本书共分四篇，第一篇介绍电力传动基础知识；第二篇介绍各种直流调速系统的原理，静、动态特性，控制规律和设计方法；第三篇介绍各种异步电动机变频调速系统和矢量控制系统的原理和控制规律；第四篇介绍电力传动系统的计算机控制，并结合计算机控制的直流调速系统和交流调速系统，重点介绍几种计算机控制系统的设计方法。全书取材注重基础性和实用性，论述条理清楚，符合教学和认识规律。
本书结合电力传动系统的实际应用及发展，侧重于电力传动的基本概念、基本理论及其控制原理的阐述，采用工程观点和工程设计方法进行分析，并加入了电力传动系统在航空航天领域中的应用内容，以反映航空航天领域电动机调速系统和数字控制等新技术。全书取材注重基础性和实用性，论述条理清楚，符合教学和认知规律，有助于培养电气工程及其自动化专业学生的综合设计能力。
本书特色
强调电力传动的基础知识，便于学生对调速系统的调速特性、动态模型和动态响应等内容的理解。
保留了晶闸管调速系统的经典内容，作为学生学习和掌握调速系统的闭环控制、静动态特性分析和工程设计方法的基础。
增加数字式调速系统的内容，以帮助学生学习数字控制和PWM控制的调速系统的相关内容。
增加例题、习题的数量及例题的仿真，以加强学生对设计参数和设计结果的认识。
为适应电气工程及其自动化学科的发展，本教材编写的目的是扩宽专业面、兼顾军民应用、展现航空航天特色，面向综合型大学的人才培养。本书侧重于电力传动的基本概念、基本理论及其控制原理的阐述，采用工程观点和工程设计方法进行分析，并反映航空航天领域电动机调速系统和数字控制等新技术。
本书旨在总结课程教学改革成果和多年教学实践反映出的问题，根据电力传动系统的实际应用及发展情况，对过时的内容进行精简，引入先进的控制方法，同时加入电力传动系统在航空航天领域中的应用内容，为新世纪综合型高等学校电气工程及其自动化专业本科生编写必修课程的通用教材。“电力传动与自动控制系统”课程属于专业基础课。
本教材的特点
本教材与其他类似教材比较有以下特点。
强调电力传动的基础知识。在电力传动自动控制系统的设计中，应了解电动机本身的运行特性和控制方法，特别是在动态响应要求较高的电力传动系统中。本教材重视电力传动基础知识的讲解，有利于学生在后面学习调速系统时进一步理解系统的调速特性、动态模型和动态响应等内容。
保留了目前大部分教科书中关于晶闸管调速系统的内容。晶闸管调速系统的设计方法、性能分析等内容比较成熟，可以作为学生学习和掌握调速系统的闭环控制、静动态特性分析和工程设计方法的经典内容。
增加了数字式调速系统内容。由于电子技术的发展，微处理器和功率开关器件已经普遍应用于电力传动系统中，数字控制和脉宽调制（PWM）控制的调速系统应当成为学习的内容。本书针对没有开设“计算机控制系统”课程的专业，讨论数字电力传动系统的设计方法，即基于连续域的工程设计，进行z变换的离散化设计方法。
交流调速只讨论了变频调速的内容。现代电力电子技术使得变频调速变得很容易，在工业自动化中应用越来越广泛。变频调速不仅应用于异步电动机，而且当前更多的是应用于同步电动机，例如，无刷直流电动机调速系统、永磁同步电动机调速系统。因此，本教材首先讨论了无刷直流电动机调速系统、永磁同步电动机调速系统，然后讨论笼型异步电动机变频调速系统。关于异步电动机的变极和变转差调速，本教材在第4章中有所介绍，而在第四篇中不再提及。
增加了例题、习题的数量及例题的仿真。由于例题和习题对学生理解课程的内容会有很大帮助，因此本教材适当增加了例题和习题的数量。另一方面，在关于系统设计方面的例题中增加了仿真结果，使原先的设计结果从只包含简单数据，变为能够反映系统变化的曲线，以增强学生对设计参数和设计结果的认识。
IV本教材的内容
本教材主要内容分为四大篇，各篇的内容如下所示。
第一篇在电力传动系统的动力学的基础上，主要讨论了直流电动机的运行特性，即起动、制动和调速方法，以及直流电动机的过渡过程，同时讨论了异步电动机的运行特性，即调速、起动与制动方法。该篇内容使学生了解自动调速系统的控制对象，为自动控制系统的设计奠定基础。
