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第1篇 直流拖动控制系统2

第1章 闭环控制的直流调速系统2

1.1直流调速系统用的可控直流电源2

1.1.1旋转变流机组2

1.1.2静止式可控整流器3

1.1.3直流斩波器或脉宽调制变换器4

1.2晶闸管－电动机系统（V-M系统）的主要问题5

1.2.1触发脉冲相位控制6

1.2.2电流脉动及其波形的连续与断续7

1.2.3抑制电流脉动的措施7

1.2.4晶闸管－电动机系统的机械特性8

1.2.5晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数9

1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形11

1.3直流脉宽调速系统的主要问题11

1.3.2直流脉宽调速系统的机械特性16

1.3.3 PWM控制与变换器的数学模型17

1.3.4电能回馈与泵升电压的限制17

1.4反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计18

1.4.1转速控制的要求和调速指标18

1.4.2开环调速系统及其存在的问题20

1.4.3闭环调速系统的组成及其静特性21

1.4.4开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系22

1.4.5反馈控制规律25

1.4.6闭环直流调速系统稳态参数的计算26

1.4.7限流保护——电流截止负反馈28

1.5反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计30

1.5.1反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型30

1.5.2反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件33

1.5.3动态校正——PI调节器的设计35

1.6 比例积分控制规律和无静差调速系统40

1.6.1积分调节器和积分控制规律40

1.6.2比例积分控制规律42

1.6.3无静差直流调速系统及其稳态参数计算43

1.7电压反馈电流补偿控制的直流调速系统44

1.7.1电压负反馈直流调速系统45

1.7.2电流正反馈和补偿控制规律46

1.7.3电流补偿控制直流调速系统的数学模型和稳定条件49

习题50

第2章 转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法52

2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性52

2.1.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成53

2.1.2稳态结构框图和静特性54

2.1.3各变量的稳态工作点和稳态参数计算55

2.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析56

2.2.1双闭环直流调速系统的动态数学模型56

2.2.2起动过程分析56

2.2.3动态抗扰性能分析58

2.2.4转速和电流两个调节器的作用59

2.3调节器的工程设计方法59

2.3.1工程设计方法的基本思路60

2.3.2典型系统60

2.3.3控制系统的动态性能指标62

2.3.4典型Ⅰ型系统性能指标和参数的关系63

2.3.5典型Ⅱ型系统性能指标和参的关系68

2.3.6调节器结构的选择和传递函数的近似处理——非典型系统的典型化71

2.4.1电流调节器的设计76

2.4按工程设计方法设计双闭环系统的调节器76

2.4.2转速调节器的设计80

2.4.3转速调节器退饱和时转速超调量的计算84

2.5转速超调的抑制——转速微分负反馈87

2.5.1带转速微分负反馈双闭环调速系统的基本原理87

2.5.2退饱和时间和退饱和转速89

2.5.3转速微分负反馈参数的工程设计方法90

2.5.4带转速微分负反馈双闭环调速系统的抗扰性能90

2.6弱磁控制的直流调速系统91

2.6.1变压与弱磁的配合控制91

2.6.2非独立控制励磁的调速系统92

2.6.3弱磁过程的直流电动机数学模型和弱磁控制系统转速调节器的设计93

习题94

3.1微型计算机数字控制的主要特点97

第3章 直流调速系统的数字控制97

3.1.1数字量化98

3.1.2采样频率的选择98

3.1.3微机数字控制系统的输入与输出变量99

3.2微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件100

3.2.1微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件结构100

3.2.2微机数字控制双闭环直流调速系统的软件框图101

3.3数字测速与滤波103

3.3.1旋转编码器103

3.3.2 M法测速103

3.3.3 T法测速104

3.3.4 M/T法测速104

3.3.5各种数字测速方法的精度指标105

3.3.6 M/T法数字测速软件框图106

3.3.7数字滤波107

3.4.1模拟PI调节器的数字化108

3.4数字PI调节器108

3.4.2改进的数字PI算法110

3.4.3智能型PI调节器110

3.5按离散控制系统设计数字控制器112

3.5.1具有零阶保持器的数字控制直流调速系统113

3.5.2控制对象传递函数的离散化113

3.5.3数字转速调节器的设计114

3.6数字控制系统的故障检测、保护与自诊断118

3.6.1故障检测118

3.6.2故障保护119

3.6.3故障自诊断119

习题120

4.1.1单片微机控制的PWM可逆直流调速系统121

第4章 可逆直流调速系统和位置随动系统121

4.1可逆直流调速系统121

4.1.2有环流控制的可逆晶闸管－电动机系统122

4.1.3无环流控制的可逆晶闸管－电动机系统129

4.2位置随动系统133

4.2.1位置随动系统的组成133

4.2.2位置随动系统的特征及其与调速系统的比较134

4.2.3位置传感器134

4.2.4位置随动系统的稳态误差分析和参数计算136

4.2.5位置随动系统的动态校正与控制141

习题144

第2篇 交流拖动控制系统147

第5章 闭环控制的异步电动机变压调速系统——一种转差功率消耗型调速系统147

5.1异步电动机变压调速电路147

5.2异步电动机改变电压时的机械特性148

5.3闭环控制的变压调速系统及其静特性150

5.4闭环变压调速系统的近似动态结构框图151

5.5转差功率损耗分析153

5.6变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用155

5.6.1软起动器155

