁鏈控制（*大轉矩/感應電壓控制） 80
4.3.3 弱磁控制 83
4.3.4 *大效率控制 85
4.3.5 cosφ=1控制 86
4.4 考慮電流、電壓限制的控制方法 86
4.4.1 電流矢量限制 86
4.4.2 電流、電壓限制下的電流矢量控制 88
4.4.3 *大輸出功率控制 91
4.5 電流矢量控制系統 97
4.5.1 電流指令值生成方法 97
4.5.2 解耦電流控制 100
4.5.3 電流控制系統 104
4.5.4 電流矢量控制系統特性示例 107
4.6 電機參數變化的影響 111
參考文獻 115
第5章 無傳感器控制 117
5.1 無傳感器控制概要 119
5.2 基于感應電壓的無傳感器控制 120
5.2.1 基于感應電壓的位置估計的基礎 120
5.2.2 基于估計d-q坐標系擴展反電動勢模型的位置和速度估計 123
5.2.3 基于擴展反電動勢模型的位置/速度估計單元 124
5.2.4 擴展反電動勢估計方式無傳感器控制 127
5.2.5 擴展反電動勢估計方式中參數誤差的影響 129
5.3 基于凸極性的無傳感器控制 131
5.3.1 基于凸極性的位置估計基礎 131
5.3.2 估計d-q坐標系的高頻電壓注入方法 132
5.3.3 極性判斷方法 136
5.4 高頻注入式與擴展反電動勢估計式全速域無傳感器控制 137
參考文獻 141
第6章 直接轉矩控制 143
6.1 轉矩和磁鏈控制的原理 145
6.1.1 轉矩控制 145
6.1.2 磁鏈控制 147
6.1.3 控制條件 148
6.2 基本特性曲線 152
6.3 轉矩和磁鏈指令值 156
6.3.1 *大轉矩/電流控制 156
6.3.2 弱磁控制 158
6.3.3 電流極限的轉矩極限 158
6.3.4 *大轉矩/磁鏈控制 158
6.4 DTC系統的構建 159
6.4.1 電樞磁鏈估計 159
6.4.2 開關表方式 161
6.4.3 參考磁鏈矢量計算方式 165
6.4.4 改善DTC控制特性的方法 173
6.4.5 DTC電機驅動系統的運轉特性 178
參考文獻 180
第7章 逆變器和傳感器 181
7.1 電壓源型逆變器的基本結構與原理 183
7.1.1 電壓源型三相逆變器的PWM控制 183
7.1.2 提高電壓利用率的調制方式 186
7.2 死區時間的影響與補償 189
7.2.1 死區時間的影響 189
7.2.2 死區時間的補償方法 190
7.3 電機驅動用傳感器 192
7.3.1 機械量傳感器 192
7.3.2 電量傳感器 196
參考文獻 198
第8章 數字控制系統設計 199
8.1 數字控制系統的基本結構 201
8.1.1 硬件結構 201
8.1.2 軟件處理和中斷處理 203
8.2 控制系統的數字化 203
8.3 數字化的注意事項 207
8.3.1 采樣定理 207
8.3.2 量化誤差 208
8.3.3 傳感器誤差補償 210
8.3.4 延遲的影響 210
參考文獻 211
第9章 電機測試系統及特性測量 213
9.1 測試系統的結構 215
9.2 初始設置（實驗準備） 218
9.2.1 正轉方向和相序、Z位置的確定 219
9.2.2 電氣系統常數的測量方法 221
9.2.3 機械系統常數的測量方法 230
9.2.4 傳感器零點補償 232
9.3 基本特性測量 232
9.3.1 電流相位-轉矩特性 232
9.3.2 速度-轉矩特性、效率圖 232
9.4 損耗分離 234
參考文獻 235
第1章 電機驅動系統概述 1
1.1 電機驅動系統的基礎知識 3
1.1.1 總體結構 3
1.1.2 電機負載的特性 3
1.1.3 電機與控制器 5
1.1.4 機械系統的運動控制 6
1.2 電機驅動系統組成部分與各章的對應關系 8
參考文獻 11
第2章 永磁同步電機與同步磁阻電機的基礎知識 13
2.1 電機的種類和基本結構 15
2.1.1 電機的種類 15
2.1.2 定子結構及旋轉磁場 16
2.1.3 轉子結構 22
2.2 轉矩產生原理 25
參考文獻 31
第3章 永磁同步電機與同步磁阻電機的數學模型 33
3.1 坐標變換 35
3.1.1 什么是坐標變換 35
3.1.2 坐標變換矩陣 36
3.2 靜止坐標系模型 40
3.2.1 三相靜止坐標系模型 40
3.2.2 兩相靜止坐標系（α-β坐標系）模型 43
3.3 旋轉坐標系模型 43
3.3.1 d-q坐標系模型 43
3.3.2 考慮鐵損的d-q坐標系模型 48
3.3.3 M-T坐標系模型 49
3.3.4 任意直角坐標系模型 50
3.4 作為控制對象的基本電機模型 51
