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绪论1

0.1 运动控制系统1

0.2 运动控制系统的基本组成1

0.3 运动控制系统的发展过程及应用4

0.4 运动控制系统的发展趋势7

0.5 课程的目的和主要内容8

第1章 直流电机原理及单闭环调速系统10

1.1 基本电磁定律10

1.1.1 全电流定律11

1.1.2 电磁感应定律11

1.1.3 电路定律12

1.1.4 安培定律12

1.2 直流电机的工作原理及类型12

1.2.1 直流电机工作原理12

1.2.2 直流电机的种类13

1.3 直流电机的模型14

1.3.1 直流电机的转矩和反电势15

1.3.2 直流电机的启动16

1.4 他励直流电机的调速方法17

1.4.1 改变电枢回路电阻调速18

1.4.2 减弱电机励磁磁通调速18

1.4.3 改变电枢电压调速19

1.4.4 调速系统的静态及动态指标19

1.5 开环调压调速系统21

1.5.1 旋转变流机组22

1.5.2 晶闸管相控静止整流23

1.5.3 直流脉宽调制24

1.6 转速单闭环调速系统24

1.6.1 系统组成25

1.6.2 转速单闭环调速系统的稳态特性25

1.6.3 开环系统与转速单闭环调速系统稳态特性比较26

1.6.4 转速单闭环调速系统动态模型27

1.6.5 稳定性分析29

1.7 无静差调速系统和基本调节电路30

1.7.1 基本调节电路30

1.7.2 单闭环无静差调速系统33

1.8 其它反馈环节的直流调速系统34

1.8.1 电压负反馈直流调速系统34

1.8.2 电动势反馈直流调速系统35

1.9 单闭环调速系统电流截止负反馈37

1.9.1 问题的提出37

1.9.2 电流截止负反馈环节37

1.9.3 带电流截止负反馈的单闭环转速负反馈调速系统38

习题与思考题39

第2章 电流转速双闭环直流调速系统40

2.1 最佳过渡过程的基本概念40

2.2 电流转速双闭环调速系统41

2.2.1 电流转速双闭环调速系统的组成及静特性41

2.2.2 电流转速双闭环调速系统的动态分析44

2.2.3 电流转速双闭环调速系统的动态抗干扰性能47

2.3 电流转速双闭环调速系统的工程设计方法48

2.3.1 工程设计方法的基本思路48

2.3.2 典型工型系统49

2.3.3 典型型系统54

2.3.4 传递函数的近似处理58

2.3.5 系统的类型和调节器的选择60

2.4 电流转速双闭环调速系统的工程设计62

2.4.1 电流调节器的设计62

2.4.2 转速调节器的设计65

2.4.3 转速退饱和超调量的计算68

2.4.4 退饱和超调的抑制71

2.5 弱磁控制的直流调速系统74

习题与思考题75

第3章 晶闸管-电动机可逆调速系统77

3.1 晶闸管直流调速系统可逆运行方案77

3.1.1 问题的提出77

3.1.2 可逆直流调速系统电路实现方式77

3.1.3 反接电枢和反接磁场可逆系统的比较80

3.2 两组晶闸管可逆线路中的环流及其处理原则80

3.2.1 晶闸管装置的逆变状态与直流电动机的回馈制动80

3.2.2 可逆系统中的环流分析82

3.3 有环流控制的可逆V-M系统86

3.3.1 α=β配合控制的有环流可逆调速系统86

3.3.2 制动过程分析88

3.3.3 给定环流和可控环流的V-M可逆调速系统91

3.4 无环流控制的可逆V-M系统96

3.4.1 错位控制的无环流可逆调速系统97

3.4.2 逻辑控制的无环流可逆调速系统102

习题与思考题105

第4章 直流脉宽调速系统106

4.1 脉宽调制变换器106

4.1.1 不可逆调速系统107

4.1.2 电流反向的不可逆PWM调速系统107

4.1.3 四象限可逆PWM变换器110

4.2 脉宽调制系统的开环机械特性116

4.3 PWM变换器的控制电路118

4.3.1 门极驱动器119

4.3.2 缓冲与吸收电路120

4.4 PWM调速系统的电流脉动和转矩脉动分析121

4.4.1 电流脉动121

4.4.2 转矩脉动123

习题与思考题125

第5章 交流调速系统基础126

5.1 概述126

5.1.1 交流调速系统的发展历史127

5.1.2 交流调速与直流调速的比较128

5.2 交流异步电机基础129

5.2.1 交流异步电机工作原理129

5.2.2 交流异步电机组成129

5.2.3 旋转磁场132

5.2.4 旋转磁场对定子绕组的作用135

5.2.5 旋转磁场对转子绕组的作用136

5.2.6 转子和定子电路之间的关系137

5.2.7 异步电机的功率及转矩表达式138

5.3 交流调速的基本方法139

5.3.1 变极对数调速方法139

5.3.2 变频调速方法140

5.3.3 变转差率调速的主要方法140

5.4 逆变器的分类及指标143

5.4.1 直接变换143

5.4.2 间接变换145

5.4.3 逆变器波形指标146

习题与思考题147

第6章 基于异步电机稳态模型的调速系统148

6.1 变压变频调速的基本控制方式148

6.1.1 基频以下调速148

6.1.2 基频以上调速149

6.2 异步电动机电压-频率协调控制时的机械特性149

6.2.1 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性149

6.2.2 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性150

6.2.3 基频以上恒压变频时的机械特性153

6.2.4 恒流正弦波供电时的机械特性154

6.3 交流脉冲宽度调制（PWM）技术155

6.3.1 PWM波形生成原理156

6.3.2 正弦PWM控制技术157

6.3.3 选择谐波消除PWM控制技术159

6.3.4 电流滞环PWM控制技术160

