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