電動機的數(shù)字控制是電動機控制的發(fā)展趨勢，用單片機對電動機進行控制是實現(xiàn)電動機數(shù)字控制最常用的手段。本書詳盡、系統(tǒng)地介紹了常用的直流電動機、交流電動機、步進電動機、無刷直流電動機、交流永磁同步伺服電動機、開關(guān)磁阻電動機的控制原理和采用單片機進行控制的方法，并給出了單片機控制電路和軟件；同時，還介紹了用于電動機驅(qū)動的常用功率元器件的特性和驅(qū)動電路，用于電動機閉環(huán)控制的常用傳感器的原理以及與單片機的接口電路，用于電動機優(yōu)化控制的數(shù)字PID與數(shù)字濾波的算法和編程。
本書適合對電動機的單片機控制感興趣的初學(xué)者使用，也可作為高等院校機械電子工程、電氣工程及其自動化、工業(yè)自動化、電機和電器智能化等專業(yè)的教材，還可作為相關(guān)專業(yè)工程技術(shù)人員的自學(xué)用書。
不管是工業(yè)4．0的“智能工廠”和“智能生產(chǎn)”，還是中國制造2025的“智能制造”，都離不開數(shù)字化與自動化。絕大部分可動自動化設(shè)備的動作執(zhí)行體就是電動機。因此在這一工業(yè)革命的進程中，電動機的數(shù)字控制必將成為重點領(lǐng)域。本書第4版正是在這一大背景下孕育而生的。希望本書能為從事電動機數(shù)字控制相關(guān)專業(yè)的工程技術(shù)人員水平的提高和高校培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)人才方面做出一點貢獻。本書的修訂主要是在第3版的基礎(chǔ)上增加了“開關(guān)磁阻電動機的單片機控制”一章。這樣，本書的內(nèi)容就覆蓋了全部應(yīng)用電動機的種類。
特別感謝北京航空航天大學(xué)出版社及相關(guān)工作人員與本人長期友好的合作和提供的各項幫助。感謝曾紅、潘靜、董振宇、王曉磊、趙英、楊紅梅、趙忠義、康樂、黃海龍、于濤、莊喜潤、楊秀艷、劉瑤、周青山、李光旭、譚微、倪鵬、董玉林、張桐、馮準(zhǔn)、常甲興、趙波、李玉美等為本書的修訂所做的資料收集和整理、電路設(shè)計、程序設(shè)計與試驗、文字校對和圖形繪制等工作，以及對我的工作所給予的各種支持和鼓勵。
王曉明
2015年10月
緒 論…………………………………………………………………………………… 1
第1章 機電傳動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)………………………………………………… 6
1．1 機電傳動系統(tǒng)的運動方程…………………………………………………… 6
1．2 轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量的折算……………………………………………………… 7
1．3 負(fù)載機械和電動機的機械特性……………………………………………… 9
1．4 機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件……………………………………………… 11
習(xí)題與思考題……………………………………………………………………… 12
第2章 常用電力電子開關(guān)器件…………………………………………………… 13
2．1 可關(guān)斷晶閘管的特性和參數(shù)………………………………………………… 13
2．1．1 可關(guān)斷晶閘管的原理和性能…………………………………………… 13
2．1．2 可關(guān)斷晶閘管的門極驅(qū)動電路………………………………………… 17
2．2 功率晶體管的性能和應(yīng)用…………………………………………………… 18
2．2．1 功率晶體管的特性和參數(shù)……………………………………………… 18
2．2．2 功率晶體管的驅(qū)動……………………………………………………… 21
2．3 功率場效應(yīng)管的性能和應(yīng)用………………………………………………… 23
2．3．1 功率場效應(yīng)管的特性和參數(shù)…………………………………………… 23
2．3．2 功率場效應(yīng)管的驅(qū)動…………………………………………………… 27
2．4 絕緣柵雙極型晶體管的性能和應(yīng)用………………………………………… 29
2．4．1 絕緣柵雙極型晶體管的特性和參數(shù)…………………………………… 29
2．4．2 絕緣柵雙極型晶體管的驅(qū)動…………………………………………… 32
2．5 智能功率模塊的性能和應(yīng)用………………………………………………… 35
2．5．1 智能功率模塊的結(jié)構(gòu)…………………………………………………… 35
2．5．2 智能功率模塊的自保護特性…………………………………………… 41
2．5．3 智能功率模塊的應(yīng)用…………………………………………………… 43
習(xí)題與思考題……………………………………………………………………… 45
第3章 C8051單片機對電動機控制的支持……………………………………… 46
3．1 C8051F05/15單片機的特點……………………………………………… 46
3．2 C8051單片機的組成………………………………………………………… 49
3．2．1 C8051單片機的結(jié)構(gòu)…………………………………………………… 49
3．2．2 中斷系統(tǒng)………………………………………………………………… 53
3．2．3 定時器/計數(shù)器………………………………………………………… 56
3．3 C8051用于控制電動機時的輸入/輸出端口設(shè)置………………………… 61
3．4 電動機控制中A/D轉(zhuǎn)換在C8051中的實現(xiàn)……………………………… 65
3．5 電動機控制中PWM 和測頻在C8051中的實現(xiàn)………………………… 70
3．6 C8051與5V 電動機控制系統(tǒng)的接口方法………………………………… 80
習(xí)題與思考題……………………………………………………………………… 81
第4章 數(shù)字PID 控制器與數(shù)字濾波……………………………………………… 83
4．1 模擬PID控制原理………………………………………………………… 83