6.3.5 电压空间矢量PWM控制技术162

6.4 转速开环恒压频比控制调速系统168

6.4.1 系统结构168

6.4.2 系统实现169

6.4.3 动态特性与静态特性170

6.5 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统171

6.5.1 转差频率控制的基本概念171

6.5.2 基于异步电动机稳态模型的转差频率控制规律172

6.5.3 转差频率控制的变压变频调速系统173

6.6 PWM变频调速系统的几个问题173

6.6.1 转动脉动174

6.6.2 直流电压利用率175

6.6.3 能量回馈与泵升电压176

6.6.4 对电网的污染177

6.6.5 桥臂器件开关死区对PWM变压变频器的影晌177

习题与思考题179

第7章 基于异步电动机动态数学模型的调速系统181

7.1 交流异步电动机动态数学模型和坐标变换181

7.1.1 三相异步电动机数学模型181

7.1.2 坐标变换186

7.1.3 异步电动机在两相坐标系上的数学模型189

7.1.4 异步电动机在两相坐标系上的状态方程192

7.1.5 异步电动机动态数学模型的控制特性196

7.2 按转子磁链定向的矢量控制系统196

7.2.1 同步旋转坐标系中的数学模型196

7.2.2 按转子磁链定向矢量控制的基本原理197

7.2.3 按转子磁链定向的矢量控制系统199

7.2.4 按转子磁链定向矢量控制系统的转矩控制方式200

7.2.5 转子磁链计算202

7.2.6 磁链开环转差型矢量控制系统—间接定向205

7.3 无速度传感器矢量控制系统207

7.3.1 速度推算与矢量控制分别独立进行207

7.3.2 速度推算与矢量控制同时进行208

7.3.3 无电压、速度传感器矢量控制系统209

7.4 直接转矩控制系统210

7.4.1 直接转矩控制系统的基本原理210

7.4.2 基于定子磁链控制的直接转矩控制系统216

7.4.3 定子磁链和转矩计算模型218

7.4.4 无速度传感器直接转矩控制220

7.5 直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较222

7.6 直接转矩控制实例仿真2

习题与思考题225

第8章 多电平逆变器变频技术227

8.1 多电平逆变器技术概述227

8.1.1 多电平逆变器产生的背景227

8.1.2 多电平逆变器技术228

8.1.3 多电平逆变器的特点231

8.2 多电平逆变器电路结构231

8.2.1 箝位型逆变器231

8.2.2 级联型逆变器236

8.3 多电平PWM调制方法238

8.3.1 阶梯波调制法238

8.3.2 SPWM法239

8.3.3 空间矢量PWM法240

8.3.4 选择谐波消去法241

8.3.5 开关频率优化法242

习题与思考题243

第9章 异步电动机串级调速系统244

9.1 异步电动机串级调速系统的工作原理244

9.2 异步电动机串级调速时的机械特性246

9.2.1 异步电动机串级调速机械特性的特征246

9.2.2 异步电动机串级调速时的转子整流电路249

9.2.3 异步电动机串级调速机械特性方程式250

9.3 双闭环控制串级调速系统254

9.3.1 双闭环控制串级调速系统的组成254

9.3.2 串级调速系统的动态数学模型255

9.3.3 调节器参数的设计256

9.4 串级调速系统设计的几个特殊问题257

9.4.1 串级调速系统的功率因数及其改善途径257

9.4.2串级调速系统的启动方式257

习题与思考题258

第10章 同步电动机调速系统20

10.1 概述260

10.2 同步电动机的工作原理262

10.3 他控变频同步电动机调速系统266

10.4 自控变频同步电动机调速系统266

10.4.1 永磁无刷直流电动机工作原理268

10.4.2 永磁无刷直流电动机的组成270

10.4.3 永磁无刷直流电动机数学模型272

10.4.4 正弦波永磁同步电动机274

习题与思考题274

第11章 位置随动系统275

11.1 位置随动系统概述275

11.1.1 位置随动系统的组成275

11.1.2 位置随动系统的工作原理276

11.2 位置随动系统中的检测装置276

11.2.1 自整角机276

11.2.2 旋转变压器279

11.2.3 感应同步器281

11.2.4 光电编码器282

11.3 位置随动系统动、静态分析与设计283

11.3.1 自整角机位置随动系统的组成和数学模型283

11.3.2 位置随动系统的稳态分析286

11.3.3 位置随动系统的动态校正290

11.4 交流伺服运动控制系统301

11.4.1 永磁同步电动机交流伺服运动控制系统301

11.4.2 PMSM伺服系统的数学模型302

11.4.3 PMSM伺服运动控制系统设计305

习题与思考题310

第12章 数字式运动控制系统312

12.1 运动控制系统数字控制的特点312

12.2 运动控制系统主要环节的数字化实现313

12.2.1 系统状态量的数字检测313

12.2.2 数字滤波316

12.2.3 函数发生器317

12.2.4 数字控制器319

12.3 基于DSP的运动控制系统324

12.3.1 TMS320实现异步电动机矢量控制324

12.3.2 TMS320实现异步电动机直接转矩控制329

12.4 智能控制在运动控制系统中的应用334

12.4.1 模糊控制在运动控制系统中的应用335

12.4.2 神经网络控制在运动控制系统中的应用345

12.4.3 模糊神经网络在运动控制系统中的应用350

12.5 运动控制系统的网络控制简介354

12.5.1 工业控制系统的网络结构355

12.5.2 基于Profibus总线的运动控制系统简介357

习题与思考题359

参考文献360