第二篇以晶闸管自动调速系统作为研究对象，讨论了单闭环、多闭环直流调速系统的结构，静态和动态特性，闭环反馈控制理论的应用，以及直流调速系统的工程设计方法。此篇内容能够使学生掌握电力传动自动控制系统的设计和分析方法及理论。
第三篇首先归纳了电力传动系统采用数字控制时需要的理论与技术，阐述了采用功率开关器件实现脉宽调制控制技术，以及它们在直流电力传动系统中的应用，讨论了基于连续域工程设计方法的数字控制电力传动系统的设计。此篇内容使学生了解数字控制的电力传动系统的调速特性，掌握其系统设计技术。
第四篇首先介绍了包括方波、SPWM和SVPWM的变频器控制技术，然后讨论了无刷直流电动机的自动调速系统、永磁同步电动机调速系统、异步电动机的变频调速、矢量控制和直接转矩控制的调速系统。此篇内容使学生掌握交流调速技术，其中根据自动化系统的应用特点，加强了无刷直流电动机调速系统和永磁同步电动机调速系统的学习内容。
本书按讲课60学时编写，由北京航空航天大学周元钧、孙静老师编写，其中第一篇和第二篇由孙静完成，第三篇和第四篇由周元钧完成，全书由周元钧教授统稿。
由于编者水平有限，书中如有错误和不妥之处，希望广大读者批评指正。
编者
2014年4月
电子与电气工程
本书结合电力传动系统的实际应用及发展情况，与时俱进，侧重于电力传动的基本概念、基本理论及其控制原理的阐述，采用工程观点和工程设计方法进行分析，并加入了电力传动系统在航空航天领域中的应用内容，以反映航空航天领域电动机调速系统和数字控制等新技术。全书取材注重基础性和实用性，论述条理清楚，符合教学和认知规律，有助于培养电气工程及其自动化专业学生的综合设计能力。
本书特色：
.强调电力传动的基础知识，为学生学习系统的调速特性、动态模型和动态响应等内容奠定了基础。
.保留了目前大部分教科书中关于晶闸管调速系统的经典内容，作为学生学习和掌握调速系统的闭环控制、静动态特性分析和工程设计方法的经典内容。
.增加了数字式调速系统的内容，以帮助学生学习数字控制和PWM控制的调速系统的相关内容。
.增加了例题、习题的数量及例题的仿真，以增强学生对设计参数和设计结果的认识。
前 言
教学建议
本书采用的主要符号与缩写
第一篇 电力传动基础
第1章 电力传动系统动力学2
1.1 直接驱动的电力传动系统动力学2
1.2 复杂机械结构的电力传动系统动力学3
1.2.1 工作机构做旋转运动3
1.2.2 工作机构做平移运动5
1.2.3 工作机构做升降运动6
1.2.4 例题7
1.3 电力传动系统的负载特性9
1.3.1 恒转矩负载特性9
1.3.2 通风机型负载特性9
1.3.3 恒功率负载特性10
1.3.4 组合型负载特性10
1.4 小结11
习题11
第2章 直流电动机的静特性13
2.1 直流他励电动机的机械特性13
2.1.1 自然机械特性13
2.1.2 人为机械特性14
2.2 直流他励电动机的起动15
2.2.1 直流他励电动机的起动方法15
2.2.2 电枢串入电阻的起动方法16
2.2.3 直流他励电动机的降压起动19
2.3 直流他励电动机的制动20
2.3.1 直流他励电动机的能耗制动20
2.3.2 直流他励电动机的反接制动22
2.3.3 回馈制动（再生制动或发电制动）24
2.4 直流他励电动机的调速26
2.4.1 电枢串联电阻调速26
2.4.2 改变电枢电压调速27
2.4.3 改变磁通调速27
2.5 调速系统电动机与负载的配合28
2.5.1 电动机允许输出的转矩和功率28
2.5.2 调速方式与负载类型的配合29
2.5.3 电力传动系统在平衡状态下稳定运行的条件30
2.6 直流他励电动机的运转状态32
2.6.1 电动运转状态32
2.6.2 制动运转状态33
2.6.3 直流他励电动机在摩擦负载转矩下四象限运行的分析34
2.6.4 位能负载生产机械运动过程四象限分析36
2.7 直流串励/复励电动机的电力传动39
2.7.1 直流串励电动机的机械特性39
2.7.2 直流复励电动机的机械特性40
2.8 小结41
