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第1章 导论 1

1.1 引言 1

1.1.1 电机传动系统 3

1.1.2 电机传动系统的发展趋势 4

1.1.3 功率半导体器件的发展趋势 6

1.1.4 控制电子学的发展趋势 6

1.2 力学基础知识 7

1.2.1 基本定律 7

1.2.2 推力和转矩 7

1.2.3 旋转物体的转动惯量 8

1.2.4 刚体的运动方程 10

1.2.5 功率和能量 13

1.2.6 物理变量的连续性 13

1.3 典型机械负载的转矩速度曲线 14

1.3.1 风扇、水泵和鼓风机 14

1.3.2 位能型负载：起重机和升降机 15

1.3.3 牵引负载（电动汽车和电力机车） 16

1.3.4 张力控制负载 16

习题 18

参考文献 26

第2章 电机和功率变换器的基本结构和建模 28

2.1 直流电机的结构和建模 28

2.2 稳态运行分析 32

2.2.1 他励直流电机 32

2.2.2 串励直流电机 35

2.3 直流电机的瞬态分析 36

2.3.1 他励直流电机 37

2.4 驱动直流电机的电力电子电路 39

2.4.1 静态沃德—伦纳德系统 40

2.4.2 四象限斩波系统 40

2.5 旋转磁动势 41

2.6 同步电机稳态分析 45

2.7 直线电机 48

2.8 同步电机容量曲线 49

2.8.1 带有励磁绕组的圆形转子同步电机 49

2.8.2 永磁同步电机 50

2.9 同步电机的参数变化 51

2.9.1 定子电阻和励磁绕组电阻 51

2.9.2 同步电感 51

2.9.3 反电动势常数 53

2.10 异步电机稳态分析 54

2.10.1 异步电机稳态等效电路 56

2.10.2 恒定气隙磁通运行 59

2.11 异步电机发电运行 61

2.12 异步电机参数变化 62

2.12.1 转子电阻Rr的变化 62

2.12.2 转子漏感Llr的变化 63

2.12.3 定子电阻Rs的变化 63

2.12.4 定子漏感Lls的变化 64

2.12.5 励磁电感Lm的变化 64

2.12.6 铁损电阻Rm的变化 65

2.13 异步电机分类（根据速度—转矩特性） 65

2.14 准瞬态分析 67

2.15 异步电机容量曲线 67

2.16 直流电机和交流电机的比较 69

2.16.1 笼型异步电机和他励直流电机的比较 69

2.16.2 永磁同步电机和他励直流电机的比较 71

2.17 基于稳态特性的异步电机调速控制 71

2.17.1 通过控制电压来对异步电机进行调速 71

2.17.2 基于恒定气隙磁通（恒V/F）的异步电机调速控制 72

2.17.3 基于实际速度反馈的异步电机调速控制 72

2.17.4 基于定子电流幅值反馈的改进型恒定气隙磁通控制 74

2.18 功率变换器建模 74

2.18.1 三相二极管／晶闸管整流器 74

2.18.2 PWM升压型整流器 76

2.18.3 二象限双向DC—DC变换器 78

2.18.4 四象限DC—DC变换器 78

2.18.5 三相PWM逆变器 80

2.18.6 矩阵式变换器 81

2.19 基于标幺值的参数转换 82

习题 83

参考文献 88

第3章 参考坐标系变换和三相交流电机的瞬态分析 89

3.1 复矢量 90

3.2 基于空间复矢量的异步电机d-q-n建模 92

3.2.1 异步电机在d-q-n坐标轴上的等效电路 92

3.2.2 异步电机的转矩 97

3.3 基于空间复矢量的同步电机d-q-n建模 99

3.3.1 同步电机在d-q-n坐标轴上的等效电路 99

3.3.2 同步电机的转矩 107

3.3.3 永磁同步电机的等效电路和转矩 110

3.3.4 同步磁阻电机 113

习题 114

参考文献 119

第4章 电机和功率变换器的调节器设计 120

4.1 有源阻尼 122

4.2 电流调节器 123

