电力拖动运动控制系统（第2版）

丁学文，西安工程科技大学教授，博士生导师，自1986年从英国留学归来，一直从事电力拖动运动控制系统方向的研究，率先将SPWM专用大规模集成电路引入国内，开发出了国内最早的高性能变频器，取得了一系列技术成果和专利。是我国最早将变频技术应用于印染设备多电机同步调速的开拓者之一，所开发的无松紧架无张力传感器多电机同步调速技术处于国内领先地位，为国内多家印染厂成功进行过电气控制改造，在行业内有较大影响。曾六次获得省奖和省教委科技进步奖，并因此1994年获得国务院政府特殊津贴。曾出版过《电机控制专用集成电路》、《功率晶体管的应用技巧》等5本专著和译著，发表过《SPWM专用大规模集成电路HEF4752和它在变频调速中的应用》、《怎样减少功率晶体管的开关损耗》等30余篇论文，对提高该技术领域的学术水平和技术发展起过推动作用。近年来致力于控制系统计算机网络和现场总线的研究，取得了一批研究成果，所开发的“CAN总线铁路机车数据平台”已经在陕西某厂投入生产，为浙江某印染厂开发的现场总线多电机同步调速系统投入使用，在国内重要期刊上发表相关论文十多篇。

前言

常用符号表1

第1章电力拖动运动控制系统

基础5

11电力拖动系统的运动方程5

12电力拖动系统的负载特性6

121恒转矩负载特性6

122风机类负载特性6

123恒功率负载特性7

13电力拖动系统的转矩与功率8

131电动机允许输出的转矩和功率8

132调速方式与负载类型的配合9

14电力拖动系统的检测技术10

141模拟检测技术10

142数字检测技术12

思考题与习题19

第2章直流电动机调速系统20

21调速系统的性能指标20

211稳态指标21

212动态指标22

22直流调速系统的组成及数学模型24

221系统组成24

222可控直流电源24

223他励直流电动机38

23开环直流调速系统40

231静态特性40

232动态特性41

233开环直流调速系统的局限性42

24转速单反馈闭环直流调速系统43

241转速单反馈闭环系统的静

特性43

242转速单反馈闭环系统的稳

定性45

25闭环控制系统的工程设计方法47

251自动控制原理的基本结论47

252典型系统49

253近似典型系统58

26转速单反馈闭环直流调速系统的动

态设计62

261动态设计62

262电流截止负反馈64

263转速单反馈闭环直流调速系统

的局限性68

27转速电流双闭环直流调速系统的原

理和静态设计68

271电流反馈环的作用68

272双闭环直流调速系统的起动

过程70

273双闭环直流调速系统的稳态

设计71

28双闭环直流调速系统的动态设计73

281电流环设计73

282转速环设计74

283转速调节器积分退饱和超调78

284转速超调的抑制措施79

29转速电流双闭环直流调速系统的

抗扰特性82

291扰动模型82

292抗负载电流扰动的特性83

293抗扰性能的进一步改进85

210可逆直流调速系统88

2101H形PWM变换电源供电的可

逆直流调速系统88

2102可逆相控整流供电的直流调速

系统89

211本章小结92

思考题与习题93

第3章机电能量转换基础95

31磁路95

311磁场的建立95

312磁路的欧姆定律96

313磁路中铁心的作用97

32感应电动势98

321电磁感应定律与电动势98

322变压器电动势与运动电动势99

33磁场能量与电感100

331磁场储能与磁共能100

332电感及用电感表示的磁场

能量101

34机电能量转换的基本原理104

341典型的机电能量转换装置104

342电磁力和电磁转矩104

思考题与习题108

第4章异步电动机与调速110

41概述110

411直流电动机与交流电动机的

比较110

412交流电动机调速的技术突破111

413交流电动机调速的方法111

42异步电动机调速112

421旋转磁场112

422正弦波磁场的矢量表示及时

空矢量图114

423转矩的产生116

424稳态等效电路117

425机械特性120

426变压恒频(VVCF)运行120

427变压变频(VVVF)运行121

428恒流运行时的机械特性124

429绕线转子异步电动机调速126

43异步电动机的动态数学模型与

坐标变换130

431电动机等效的原则130

432坐标变换131

433三相异步电动机的多变量非

线性数学模型134

434异步电动机在两相dq坐

标系上的数学模型138

435三相异步电动机在两相坐标系

上的状态方程142

思考题与习题143

第5章异步电动机恒压频比控制146

51变压变频调速的一般基础146

511变压变频调速时的U/f关系146

512交直交电压型方波逆变器

的工作原理147