习题41
第3章 直流电力传动系统的过渡过程42
3.1 概述42
3.2 电枢电压突变时的过渡过程42
3.2.1 直流他励电动机的动态模型43
3.2.2 电压突变时的过渡过程44
3.2.3 简化动态模型和过渡过程45
3.3 起动控制时的过渡过程47
3.3.1 分段电阻起动时的过渡过程47
3.3.2 制动控制时的过渡过程50
3.4 励磁磁通突变时的过渡过程56
3.4.1 励磁回路过渡过程56
3.4.2 励磁回路过渡过程的加快56
3.4.3 励磁回路过渡过程的延缓57
3.5 调速系统的最佳过渡过程58
3.5.1 直流电动机最短时间起动58
3.5.2 直流电动机最短时间制动59
3.5.3 直流电动机最佳过渡过程59
3.6 小结60
习题61
第4章 三相异步电动机的静特性62
4.1 三相异步电动机的机械特性62
4.2 三相异步电动机的调速63
4.2.1 异步电动机变频调速63
4.2.2 异步电动机变极调速68
4.2.3 变转差率调速71
4.3 三相异步电动机的起动77
4.3.1 起动问题与解决途径77
4.3.2 笼型异步电动机不变频起动78
4.3.3 绕线式异步电动机变转差起动83
4.3.4 笼型异步电动机变频起动86
4.4 三相异步电动机的制动87
4.4.1 回馈制动87
4.4.2 反接制动88
4.4.3 能耗制动89
4.5 小结90
习题91
第二篇 晶闸管直流调速系统
第5章 晶闸管单闭环直流调速系统94
5.1 调速系统的技术指标94
5.1.1 稳态调速指标94
5.1.2 动态性能指标96
5.1.3 调速系统的其他指标97
5.2 单闭环控制调速系统97
5.2.1 单闭环调速系统的组成与静特性98
5.2.2 开环系统和闭环系统的静特性比较99
5.2.3 反馈控制系统的特性101
5.3 单闭环调速系统的限流保护103
5.3.1 问题的提出103
5.3.2 电流截止负反馈原理103
5.3.3 带电流截止负反馈的调速系统的静特性104
5.4 单闭环调速系统的动态模型和稳定条件105
5.4.1 反馈控制闭环调速系统的动态数学模型105
5.4.2 比例调节的单闭环调速系统的稳定条件108
5.5 单闭环调速系统的无静差校正109
5.5.1 积分调节器的控制规律109
5.5.2 比例积分调节器的控制规律111
5.5.3 稳态抗扰误差分析113
5.6 单闭环调速系统的校正方法114
5.6.1 控制系统对开环对数频率特性的一般要求114
5.6.2 原始系统的开环对数频率特性115
5.6.3 调速系统的串联校正116
5.7 小结119
习题120
第6章 多环控制的晶闸管直流调速系统121
6.1 转速、电流双闭环调速系统及其静特性121
6.1.1 问题的提出121
6.1.2 转速、电流双闭环调速系统的组成122
6.1.3 稳态结构图和静特性122
6.1.4 各变量的稳态工作点和稳态参数123
6.2 双闭环调速系统的动态性能124
6.2.1 双闭环调速系统的动态数学模型124
6.2.2 双闭环调速系统起动过程分析125
6.2.3 动态性能和两个调节器的作用127
6.2.4 转速超调的控制——转速微分负反馈128
6.3 三闭环调速系统130
6.3.1 带电流变化率的三环调速系统130
6.3.2 带电压内环的三环调速系统132
6.4 可逆调速系统133
6.4.1 可逆调速系统的形式133
6.4.2 两组晶闸管可逆线路中的环流134
6.4.3 有环流可逆调速系统137
6.4.4 逻辑无环流可逆调速系统140
6.5 小结143
习题143
第7章 直流调速系统的工程设计方法144
7.1 自动控制系统的工程设计方法144
7.1.1 工程设计方法步骤144
7.1.2 控制系统的类型与稳态特性145
7.2 典型Ⅰ型系统的动态性能分析145
7.2.1 典型Ⅰ型系统的结构及频率特性145
7.2.2 典型Ⅰ型系统的跟随性能分析147
7.2.3 典型Ⅰ型系统的抗扰性能分析148
