交流永磁电机进给驱动伺服系统 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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赵希梅 著

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• 交流永磁电机
• 伺服系统
• 进给驱动
• 电机控制
• 自动化
• 电气工程
• 工业控制
• 运动控制
• 电力电子
• 控制系统

出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302487937

版次：1

商品编码：12281056

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-11-01

用纸：胶版纸

页数：215

字数：340000

编辑推荐

将进给驱动伺服系统中的电气驱动部分和后接的机械传动部分作为一个整体来研究

内容简介

本书全面系统地阐述了现代数控机床*新采用的交流永磁同步电动机（PMSM和PMLSM）进给驱动伺服系统。第1~6章概括介绍了伺服系统的一些基本概念,系统的结构、组成及分类，重点介绍了PMSM本体的基本结构、系统的工作原理、各主要环节的设计等相关内容。第7章指出了PMSM（PMLSM）伺服系统有别于其他类系统的一些特殊问题。第8章对PMSM电气闭环伺服系统的稳定性与快速性进行了时域和频域分析，并对三阶和多轴系统增益进行了性能设计，继而对与其相连接的机械传动部件的特性作了相应介绍。第9章介绍了新一代PC数控系统，其中包括数控加工轨迹的插补原理及方法； 着重介绍了实现轨迹控制原理及方法； 以及在高速高精度轨迹控制中的高级方法，如前瞻控制、jerk限制等。在附录中，初步介绍了jerk的力学定义及在国内外的研发、应用情况。
本书可作为高等院校电气工程、自动化、电力电子与电力传动、机械工程等专业的研究生和高年级本科生的教学用书或参考书，也特别适合从事电机驱动控制、数控等工程技术人员研发设计时参考。