5.6.2轻载降压节能运行156

习题157

第6章 笼型异步电动机变压变频调速系统（VVVF系统）——转差功率不变型调速系统158

6.1变压变频调速的基本控制方式158

6.1.1基频以下调速159

6.2.1恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性160

6.2.2基频以下电压－频率协调控制时的机械特性160

6.2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性160

6.1.2基频以上调速160

6.2.3基频以上恒压变频时的机械特性163

6.2.4恒流正弦波供电时的机械特性163

6.3电力电子变压变频器的主要类型165

6.3.1交－直－交和交－交变压变频器165

6.3.2电压源型和电流源型逆变器167

6.3.3 180°导通型和120°导通型逆变器169

6.4变压变频调速系统中的脉宽调制（PWM）技术169

6.4.1正弦波脉宽调制（SPWM）技术170

6.4.2消除指定次数谐波的PWM（SHEPWM）控制技术171

6.4.3电流滞环跟踪PWM（CHBPWM）控制技术172

6.4.4电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术（或称磁链跟踪控制技术）175

6.4.5桥臂器件开关死区对PWM控制变压变频器工作的影响182

6.5基于异步电动机稳态模型的变压变频调速系统184

6.5.1转速开环恒压频比控制调速系统——通用变频器－异步电动机调速系统185

6.5.2转速闭环转差频率控制的压变频调速系统187

6.6异步电动机的动态数学模型和坐标变换190

6.6.1异步电动机动态数学模型的性质190

6.6.2三相异步电动机的多变量非线性数学模型191

6.6.3坐标变换和变换矩阵195

6.6.4三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型200

6.6.5三相异步电动机在两相坐标系上的状态方程204

6.7基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统206

6.7.1矢量控制系统的基本思路206

6.7.2按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用207

6.7.3转子磁链模型209

6.7.4转速、磁链闭环控制的矢量控制系统——直接矢量控制系统211

6.7.5磁链开环转差型矢量控制系统——间接矢量控制系统213

6.8.1直接转矩控制系统的原理和特点214

6.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统214

6.8.2直接转矩控制系统的控制规律和反馈模型215

6.8.3直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较216

习题217

第7章 绕线转子异步电机双馈调速系统——转差功率馈送型调速系统218

7.1异步电机双馈调速工作原理218

7.1.1异步电机转子附加电动势的作用219

7.1.2异步电机双馈调速的五种工况220

7.2异步电机在次同步电动状态下的双馈系统——串级调速系统223

7.2.1串级调速系统的工作原理223

7.2.2串级调速系统的其他类型225

7.3异步电动机串级调速时的机械特性225

7.3.1异步电动机串级调速机械特性的特征225

7.3.2异步电动机串级调速时的转子整流电路227

7.3.3异步电动机串级调速机械特性方程式228

7.4串级调速系统的技术经济指标及其提高方案231

7.4.1串级调速系统的效率231

7.4.2串级调速系统的功率因数及其改善途径232

7.4.3斩波控制的串级调速系统233

7.4.4串级调速装置的电压和容量234

7.5双闭环控制的串级调速系统235

7.5.1双闭环控制串级调速系统的组成235

7.5.2串级调速系统的动态数学模型236

7.5.3调节器参数的设计237

7.5.4串级调速系统的起动方式238

7.6异步电机双馈调速系统239

7.6.1双馈调速系统的构成239

7.6.2双馈调速系统的矢量控制240

习题241

第8章 同步电动机变压变频调速系统242

8.1 同步电动机变压变频调速的特点及其基本类型242

8.2他控变频同步电动机调速系统243

82.1转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统243

8.2.2由交－直－交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统244

8.2.3由交－交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统244

8.2.4按气隙磁场定向的同步电动机矢量控制系统245

8.2.5同步电动机的多变量动态数学模型248

8.3 自控变频同步电动机调速系统250

8.3.1梯形波永磁同步电动机（无刷直流电动机）的自控变频调速系统251

8.3.2正弦波永磁同步电动机的自控变频调速系统253

习题255

附1.1 直流调速系统中电力电子变换器传递函数的近似处理条件256

附录1 几种传递函数的近似处理条件256

附录256

附1.2 三个小惯性环节的近似处理条件257

附1.3 忽略反电动势动态影响的近似条件258

附录2 典型Ⅱ型系统的闭环幅频特性峰值最小（Mrmin）准则——式（2-34）、式（2-35）、式（2-37）的证明259

附录3 第3.5节使用的计算机辅助设计软件260

附3.1 程序变量261

附3.2 转速调节器设计软件261

附3.3 系统仿真软件262

附录4 在功率不变条件下的坐标变换263

附4.1 功率不变时坐标变换阵的性质263

附4.2 功率不变条件下的3/2变换及匝数比263

附录5 由三相静止坐标系到两相任意旋转坐标系上的变换（3s/2r变换）265

附5.1 3s/2r旋转变换阵265

附5.2 电压方程的变换266

附5.3 磁链方程的变换268

附5.4 转矩方程的变换270

教学实验参考271

实验1 晶闸管直流调速系统参数和基本环节特性测定273

实验2 带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统280

实验3 转速、电流双闭环直流调速系统283

实验4 逻辑无环流可逆直流调速系统286

实验5 转速、电流双闭环可逆直流PWM调速系统289

实验6 双闭环三相异步电动机调压调速系统291

实验7 双闭环三相绕线型异步电动机串级调速系统294

实验8 SPWM正弦脉宽调制变频器－异步电动机变频调速系统296

实验9 基于DSP的方波无刷直流电动机（BLDM）调速系统299

部分习题参考答案304

参考文献309