513交直交电流型方波逆变器

的工作原理147

514逆变器的电压控制方式148

52转速开环交直交电压型变频调

速系统149

521系统结构框图149

522系统的基本单元149

53转速开环交直交电流型变频调

速系统152

531系统结构框图152

532系统的基本单元153

54谐波的影响154

541转矩脉动154

542谐波发热155

543参数变化155

544噪声155

55脉宽调制158

551正弦PWM(SPWM)158

552电流跟踪型PWM161

553空间矢量PWM(SVPWM)163

56转速闭环转差频率控制的变频

调速系统169

561转速闭环磁链开环的转差频率

控制系统169

562转矩和磁链闭环的转差频率控

制系统170

57基于小信号模型的异步电动机

闭环控制171

58V/F控制的通用变频器175

581通用变频器的基本结构175

582通用变频器的控制方式178

583通用变频器的附加功能178

584通用变频器的保护180

585通用变频器的外围设备182

思考题与习题183

第6章异步电动机矢量控制与直接

转矩控制184

61矢量控制的基本思路184

611模仿直流电动机184

612矢量控制原理185

62按转子磁链定向异步电动机矢量

控制系统186

621按转子磁链定向的矢量控制

方程186

622转子磁链的电压和电流模型188

623异步电动机转子磁链定向矢

量控制系统191

624转差频率推算中参数变化的

影响与对策194

625无速度传感器矢量控制系统196

63基于动态模型按定子磁链控制的

异步电动机直接转矩控制198

631用定子和转子磁链表示的

转矩方程198

632定子电压矢量对磁链和转矩

的调节作用199

633异步电动机直接转矩控制

系统200

64矢量控制与直接转矩控制的比较204

思考题与习题204

第7章同步电动机与变频

调速206

71同步电动机206

711直流励磁同步电动机206

712永磁同步电动机210

72变磁阻电动机214

721开关磁阻电动机214

722步进电动机215

73同步电动机他控变频调速系统215

731正弦波永磁同步电动机

开环V/F控制216

732正弦波永磁同步电动机矢量

控制217

733直流励磁同步电动机调速

系统219

74同步电动机自控变频调速系统223

741梯形波永磁同步电动机无刷

直流电动机自控变频调速

系统224

742正弦波永磁同步电动机自控变

频调速系统230

75开关磁阻电动机调速系统231

76同步电动机在同步旋转dq坐标系

上的动态数学模型235

77交流电动机变频调速总结237

思考题与习题238

第8章电力拖动在运动控制系统

中的应用240

81电力拖动速度控制系统240

811恒压供水系统(无塔上水)240

812多电动机同步调速系统242

813卷绕机械恒张力控制245

82电力拖动位置控制系统245

821位置控制系统概述245

822电梯位置控制系统246

823运动对象的位置控制248

824时间最优的位置控制249

83数控机床伺服系统251

831数控机床概述251

832闭环伺服系统252

833数控机床的轨迹控制原理及

实现255

84机器人运动控制技术261

思考题与习题262

第9章计算机控制的电力拖动运动

控制系统263

91数字控制电力拖动运动控制基础263

911数字控制的电力拖动系统

结构263

912计算机控制系统的数学描述266

92连续域离散化设计269

921设计原理及步骤269

922各种离散化的方法270

923数字PID调节器的设计275

924PID调节参数的整定277

93电动机控制专用微处理器与集成

电路279

931单片机与DSP279

932专用集成电路282

94基于TMS320LF2407A的DSP电动机

控制系统286

941直流电动机的DSP控制286

942无刷直流电动机的DSP控制287

943异步电动机的DSP矢量控制291

思考题与习题297

思考题与习题参考答案298

参考文献3052100433B

本书共分九章，第一章为电力拖动运动控制基础；第二章介绍直流调速系统的原理，静、动态特性，控制规律和设计方法；第三章为机电能量转换基础；第四章介绍异步电动机的控制特性和各种调速方法，包括异步电动机的动态数学模型；第五章介绍异步电动机的恒压频比控制和通用变频器；第六章介绍异步电动机的矢量控制和直接转矩控制；第七章介绍同步电动机的控制特性和变频调速方法，包括自控与他控、永磁与励磁；第八章介绍电力拖动在运动控制系统中的各种应用例子；第九章介绍基于计算机、单片机、DSP和各种电机控制专用芯片的数字控制技术及其设计方法。