目录

目录

第1章伺服系统概述

1.1伺服系统的基本概念

1.1.1伺服系统的定义

1.1.2伺服系统发展回顾

1.1.3伺服系统的组成

1.2对伺服系统的基本要求

1.2.1稳定性好

1.2.2动态特性快速精准

1.2.3稳态特性平稳无差

1.3伺服系统的分类

1.3.1按调节理论分类

1.3.2按使用执行元件分类

1.3.3按系统信号特点分类

1.3.4按系统部件输入�彩涑鎏匦圆煌�分类

1.4伺服系统的发展历程

1.5交流伺服系统的组成

1.5.1交流伺服电动机

1.5.2功率放大变换器

1.5.3传感器

1.5.4控制器

1.6伺服系统的典型输入信号

第2章旋转式永磁同步伺服电机（PMSM）控制系统

2.1旋转式永磁同步伺服电机控制系统的组成

2.2旋转式永磁同步伺服电机的结构与基本工作原理

2.3旋转式永磁同步伺服电机的数学模型

2.3.1为简化数学模型要做的一些假设

2.3.2定子电压方程

2.3.3转矩方程和运动方程

2.3.4状态方程

2.4旋转式永磁同步伺服电机矢量控制原理

2.5旋转式交流永磁同步电机矢量控制系统设计

2.5.1状态方程与控制框图

2.5.2解耦控制与坐标变换的实现

2.5.3电流实现反馈线性化控制

2.5.4速度控制器设计

2.5.5位置控制器设计

第3章伺服驱动的负载机械特性

3.1旋转体的运动方程

3.2负载的转矩特性

3.3几种典型的非线性现象

3.3.1现象分析

3.3.2饱和现象研究

3.3.3间隙现象的讨论

3.3.4摩擦分析

3.4机械谐振

3.5机械刚度与伺服刚度

3.6机械负载的折算与匹配

第4章永磁直线同步电动机（PMLSM）伺服系统

4.1直线电动机的发展和应用简述

4.2永磁直线同步伺服电动机

4.2.1直线电动机直接驱动实现“零传动”链

4.2.2永磁直线同步电动机的基本结构

4.2.3永磁直线同步电动机的基本工作原理

4.2.4永磁直线同步电动机的端部效应

4.3永磁直线同步电动机的齿槽定位力及其削弱

4.4永磁直线同步电动机的纹波力及其削弱

4.5直线电动机在机床上应用发展缓慢的原因分析

第5章交流伺服系统常用传感器

5.1概述

5.2光电编码器

5.2.1增量式光电编码器

5.2.2绝对式光电编码器

5.2.3混合式光电编码器

5.3旋转变压器

5.4光栅

5.4.1直线式透射光栅

5.4.2莫尔条纹式光栅

5.4.3光栅检测装置

5.5加速度传感器

5.6电流传感器

第6章交流伺服系统的功率变换电路

6.1交流伺服系统功率变换主电路的构成

6.2功率变换主电路的设计

6.2.1整流电路的设计

6.2.2滤波电路的设计

6.2.3逆变电路的设计

6.2.4缓冲电路的设计

6.2.5制动电路的设计

6.3PWM控制技术

6.3.1SPWM控制技术

6.3.2电流跟踪型PWM控制技术

第7章PMSM(PMLSM)伺服驱动系统若干特殊问题

7.1永磁同步电动机的d、q轴数学模型

7.1.1永磁同步电动机的d、q轴基本数学模型

7.1.2计及铁损时PMSM的d、q轴数学模型

7.2关于转子磁极初始位置的检测