7.3 典型Ⅱ型系统的动态性能149
7.3.1 典型Ⅱ型系统的结构和频率特性149
7.3.2 闭环幅频特性峰值最小的设计方法150
7.3.3 典型Ⅱ型系统的跟随性能分析151
7.3.4 典型Ⅱ型系统的抗扰性能分析152
7.4 调速系统的串联校正153
7.4.1 工程设计上小惯性环节的近似处理153
7.4.2 工程设计上大惯性环节的近似处理156
7.4.3 调速系统的串联校正157
7.5 双环调速系统的设计159
7.5.1 ACR设计159
7.5.2 ASR设计162
7.5.3 ASR退饱和超调的计算164
7.5.4 设计举例166
7.6 并联微分校正调速系统的设计169
7.6.1 并联微分校正系统的工程设计169
7.6.2 退饱和时间和转速的确定170
7.6.3 系统的抗扰性170
7.7 小结171
习题171
第三篇 数字控制的直流调速系统
第8章 电力传动系统的数字控制方法174
8.1 数字式电力传动系统174
8.1.1 数字式电力传动系统的原理174
8.1.2 电力传动系统的数字控制器176
8.1.3 电力传动系统的数据采集178
8.2 数字控制系统中的数字运算方法181
8.2.1 数字控制系统的采样周期与零阶补偿器181
8.2.2 数字PID调节器184
8.2.3 数字PID调节器的饱和抑制185
8.2.4 数字采样中的滤波方法187
8.3 数字控制系统的连续域离散化设计方法190
8.3.1 设计原理及步骤190
8.3.2 数字控制系统中的z变换191
8.3.3 控制系统连续域离散化示例195
8.4 数字控制系统的状态空间设计方法197
8.4.1 状态空间的跟踪问题197
8.4.2 状态空间线性系统的离散化198
8.4.3 状态空间跟踪系统的设计200
8.5 小结201
习题201
第9章 PWM控制的直流调速系统202
9.1 PWM控制调速系统的特点202
9.1.1 晶闸管调速系统的特点202
9.1.2 PWM控制系统的特点203
9.2 直流电动机不可逆PWM功率变换器203
9.2.1 不可制动的PWM驱动电路203
9.2.2 有制动功能的不可逆驱动电路204
9.2.3 不可逆调速系统的运行特性206
9.3 直流电动机可逆PWM功率变换器206
9.3.1 双极性PWM直流电动机驱动电路206
9.3.2 单极性PWM直流电动机驱动电路210
9.3.3 受限单极式可逆PWM变换器213
9.4 PWM直流调速系统的控制与特性214
9.4.1 PWM信号产生的方法215
9.4.2 脉宽调速系统的静特性216
9.4.3 电流与转速的脉动特性220
9.4.4 开关损耗与开关频率223
9.5 小结224
习题224
第10章 数字控制的直流调速系统的设计225
10.1 PWM控制的单闭环调速系统的设计225
10.1.1 PWM控制的单闭环调速系统的动态模型225
10.1.2 PWM控制的单闭环调速系统设计226
10.1.3 设计举例与性能分析228
10.2 PWM控制的双闭环调速系统的设计230
10.2.1 PWM控制的双闭环调速系统的动态模型230
10.2.2 数字式双闭环直流调速系统的设计231
10.2.3 双闭环调速系统的离散化233
10.2.4 设计举例234
10.3 数字控制的晶闸管调速系统的设计236
10.3.1 单闭环晶闸管调速系统的设计237
10.3.2 双闭环晶闸管调速系统的设计240
10.3.3 两种调速系统的性能比较244
10.4 基于状态空间的数字直流调速系统246
10.4.1 直流调速系统的状态空间模型246
10.4.2 基于状态空间的无静差直流调速系统设计246
10.4.3 设计举例248
10.5 小结249
第四篇 交流变频调速系统
第11章 交流调速的变频器控制技术252
11.1 静止变频器的类型252
11.1.1 传统静止变频器类型252
11.1.2 新型静止变频器类型254