3.4.1 d-q坐標系基本模型 51
3.4.2 本書使用的電機和設備常數 53
3.5 實際電機模型 56
3.5.1 磁飽和與空間諧波的影響 56
3.5.2 電機參數分析實例 60
參考文獻 63
第4章 電流矢量控制方法 65
4.1 電流矢量平面上的特性曲線 67
4.2 電流相位與各種特性 72
4.2.1 電流恒定時的電流相位控制特性 72
4.2.2 轉矩恒定時的電流相位控制特性 76
4.2.3 電流相位控制特性小結 77
4.3 各種電流矢量控制方法 78
4.3.1 *大轉矩/電流控制 78
4.3.2 *大轉矩/磁鏈控制（*大轉矩/感應電壓控制） 80
4.3.3 弱磁控制 83
4.3.4 *大效率控制 85
4.3.5 cosφ=1控制 86
4.4 考慮電流、電壓限制的控制方法 86
4.4.1 電流矢量限制 86
4.4.2 電流、電壓限制下的電流矢量控制 88
4.4.3 *大輸出功率控制 91
4.5 電流矢量控制系統 97
4.5.1 電流指令值生成方法 97
4.5.2 解耦電流控制 100
4.5.3 電流控制系統 104
4.5.4 電流矢量控制系統特性示例 107
4.6 電機參數變化的影響 111
參考文獻 115
第5章 無傳感器控制 117
5.1 無傳感器控制概要 119
5.2 基于感應電壓的無傳感器控制 120
5.2.1 基于感應電壓的位置估計的基礎 120
5.2.2 基于估計d-q坐標系擴展反電動勢模型的位置和速度估計 123
5.2.3 基于擴展反電動勢模型的位置/速度估計單元 124
5.2.4 擴展反電動勢估計方式無傳感器控制 127
5.2.5 擴展反電動勢估計方式中參數誤差的影響 129
5.3 基于凸極性的無傳感器控制 131
5.3.1 基于凸極性的位置估計基礎 131
5.3.2 估計d-q坐標系的高頻電壓注入方法 132
5.3.3 極性判斷方法 136
5.4 高頻注入式與擴展反電動勢估計式全速域無傳感器控制 137
參考文獻 141
第6章 直接轉矩控制 143
6.1 轉矩和磁鏈控制的原理 145
6.1.1 轉矩控制 145
6.1.2 磁鏈控制 147
6.1.3 控制條件 148
6.2 基本特性曲線 152
6.3 轉矩和磁鏈指令值 156
6.3.1 *大轉矩/電流控制 156
6.3.2 弱磁控制 158
6.3.3 電流極限的轉矩極限 158
6.3.4 *大轉矩/磁鏈控制 158
6.4 DTC系統的構建 159
6.4.1 電樞磁鏈估計 159
6.4.2 開關表方式 161
6.4.3 參考磁鏈矢量計算方式 165
6.4.4 改善DTC控制特性的方法 173
6.4.5 DTC電機驅動系統的運轉特性 178
參考文獻 180
第7章 逆變器和傳感器 181
7.1 電壓源型逆變器的基本結構與原理 183
7.1.1 電壓源型三相逆變器的PWM控制 183
7.1.2 提高電壓利用率的調制方式 186
7.2 死區時間的影響與補償 189
7.2.1 死區時間的影響 189
7.2.2 死區時間的補償方法 190
7.3 電機驅動用傳感器 192
7.3.1 機械量傳感器 192
7.3.2 電量傳感器 196
參考文獻 198
第8章 數字控制系統設計 199
8.1 數字控制系統的基本結構 201
8.1.1 硬件結構 201
8.1.2 軟件處理和中斷處理 203
8.2 控制系統的數字化 203
8.3 數字化的注意事項 207
8.3.1 采樣定理 207
8.3.2 量化誤差 208
8.3.3 傳感器誤差補償 210
8.3.4 延遲的影響 210
參考文獻 211
第9章 電機測試系統及特性測量 213
9.1 測試系統的結構 215
9.2 初始設置（實驗準備） 218
9.2.1 正轉方向和相序、Z位置的確定 219
9.2.2 電氣系統常數的測量方法 221
9.2.3 機械系統常數的測量方法 230
9.2.4 傳感器零點補償 232
9.3 基本特性測量 232
9.3.1 電流相位-轉矩特性 232
9.3.2 速度-轉矩特性、效率圖 232
9.4 損耗分離 234
參考文獻 235
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節能電機驅動系統基礎與設計 節選