7.3永磁同步伺服电动机的弱磁控制问题

7.4正弦波永磁同步电动机的矢量控制方法

7.4.1id=0控制

7.4.2最大转矩电流比控制

7.4.3最大转矩磁链比控制（最大转矩电动势比控制）

7.4.4功率因数cosφ=1控制

7.4.5最大效率控制

7.4.6永磁同步电动机的参数与其输出极限

7.4.7实际定子电流响应的延迟作用影响

第8章数控机床进给驱动伺服系统

8.1数控机床的坐标轴规定

8．2对数控机床进给驱动伺服系统的要求

8．2．1对进给驱动伺服系统的基本要求

8．2．2数控机床进给驱动伺服系统的要求

8．3进给驱动伺服系统的组成及其数学模型

8．4进给驱动伺服系统的动态响应特性与伺服性能分析

8．4．1时间响应特性

8．4．2频率响应特性

8．4．3稳定性分析

8．4．4快速性分析

8．4．5伺服精度与伺服刚度

8．5进给驱动伺服系统的系统增益设计

8．5．1一个三阶进给驱动伺服系统的系统增益设计

8．5．2多轴系统的系统增益设计

8．6电机驱动部件的设计

8．6．1静态设计

8．6．2动态设计

8．7机械传动部件的设计

8．7．1概述

8．7．2机械传动部件的谐振频率

8．7．3转动惯量

8．7．4机械传动部件的刚度

8．7．5阻尼比

8．7．6机械传动部件中的非线性因素

8．7．7工作台导轨

8．7．8滚珠丝杠螺母传动装置

8．7．9滚珠丝杠支承专用轴承的选用

第9章PC数控的轨迹插补与控制原理及实现方法

9．1何谓PC数控

9．2PC控制加工过程的基本原理

9．2．1PC数控加工的基本概念

9．2．2PC数控加工的实现过程

9．3PC数控的轨迹插补原理

9．3．1PC数控轨迹插补的基本原理

9．3．2PC数控轨迹插补的基本方法

9．3．3PC数控的高速采样插补方法

9．3．4PC数控的柔性加减速控制方法

9．4PC数控的轨迹控制原理与方法

9．4．1PC数控轨迹控制的基本原理

9．4．2PC数控的连续运动控制

9．4．3PC数控的数字化连续运动控制

9．5PC数控提高轨迹精度的控制方法

9．5．1什么是精密加工

9．5．2进给轴跟随误差对轨迹精度的影响

9．5．3高速PC数控的轨迹前瞻控制方法

9．5．4从控制角度看提高合成轨迹精度的途径

9．5．5轨迹误差增益匹配控制方法

9．5．6轨迹误差交叉耦合控制方法

9．5．7轨迹误差预测补偿控制方法

9．5．8轨迹误差的仿真学习控制方法

附录加加速度jerk简介

参考文献

精彩书摘

第3章伺服驱动的负载机械特性
3.1旋转体的运动方程
目前，在机电一体化产品与伺服系统中，广泛使用交流伺服电动机驱动。对于一个机电一体化产品的设计者来说，不仅需要充分了解交流伺服电动机的特性，而且需要深入了解被驱动对象——机械装置的特性，并将交流伺服电动机和被驱动机械装置统一考虑，才能设计出品质优良的机电一体化产品。
在选择交流伺服电动机时，首先必须了解被驱动机械所要实现的各种运动，了解整个机械装置的工作过程，看看对交流伺服电动机驱动系统究竟提出了哪些要求，以此作为选择交流伺服电动机的依据。因此，有必要充分理解驱动对象的机械特性及其力学性质。
首先，以交流伺服电动机为例加以说明。
1. 转速