11.1.3 电压源和电流源变频器256
11.2 三相桥式方波逆变器257
11.2.1 120°导通型逆变器的控制方法257
11.2.2 180°导通型逆变器的控制方法258
11.2.3 150°导通型逆变器的控制方法259
11.3 SPWM变频器260
11.3.1 SPWM变频器的工作原理260
11.3.2 SPWM信号的采样方法262
11.3.3 SPWM的电压与频率控制263
11.4 SVPWM变频器265
11.4.1 逆变器控制中的空间矢量定义265
11.4.2 空间矢量脉宽调制的逆变器控制266
11.4.3 基于矢量相位的SVPWM调制方法269
11.5 其他正弦脉宽调制方法270
11.5.1 准正弦波脉宽调制方法270
11.5.2 正弦电流跟踪型脉宽调制方法271
11.6 小结272
习题273
第12章 无刷直流电动机调速系统274
12.1 无刷直流电动机工作原理274
12.1.1 结构特点和工作原理274
12.1.2 电动机的基本模型276
12.2 无刷直流电动机的换相277
12.2.1 无刷直流电动机的换相控制277
12.2.2 无刷直流电动机转子位置测量技术281
12.3 无刷直流电动机的运行控制283
12.3.1 调速和起动控制284
12.3.2 制动运行的控制285
12.4 无刷直流电动机闭环调速系统288
12.4.1 PWM控制的单闭环调速系统288
12.4.2 PWM控制的双闭环调速系统291
12.5 双重绕组无刷直流电动机及其控制293
12.5.1 双重绕组无刷直流电动机293
12.5.2 双通道的无刷直流电动机调速系统295
12.5.3 双通道的无刷直流电动机调速系统容错控制297
12.6 小结299
习题299
第13章 同步电动机矢量控制调速系统300
13.1 同步电动机矢量控制的基本原理300
13.1.1 同步电动机的调速原理300
13.1.2 直流电动机的结构特点与基本原理301
13.1.3 同步电动机等效变换302
13.2 同步电动机的数学模型303
13.2.1 同步电动机的基本电磁关系303
13.2.2 交流绕组的坐标变换305
13.2.3 同步旋转坐标系的数学模型309
13.3 永磁同步电动机的矢量控制方法310
13.3.1 转子磁链定向的矢量控制311
13.3.2 单闭环调速系统313
13.3.3 双闭环调速系统315
13.3.4 电流滞环控制的调速系统318
13.4 航空双通道交流伺服控制系统319
13.4.1 双绕组永磁同步电动机数学模型319
13.4.2 双通道交流伺服系统320
13.5 小结321
习题321
第14章 异步电动机变频调速系统322
14.1 转速开环的变频调速系统322
14.1.1 系统结构与特点322
14.1.2 系统动态数学模型323
14.2 转速闭环、转差角速度控制的变频调速系统325
14.2.1 转差角速度控制的基本原理325
14.2.2 转差角速度控制的变频调速系统326
14.2.3 系统动态结构图327
14.2.4 转差角速度控制调速系统的特点328
14.3 异步电动机动态模型329
14.3.1 异步电动机基本电磁关系329
14.3.2 笼型在同步旋转坐标系上的数学模型332
14.3.3 在其他坐标系上的数学模型333
14.4 异步电动机的矢量控制方法334
14.4.1 异步电动机的等效变换334
14.4.2 异步电动机的转子磁链定向控制336
14.4.3 异步电动机转子磁链模型338
14.5 异步电动机矢量控制调速系统340
14.5.1 磁链闭环的电压型矢量控制调速系统340
14.5.2 磁链闭环的电流滞环矢量控制调速系统343
14.6 异步电动机直接转矩控制的调速系统345
14.6.1 直接转矩控制系统的原理345
14.6.2 直接转矩控制系统346
14.6.3 直接转矩控制系统的特性分析349
14.7 小结350
习题350
参考文献351