4．2 數(shù)字PID控制算法………………………………………………………… 85
4．2．1 位置式PID控制算法………………………………………………… 85
4．2．2 增量式PID控制算法………………………………………………… 86
4．2．3 數(shù)字PID控制算法子程序…………………………………………… 87
4．3 數(shù)字PID的改進算法……………………………………………………… 94
4．3．1 對積分作用的改進……………………………………………………… 94
4．3．2 對微分作用的改進……………………………………………………… 96
4．4 數(shù)字PID控制器參數(shù)的選擇方法和采樣周期的選擇…………………… 98
4．4．1 參數(shù)的選擇方法………………………………………………………… 98
4．4．2 采樣周期的選擇……………………………………………………… 100
4．5 數(shù)字濾波技術(shù)……………………………………………………………… 101
4．5．1 算術(shù)平均值法………………………………………………………… 102
4．5．2 移動平均濾波法……………………………………………………… 102
4．5．3 防脈沖干擾平均值法………………………………………………… 105
4．5．4 數(shù)字低通濾波法……………………………………………………… 107
習(xí)題與思考題……………………………………………………………………… 110
第5章 位移、角度、轉(zhuǎn)速檢測傳感器……………………………………………… 111
5．1 光柵位移檢測傳感器……………………………………………………… 111
5．1．1 光柵傳感器的特點和分類…………………………………………… 111
5．1．2 光柵位移傳感器的組成……………………………………………… 113
5．1．3 光柵位移傳感器的工作原理………………………………………… 114
5．1．4 光柵細分技術(shù)………………………………………………………… 117
5．1．5 光柵位移傳感器與單片機的接口…………………………………… 119
5．2 光電編碼盤角度檢測傳感器……………………………………………… 121
5．2．1 絕對式光電編碼盤…………………………………………………… 121
5．2．2 增量式光電編碼盤…………………………………………………… 124
5．2．3 光電編碼盤與單片機的接口………………………………………… 126
5．3 直流測速發(fā)電機…………………………………………………………… 128
5．3．1 直流測速發(fā)電機的工作原理………………………………………… 128
5．3．2 影響直流測速發(fā)電機輸出特性的因素及對策……………………… 129
5．3．3 直流測速發(fā)電機與單片機的接口…………………………………… 132
習(xí)題與思考題……………………………………………………………………… 133
第6章 直流電動機調(diào)速系統(tǒng)……………………………………………………… 134
6．1 直流電動機電樞的PWM 調(diào)壓調(diào)速原理………………………………… 134
6．2 直流電動機的不可逆PWM 系統(tǒng)………………………………………… 137
6．2．1 無制動的不可逆PWM 系統(tǒng)………………………………………… 137
6．2．2 有制動的不可逆PWM 系統(tǒng)………………………………………… 139
6．3 直流電動機雙極性驅(qū)動可逆PWM 系統(tǒng)………………………………… 141
6．3．1 雙極性驅(qū)動可逆PWM 系統(tǒng)的控制原理…………………………… 141
6．3．2 采用專用直流電動機驅(qū)動芯片LMD18200實現(xiàn)雙極性控制……… 143
6．4 直流電動機單極性驅(qū)動可逆PWM 系統(tǒng)………………………………… 146
6．4．1 受限單極性驅(qū)動可逆PWM 系統(tǒng)的控制原理……………………… 146
6．4．2 受限倍頻單極性驅(qū)動可逆PWM 系統(tǒng)的控制原理………………… 147
6．4．3 用單片機實現(xiàn)受限單極性控制……………………………………… 148
6．5 小功率直流伺服系統(tǒng)……………………………………………………… 149
6．5．1 LM629的功能和工作原理…………………………………………… 149
6．5．2 LM629的指令………………………………………………………… 150
6．5．3 LM629的應(yīng)用………………………………………………………… 154
習(xí)題與思考題……………………………………………………………………… 155
第7章 交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)…………………………………………… 156
7．1 交流異步電動機變頻調(diào)速原理…………………………………………… 156
7．1．1 交流異步電動機調(diào)速原理…………………………………………… 156
7．1．2 主電路和逆變電路工作原理………………………………………… 157
7．2 變頻與變壓………………………………………………………………… 160
7．2．1 問題的提出…………………………………………………………… 160
7．2．2 變頻與變壓的實現(xiàn)———SPWM 調(diào)制波……………………………… 161
7．2．3 載波頻率的選擇……………………………………………………… 165
7．3 變頻后的機械特性及其補償……………………………………………… 166
7．3．1 變頻后的機械特性…………………………………………………… 166
7．3．2 U/f 轉(zhuǎn)矩補償法……………………………………………………… 167
7．4 SPWM 波發(fā)生器SA4828芯片…………………………………………… 168
7．4．1 SA4828的工作原理………………………………………………… 168
7．4．2 SA4828的編程……………………………………………………… 170
7．5 單片機控制交流異步電動機變頻調(diào)速應(yīng)用舉例………………………… 174