4.2.1 电流的测量 123

4.2.2 三相可控整流器的电流调节器 125

4.2.3 PWM斩波驱动直流电机的电流调节器 130

4.2.4 抗饱和 132

4.2.5 交流电流调节器 134

4.3 转速调节器 139

4.3.1 电机转子的转速／位置测量 140

4.3.2 基于增量式编码器的速度估计 143

4.3.3 基于状态观测器的速度估计 147

4.3.4 PI/IP速度调节器 155

4.3.5 基于加速度的改进转速控制 160

4.3.6 带抗饱和功能的速度调节器 162

4.4 位置调节器 163

4.4.1 比例和比例积分（P-PI）调节器 163

4.4.2 速度和加速度前馈控制 164

4.5 交流电压相角的检测 165

4.5.1 同步参考坐标系下的相角检测 165

4.5.2 同步参考坐标系下基于正序电压的相角检测 168

4.6 电压调节器 169

4.6.1 PWM升压型整流器直流环节的电压调节器 169

习题 172

参考文献 179

第5章 矢量控制 182

5.1 瞬时转矩控制 182

5.1.1 他励直流电机 182

5.1.2 面装式永磁同步电机 184

5.1.3 内嵌式永磁同步电机 185

5.2 异步电机的矢量控制 187

5.2.1 直接矢量控制 187

5.2.2 间接矢量控制 192

5.3 转子磁链估计器 193

5.3.1 基于异步电机定子电压方程的电压模型 193

5.3.2 基于异步电机转子电压方程的电流模型 194

5.3.3 混合转子磁链估计器 194

5.3.4 改进的混合磁链估计器 195

5.4 弱磁控制 196

5.4.1 交流电机的电压和电流约束 196

5.4.2 转子参考坐标系电流平面上的永磁交流电机工作区 197

5.4.3 永磁同步电机的弱磁控制 203

5.4.4 异步电机的弱磁控制 206

5.4.5 异步电机的磁链调节器 210

习题 211

参考文献 222

第6章 交流电机无位置／速度传感器控制 223

6.1 异步电机的无速度传感器控制 225

6.1.1 模型参考自适应系统 225

6.1.2 自适应速度观测器 229

6.2 面装式永磁同步电机的无速度传感器控制 234

6.3 内嵌式永磁同步电机的无速度传感器控制 237

6.4 通过注入高频信号的无速度传感器控制 239

6.4.1 凸极转子电机 241

6.4.2 无凸极转子的交流电机 242

习题 251

参考文献 254

第7章 实际问题 258

7.1 死区引起的输出电压畸变及其补偿方法 258

7.1.1 死区影响的补偿 259

7.1.2 零电流钳位（ZCC） 259

7.1.3 半导体开关器件杂散电容引起的电压畸变 261

7.1.4 开关时刻的预测 263

7.2 相电流测量 266

7.2.1 电流测量系统中延时的建模 266

7.2.2 电流测量中的偏置和定标误差 267

7.3 电流环中的数字信号处理问题 272

7.3.1 数字延迟造成的电流调节误差的建模和补偿 273

7.3.2 电流采样误差 276

习题 279

参考文献 282

附录 283

附录A 电机参数的测量和估计 283

A.1 参数估计 283

A.1.1 直流电机 283

A.1.2 异步电机参数的估计 285

A.2 基于驱动系统调节器的电机参数估计 288

A.2.1 反馈控制系统 288

A.2.2 直流电机的反电动势常数K 289

A.2.3 三相交流电机的定子绕组电阻Rs 289

A.2.4 异步电机参数 291

A.2.5 永磁同步电机 294

A.3 机械参数的估计 299

A.3.1 基于机械方程的估计 299

A.3.2 基于积分过程的估计 300

参考文献 303

附录B 基于矩阵方程的d-q建模 303

B.1 参考坐标系和变换矩阵 303

B.2 基于变换矩阵的异步电机d-q建模 307

B.3 基于变换矩阵的同步电机d-q建模 310