伺服电动机的转速是指其转子的旋转速度，以单位时间内转过的角度(rad/s)，或单位时间内的转数(r/min)来表示。

这种在单位时间里角度θ的变化称为角速度Ω，二者之间的关系为


Ω=dθdt(rad/s)(3��1)


当用电动机转速n来表示时，则


Ω=2πn(rad/s)(3��2)


现在，来考虑直线运动和旋转运动之间的关系。直线运动的线速度v是指单位时间里运动体所移动的距离s(m)。若旋转半径为r(m)，角速度为Ω(rad/s)，则线速度和角速度之间的关系为


v=Ωr(m/s)(3��3)

前言/序言

前言
现代数控机床是集当今各个领域高新技术于一体的工作母机，它是一个国家综合国力的衡量与象征，成为国家的一项重要战略物资。而其中的进给驱动伺服系统又是数控机床关键的组成部分之一，它对数控机床的加工精度、生产效率具有决定性的影响。而且它本身也涉及许多技术领域，虽经过半个多世纪的发展、几代的更替，但在理论上和实践方面仍有许多问题还在继续深入探讨中。本书结合当前国内外的相关文献，特别是书后所列参考文献［1��6］，根据作者本人在教学与科研活动中的经验总结和学习体会，编写此书用于教学，并希望在出版后与读者交流，提高本人的认识水平，能为中国早日成为制造强国作微薄贡献。
在当前，进给系统中所采用的电气执行元件虽有多种，并且各具特点，都找到了最适于其应用的场合，但综观当前与未来发展来看，唯有PMSM（包括PMLSM）以其优良的伺服性能而成为首选。
本书在选材上，首先注意到了进给驱动伺服系统的完整性。过去往往专注于进给系统电气驱动部分的讲述，而忽略了进给系统中的机械传动部件的特性分析、设计、选用以及对前级电气驱动部分的影响。本书学习了文献［1,3］的做法，完善了整个进给装置的电气驱动�不�械传动过程的统一描述。其次，也是更重要的一点，在选材上特别注意内容的先进性与前瞻性。文献［2］站在当前PC数控系统最新发展的基础上，把数控加工原理的本质概括为“分解与合成”。本书讲述进给驱动系统，应该交代坐标运动控制系统位置指令的由来，不准备讨论各种插补算法，但对插补器的输出作为位置进给坐标运动系统的输入指令还是需要了解的。所以，本书对轨迹插补，特别是有关轨迹控制的原理、实现方法的相关内容以及提高轨迹精度的各种方法，特别是前瞻控制等高级控制方法、限制与控制jerk等都做了较详细的介绍。文献［4,15］对PMSM与PMLSM的具体结构、工作原理、齿槽及谐波扰动等问题做了详细介绍，文献［5,6,8,11��14］等所述相关内容对本书亦有很多的裨益，书后各篇重要刊物上发表的学术论文所提供的思想都对本书有很大的启发。在此，非常感谢国内著名的数控专家、学者、前辈们所出版的著作对本书所作出的贡献和沈阳机床集团专家们的鼓励和支持。
最后，感谢郭庆鼎教授对本书提出了许多宝贵的修改意见，纠正了许多失当之处，对此作者铭记在心。同时还要感谢赵久威硕士在查找资料、绘制图形、打字修改等诸多方面所给予的帮助。
由于本人水平有限，临近付梓之时，心绪难诉，深感“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。由于本人缺乏数控工程方面的实践，书中谬误之处在所难免，恳请各位专家、学者不吝赐教，也望诸位用书的读者指正。
作者2017年7月于沈阳