7．5．1 硬件接口電路………………………………………………………… 174
7．5．2 編程舉例……………………………………………………………… 175
習(xí)題與思考題……………………………………………………………………… 182
第8章 步進電動機的單片機控制………………………………………………… 183
8．1 步進電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理…………………………………………… 183
8．1．1 步進電動機的分類與結(jié)構(gòu)…………………………………………… 183
8．1．2 反應(yīng)式步進電動機的工作原理……………………………………… 187
8．1．3 二相混合式步進電動機的工作原理………………………………… 192
8．2 步進電動機的特性………………………………………………………… 193
8．2．1 步進電動機的振蕩、失步及解決方法………………………………… 193
8．2．2 步進電動機的矩角特性……………………………………………… 195
8．2．3 步進電動機的矩頻特性……………………………………………… 197
8．3 步進電動機的驅(qū)動………………………………………………………… 198
8．3．1 單電壓驅(qū)動…………………………………………………………… 198
8．3．2 雙電壓驅(qū)動…………………………………………………………… 198
8．3．3 斬波驅(qū)動……………………………………………………………… 200
8．3．4 細分驅(qū)動……………………………………………………………… 201
8．3．5 集成電路驅(qū)動………………………………………………………… 203
8．3．6 雙極性驅(qū)動…………………………………………………………… 204
8．4 步進電動機的單片機控制………………………………………………… 207
8．4．1 脈沖分配……………………………………………………………… 207
8．4．2 速度控制……………………………………………………………… 210
8．5 步進電動機的運行控制…………………………………………………… 211
8．5．1 位置控制……………………………………………………………… 211
8．5．2 加、減速控制…………………………………………………………… 214
習(xí)題與思考題……………………………………………………………………… 219
第9章 無刷直流電動機的原理及單片機控制…………………………………… 221
9．1 無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)和原理…………………………………………… 221
9．1．1 無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)……………………………………………… 221
9．1．2 位置傳感器…………………………………………………………… 222
9．1．3 無刷直流電動機的工作原理………………………………………… 226
9．2 無刷直流電動機的驅(qū)動…………………………………………………… 229
9．2．1 三相無刷直流電動機全橋驅(qū)動的連接方式………………………… 229
9．2．2 無刷直流電動機的PWM 控制方式………………………………… 231
9．2．3 正反轉(zhuǎn)………………………………………………………………… 234
9．3 無刷直流電動機的單片機控制…………………………………………… 237
9．3．1 有位置傳感器無刷直流電動機的單片機控制……………………… 237
9．3．2 無位置傳感器無刷直流電動機的單片機控制……………………… 243
習(xí)題與思考題……………………………………………………………………… 251
第10章 交流永磁同步伺服電動機的磁場定向矢量控制……………………… 252
10.1 矢量控制技術(shù)……………………………………………………………… 252
10.1.1 矢量控制的基本思想………………………………………………… 252
10.1.2 矢量控制的坐標(biāo)變換………………………………………………… 253
10．2 電壓空間矢量SVPWM 技術(shù)…………………………………………… 259
10.2.1 電壓矢量與磁鏈?zhǔn)噶康年P(guān)系………………………………………… 259
10.2.2 基本電壓空間矢量…………………………………………………… 260
10.2.3 鏈軌跡的控制………………………………………………………… 262
10.2.4 t1、t2、t0的計算和扇區(qū)號的確定…………………………………… 263
10.3 轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制…………………………………………………… 265
10.4 用單片機實現(xiàn)交流永磁同步伺服電動機的磁場定向矢量控制………… 266
10.4.1 交流伺服控制芯片的功能…………………………………………… 266
10.4.2 應(yīng)用舉例……………………………………………………………… 278
習(xí)題與思考題……………………………………………………………………… 290
第11章 開關(guān)磁阻電動機的單片機控制………………………………………… 291
11．1 開關(guān)磁阻電動機的結(jié)構(gòu)、工作原理和特點……………………………… 291
11．2 開關(guān)磁阻電動機的功率驅(qū)動電路………………………………………… 294
11．3 開關(guān)磁阻電動機的線性模式分析………………………………………… 296
11．3．1 開關(guān)磁阻電動機理想的相電感線性分析…………………………… 296
11．3．2 開關(guān)磁阻電動機轉(zhuǎn)矩的定性分析…………………………………… 297
11．4 開關(guān)磁阻電動機的控制方法……………………………………………… 298
11．5 開關(guān)磁阻電動機的單片機控制及編程例子……………………………… 302
習(xí)題與思考題……………………………………………………………………… 312
參考文獻……………………………………………………………………………… 313
書單推薦