前言

绪论

第１章电力拖动系统的动力学基础

1.1电力拖动系统的组成

1.2电力拖动系统的运动方程式

1.2.1单轴电力拖动系统的运动方程式

1.2.2多轴电力拖动系统的等效

1.3生产机械的负载转矩特性

1.3.1恒转矩负载的转矩特性

1.3.2恒功率负载的转矩特性

1.3.3风机、泵类负载的转矩特性

1.4电力拖动系统稳定运行的

条件

1.4.1电力拖动系统的平衡状态

1.4.2电力拖动系统的稳定平衡状态

1.4.3电力拖动系统的稳定运行条件

本章小结

思考题与习题

第2章直流电动机的电力拖动

2.1他励直流电动机的机械特性

2.1.1机械特性方程式

2.1.2固有机械特性和人为机械特性

2.1.3机械特性的绘制

2.2他励直流电动机的起动

2.2.1直接起动

2.2.2降低电枢绕组电压起动

2.2.3电枢回路串电阻起动

2.2.4起动电阻的计算

2.3他励直流电动机的制动

2.3.1能耗制动

2.3.2反接制动

2.3.3回馈制动

2.4他励直流电动机的调速

2.4.1调速指标

2.4.2电枢回路串电阻调速

2.4.3降低电枢绕组电压调速

2.4.4减弱磁通调速

2.4.5调速时的容许输出

※2.5串励直流电动机的电力拖动

2.5.1串励直流电动机的机械特性

2.5.2串励直流电动机的起动与

调速

2.5.3串励直流电动机的制动

2.5.4复励直流电动机的机械特性

※2.6直流电动机的MATLAB仿真

2.6.1直流电动机的机械特性仿真

2.6.2直流电动机的起动过程仿真

本章小结

思考题与习题

第3章三相异步电动机的电力

拖动

3.1三相异步电动机的机械特性

3.1.1三相异步电动机机械特性的三种

表达式

3.1.2三相异步电动机的固有机械

特性

3.1.3三相异步电动机的人为机械

特性

3.1.4三相异步电动机机械特性的

绘制

3.2三相异步电动机的起动

3.2.1三相异步电动机的起动性能

3.2.2三相异步电动机的直接起动

3.2.3定子绕组串电阻或电抗器减压

起动

3.2.4星三角（△）起动

3.2.5延边三角形起动

3.2.6自耦变压器减压起动

3.2.7减压起动方法的比较

3.2.8绕线转子异步电动机转子回路串

电阻分级起动

3.2.9绕线转子异步电动机转子回路

串频敏变阻器起动

3.2.10特种笼型转子三相异步电动机

的起动

3.3三相异步电动机的调速

3.3.1三相异步电动机的调速性能

3.3.2降低定子绕组电压调速

3.3.3绕线转子异步电动机转子回路

串电阻调速

3.3.4变极调速

3.3.5变频调速

3.3.6绕线转子异步电动机的

串级调速

※3.3.7电磁转差离合器调速

3.3.8三相异步电动机各种调速方法

的比较

3.4三相异步电动机的制动

3.4.1三相异步电动机的能耗制动

3.4.2三相异步电动机的反接制动

3.4.3三相异步电动机的回馈制动

3.4.4三相异步电动机各种制动方法

的比较

3.4.5三相异步电动机的各种运行

状态

※3.5三相异步电动机的MATLAB

仿真

3.5.1三相异步电动机的机械特性

仿真

3.5.2三相异步电动机的调速过程