现代工业动力之基：精密传动与控制的深度探索 本书旨在为读者呈现一幅关于现代工业动力核心——交流永磁电机驱动系统——的宏大画卷，从理论基础到实践应用，进行一次全面而深入的剖析。在工业自动化浪潮席卷全球的今天，高效、精准、可靠的动力传动与控制系统，已然成为衡量一个国家制造水平和技术实力的重要标志。而以交流永磁电机为代表的新一代驱动技术，凭借其卓越的性能优势，正以前所未有的速度渗透到国民经济的各个领域，引领着产业升级的变革。 本书的撰写，并非仅仅停留在对基础原理的简单罗列，而是致力于构建一个多维度、多层次的知识体系，旨在让读者能够深刻理解交流永磁电机驱动系统的内在逻辑，掌握其设计、分析、控制以及实际应用的精髓。我们将从最基本的电磁理论出发，逐层深入，揭示永磁同步电机（PMSM）为何能够成为当今驱动技术中的佼佼者。其核心优势在于，通过在转子上嵌入永磁体，显著提升了电机的功率密度和效率，同时降低了运行过程中的能量损耗。相较于传统的感应电机，PMSM的转子结构更加简单，惯量更小，这为实现更快速、更灵敏的动态响应奠定了基础。 我们将详细阐述PMSM的建模方法，包括其在dq坐标系下的数学模型。这一模型是理解和控制PMSM运行的关键工具。读者将学习到如何根据物理结构推导出电磁转矩方程、电压方程以及磁链方程，并理解在不同的运行工况下，这些方程如何描述电机的行为。此外，本书还将重点关注PMSM的电磁转矩特性，包括其恒定转矩区和恒功率区，以及如何通过矢量控制策略来精确地调节转矩，实现平滑、高效的动力输出。 进入控制篇章，本书将重点阐述实现PMSM高性能控制的关键技术——矢量控制（Field-Oriented Control, FOC）。我们将从基本原理开始，详细讲解如何通过坐标变换，将三相交流电场解耦为两个相互垂直的直流量，从而独立控制电机的磁链和转矩。这就像是给电机装上了一个“大脑”，能够精确地指令它在何时、以何种方式输出所需的动力。我们将深入探讨FOC的各种实现方式，包括基于电压模型和基于电流模型的观测器，以及它们各自的优缺点和适用场景。 更为重要的是，本书将着重介绍现代伺服驱动系统所必需的先进控制技术。例如，模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）作为一种前瞻性的控制策略，其能够基于对系统未来行为的预测，优化控制器的输出，从而在保证系统稳定性的同时，实现更优的性能指标。我们将分析MPC在PMSM驱动系统中的应用，包括其如何处理约束条件、如何减小超调量以及如何提高动态响应速度。 此外，对于追求极致性能的应用场景，本书还将探讨鲁棒控制和自适应控制等高级控制技术。鲁棒控制旨在提高系统在参数不确定或外部干扰存在时的稳定性，而自适应控制则能够根据系统运行状态的变化，自动调整控制参数，以维持最优的控制性能。这些技术的引入，将帮助读者理解如何构建能够在复杂工业环境下稳定可靠运行的伺服驱动系统。 本书的另一个核心内容是关于伺服驱动器的设计与实现。驱动器作为连接控制器与电机的桥梁，其性能直接影响着整个系统的表现。我们将详细解析伺服驱动器的核心组成部分，包括功率变换器、电流检测电路、过压/过流保护电路等。特别地，对于现代高性能伺服驱动器而言，IGBT或MOSFET等功率器件的选择、驱动电路的设计以及散热系统的优化，都至关重要。我们将分析不同拓扑结构的功率变换器，如两电平、三电平逆变器，并探讨其在效率、谐波抑制和成本等方面的权衡。 本书还将深入探讨伺服驱动器中的电流控制环路设计。精确而快速的电流反馈是实现高性能转矩控制的基础。我们将分析如何设计高效的电流传感器，如何抑制共模电流和噪声，以及如何利用数字信号处理器（DSP）或FPGA等硬件平台实现高速的电流环控制算法。 除了硬件层面，软件算法的实现同样是伺服驱动器不可或缺的一部分。本书将详细介绍如何将上述的FOC、MPC等控制算法移植到嵌入式系统中，并优化其运行效率。我们将讨论实时操作系统（RTOS）在伺服控制中的作用，以及如何进行代码优化以满足高频控制的要求。 在应用篇章，本书将聚焦于交流永磁电机伺服驱动系统在各个工业领域的具体实践。我们将分析其在数控机床、机器人、纺织机械、包装机械、印刷机械以及新能源汽车等领域的典型应用案例。例如，在数控机床上，伺服驱动系统的高精度和高动态响应能力，是实现复杂零件加工的关键；在工业机器人领域，其轻巧的体积和强大的输出能力，使得机器人能够完成更加精细和复杂的动作。 在每个应用场景中，本书将不仅仅是列举应用，而是深入分析该领域对伺服驱动系统提出的具体要求，以及交流永磁电机伺服驱动系统是如何通过其自身的优势来满足这些需求的。例如，在机器人领域，我们将探讨如何通过优化控制算法来减小机器人的运动轨迹误差，如何实现多关节的协调运动控制，以及如何集成安全功能以确保操作人员的安全。 此外，本书还将涵盖交流永磁电机伺服驱动系统的性能评估与测试方法。读者将学习如何通过一系列的实验来验证系统的动态响应、稳态精度、抗干扰能力以及可靠性。我们将介绍常用的测试设备和标准，以及如何根据测试结果对系统进行优化和改进。 最后，本书还将对交流永磁电机伺服驱动系统的未来发展趋势进行展望。随着人工智能、大数据、物联网等技术的不断融合，未来的伺服驱动系统将更加智能化、网络化和集成化。我们将探讨如何将机器学习算法应用于伺服控制，如何实现驱动器的远程诊断和预测性维护，以及如何构建更加柔性和可重构的自动化生产线。 本书力求理论与实践相结合，内容详实，逻辑清晰，旨在为广大从事电机驱动、自动控制、机器人技术、电气工程等领域的科研人员、工程师、研究生以及相关专业的学生，提供一本系统、权威、实用的参考书籍。通过对本书的学习，读者将能够深刻理解交流永磁电机伺服驱动系统的奥秘，掌握其核心技术，并能够将其应用于实际的工程实践中，为推动工业自动化和智能制造的发展贡献力量。