第1章電機驅動系統概述 作為本書的導讀，本章介紹電機驅動系統的整體結構。電機驅動系統以電機為中心，大致由電機驅動的負載裝置，用于電機驅動和控制的功率變換器、控制器和傳感器等組成。本章將對這些組成部分進行概述，并對各組成部分與各章的對應關系進行說明。 1.1.電機驅動系統的基礎知識 1.1.1.總體結構 電機種類繁多，交流電機具有結構簡單、無刷免維護、運轉高效等優點，是動力電機的主流。此外，為了實現高效調速運轉，交流電機一般由逆變器驅動。三相交流電機驅動系統的基本結構如圖1.1所示，以交流電機為中心，由負載裝置、功率變換器、控制器和傳感器等組成。 能量流：來自電源的電能（電力）通過功率變換器（逆變器）轉換成可變電壓、可變頻率的三相交流電壓，輸入電機，再通過電機轉換成機械能（動力），從而驅動負載裝置。 信號（信息）流：外部指令[電機的旋轉角度（位置）、轉速、轉矩等]和由傳感器等獲得的信息（電流、電壓，位置、速度），經控制器運算處理，*終生成驅動電壓型逆變器的開關信號。 1.1.2.電機負載的特性 電機驅動的負載在不同速度下表現出不同的轉矩特性。電機控制的要求是，使負載穩定、快速、高精度地遵循指令（目標值跟蹤特性），受干擾的影響。ǹ垢蓴_特性），能效高（高效特性）。圖1.2所示為典型負載的速度-轉矩特性。①恒轉矩負載是指無論速度如何變化都要求轉矩不變的負載，如起重機、電梯、輸送機等。②平方轉矩負載又稱遞減轉矩負載，如風機、泵等流體機械。③恒輸出功率負載是指轉矩與速度成反比，輸出功率不受速度影響的負載，如卷揚機、機床主軸等。圖中，需要*大轉矩和*大輸出功率的工作點標記了“〇”，驅動電機必須具備滿足負載要求的速度-轉矩特性。*大轉矩主要取決于*大電機電流，*大輸出功率取決于電機功率和電源容量，電機額定值（額定轉矩、額定速度、額定輸出功率等）視負載大小而定。 傳統的電機驅動，一般遵循負載的速度-轉矩特性運行。空調壓縮機驅動電機和電動汽車驅動電機等按特定應用進行優化設計，能夠以各種速度和轉矩運轉。 圖1.3所示為特定用途電機的工作區示例。如圖1.3(a)所示的空調壓縮機驅動，啟動時要求電機高速大輸出功率運轉，以實現快速制冷/制熱；室溫穩定后，要求電機低速小轉矩運轉。如圖1.3(b)所示的洗衣機驅動，洗滌狀態（低速大轉矩）和脫水狀態（高速小轉矩）的工作區顯著不同，且沒有使用中間區。電動汽車和混合動力汽車等的驅動需要較寬的速度范圍和轉矩范圍，如圖1.3(c)所示，正常行駛狀態要求小轉矩，但是爬坡起步和超車加速時需要短時間內提供大轉矩、大輸出功率？梢姡煌猛镜碾姍C有不同的運轉狀態和工作區，電機驅動系統須提供圖1.3中虛線表示的速度-轉矩特性（恒轉矩區+恒輸出功率區）來滿足要求。 1.1.3.電機與控制器 為了滿足圖1.3所示各種應用所需的特性，首先要做的是電機選型并進行*優設計。電機方面有小型、輕量、高效、免維護等需求，永磁同步電機（permanent magnet synchronous motor，PMSM）滿足這些需求，是廣泛應用的節能高效電機。PMSM在形狀和設計方面有很高的自由度，適合特定用途，方便內置于設備中。此外，在普通工業電機當中，感應電機是主流。但需要更高效率的情況下，同步磁阻電機（synchronous reluctance motor，SynRM）在后感應電機時代備受關注。本書將PMSM和SynRM皆視為同步電機（synchronous motor，SM），統一講解驅動系統。 對于*優設計的電機，電機驅動系統是*大限度地提升電機性能的關鍵。交流電機驅動以逆變器驅動為基礎，但根據電機的轉速、轉矩等指令值，以及傳感器檢測到的電流、位置和速度信息，控制逆變器開關的控制器結構不盡相同。本書將詳細介紹對同步電機（PMSM、SynRM）速度和轉矩進行高性能和高效率控制的電流矢量控制和直接轉矩控制。 1.1.4.機械系統的運動控制 本書將圍繞電機驅動系統，就*大限度地提高電機性能的控制方法及具體系統結構進行說明。盡管電機有各種用途，但通常用作電動執行器，根據上位控制器的指令，實現電機驅動機械系統的轉速和旋轉角度的快速跟隨。 如圖1.4所示的多關節機器人，有多個電機驅動關節？刂颇康氖歉鶕衔豢刂破髦噶罨蛲獠渴┘拥牧Γ咚、穩定地操作機器人各關節的角度、機械臂的位置和軌跡。對此，需要伺服驅動器精確、高速地控制各關節電機的轉矩、轉速和旋轉角度（位置）。同步電機的轉矩控制可以通過本書介紹的電流矢量控制或直接轉矩控制來實現。控制電機轉速和旋轉角度進而控制機械臂運動（移動速度或位置），被稱為運動控制（motion control）。如果可以根據指令值精確地控制電機的轉速和旋轉角度，就可以利用軌跡生成指令協同控制所有關節，從而控制機器人整體的動作。 本書還將介紹轉矩控制系統。電機驅動系統可以看作轉矩發生器（相當于圖1.4中的轉矩控制單元和電機），進行速度、位置控制系統設計。轉矩的響應特性取決于電機控制器設計，指令轉矩T*和實際轉矩T的關系可以用一階滯后系統近似表示為 （1.1）
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