仿真

本章小结

思考题与习题

※第4章三相同步电动机的电力

拖动

4.1三相同步电动机概述

4.1.1三相同步电动机的工作原理

4.1.2三相同步电动机的机械特性

4.2三相同步电动机的起动

4.2.1辅助电动机起动法

4.2.2异步起动法

4.2.3变频起动法

4.3三相同步电动机的调速

4.3.1他控式变频调速

4.3.2自控式变频调速

4.4三相同步电动机的制动

本章小结

思考题

第5章电力拖动系统的过渡过程

5.1引言

5.1.1过渡过程的基本概念

5.1.2过渡过程的分类

5.2他励直流电动机拖动系统的过渡

过程

5.2.1他励直流电动机过渡过程的一般

规律

5.2.2他励直流电动机起动的过渡

过程

5.2.3他励直流电动机制动的过渡

过程

5.2.4他励直流电动机过渡过程的能量

损耗

5.3异步电动机拖动系统的过渡

过程

5.3.1异步电动机直线段机械特性拖动

恒转矩负载工作的过渡过程

5.3.2异步电动机过渡过程的时间

分析

5.3.3异步电动机过渡过程的能量

损耗

本章小结

思考题与习题

第6章电力拖动系统电动机的选择

6.1电动机的一般选择

6.1.1电动机选择的一般原则和主要

内容

6.1.2电动机额定功率的选择

6.1.3电动机额定电压的选择

6.1.4电动机额定转速的选择

6.1.5电动机种类的选择

6.1.6电动机的结构及安装型式的

选择

6.1.7电动机防护型式的选择

6.2电动机的发热与电动机工作制的

分类

6.2.1电动机的发热过程

6.2.2电动机的冷却过程

6.2.3电动机工作制的分类

6.3连续工作制下电动机额定功率

的选择

6.3.1常值负载下电动机功率的选择

6.3.2变化负载下电动机功率的选择

6.3.3有起动、制动及停歇过程时校验

发热公式的修正

6.3.4等效法在非恒值变化负载下

的应用

6.4短时工作制下电动机额定功率

的选择

6.4.1选用工作制为S2的电动机

6.4.2选用工作制为S1的电动机

6.4.3选用工作制为S3的电动机

6.5断续周期工作制下电动机

额定功率的选择

6.6选择电动机功率的统计法或类

比法

本章小结

思考题与习题

部分习题参考答案

参考文献

本书的主要内容包括电力拖动的基础知识，常用低压电器的结构、原理及故障修理方法，三相异步电动机的基本控制线路，直流电动机及其电力拖动，常用生产机械控制线路和典型的机床控制线路及自动控制等。

本书适合作为职业院校电子类专业教材，也可供技术维修人员自学使用。

本书配有电子教学参考资料包（包括教学指南、电子教案和习题答案），详见前言。

读者对象：职业院校、职业高中、中等职业学校及技工学校的师生。

本书全面、系统地介绍了现代电力拖动控制系统的基本组成、基本原理、基本控制方法，以及对系统的静、动态特性分析和数字化设计。第一篇依据直流电动机的广义数学模型，建立了直流电动机的闭环控制结构及相应的控制系统；分析了闭环直流调速系统的静、动态特性；介绍了直流调速系统可逆运行的方法；给出了电力拖动控制系统的数字控制设计方法。第二篇从建立交流电动机数学模型入手，讲述现代交流电动机变压变频调速系统的基本原理，以及静、动态特性分析。