评分☆☆☆☆☆

（评价三） 当我看到这本书的书名时，脑海中立刻浮现出各种高速运转的工业场景：激光切割的精准轨迹、自动化生产线的流畅切换、新能源汽车的平稳加速……这一切都离不开高效、可靠的驱动系统。我是一名在高校从事电力电子与电机控制教学多年的教师，我一直致力于将最新的技术进展融入课堂，并引导学生解决实际工程问题。因此，我特别关注这本书能否在理论深度和应用广度之间找到一个绝佳的平衡点。我希望它不仅能清晰地阐述交流永磁同步电机在伺服系统中的基本原理，例如矢量控制、直接转矩控制等关键技术，更能深入分析这些控制策略在实际应用中遇到的挑战，以及如何通过硬件和软件的协同优化来克服。我尤其希望能看到书中对不同拓扑结构的逆变器、功率器件的选择与设计，以及与电机本体的匹配性进行详细的讨论。此外，如果书中能够包含一些仿真分析的案例，例如使用MATLAB/Simulink等工具进行系统建模和仿真，并与实际实验结果进行对比，那将极大提升其教学价值。我相信，一本优秀的教材，应该能够帮助学生建立扎实的理论基础，同时也能培养他们解决实际工程问题的能力。

评分☆☆☆☆☆

（评价一） 这本书的封面设计给我留下了深刻的印象，简洁而专业，色彩搭配和谐，传递出一种严谨的技术感。在翻开第一页之前，我便对内容充满了期待，想象着它能为我解答那些萦绕在心头已久的关于电机驱动的疑问。作为一名对自动化技术怀揣着浓厚兴趣的在校生，我一直在寻找能够系统性梳理复杂概念的资料，尤其是那些能够将理论与实际应用紧密结合的书籍。我希望这本书能够提供详实的理论基础，解释永磁同步电机在伺服系统中的工作原理，以及交流驱动是如何实现精确控制的。同时，我也期待书中能够包含实际的工程案例分析，让我能够看到这些理论是如何落地，并在工业生产中发挥作用的。例如，在机器人手臂的控制、数控机床的精密定位等领域，伺服系统的性能至关重要，而交流永磁电机因其高效率、高功率密度等优势，在该领域得到了广泛应用。因此，我非常好奇书中将如何深入剖析这些应用的细节，包括系统设计、参数配置、故障诊断等方面。如果书中能够提供清晰的图表和示意图，那就更好了，这对于我理解抽象的技术概念非常有帮助。总而言之，我对这本书的期待很高，希望它能成为我学习和研究的宝贵财富。

评分☆☆☆☆☆

（评价四） 阅读一本关于“交流永磁电机进给驱动伺服系统”的书，对我而言，更像是一次探索尖端技术的旅程。我是一名在精密仪器制造行业工作的工程师，我们部门正在评估引进一批新的高性能数控设备，而伺服驱动系统的性能直接关系到产品的加工精度和生产效率。我非常希望这本书能够深入揭示当前交流永磁伺服驱动技术的发展趋势和前沿动态。例如，在高精度控制方面，书中是否会提及一些最新的传感器技术、编码器技术，以及它们如何与驱动器配合，实现亚微米级的定位精度？另外，随着物联网和工业4.0的兴起，智能化的驱动系统也变得越来越重要。我很好奇书中是否会涉及到驱动器与上位控制系统的信息交互、远程诊断、故障预测等内容，以及如何实现更高级别的自动化和智能化。当然，对于我们实际应用而言，系统的可靠性和稳定性是重中之重。我希望书中能够包含一些关于系统冗余设计、失效安全机制、以及在极端环境下的应用案例分析。总之，我期待这本书能为我提供更具前瞻性的技术洞察，帮助我做出更明智的技术决策，并推动我们团队在精密制造领域取得更大的突破。

评分☆☆☆☆☆

（评价五） 这本书的书名本身就充满了技术含量，让我这位在自动化设备领域有多年经验的研发人员倍感亲切。我一直关注着电机驱动技术的最新发展，特别是永磁同步电机在伺服系统中的应用，已经成为当前技术的热点。我最感兴趣的是，这本书能否在理论层面深入浅出地讲解交流永磁同步电机的工作原理，以及如何通过先进的控制算法来实现精确的运动控制。比如，对于伺服系统而言，动态响应速度、稳态精度、抗干扰能力都是至关重要的性能指标，我希望书中能对这些方面进行详尽的论述，并提供相应的分析方法和设计技巧。另外，在实际应用中，驱动器的硬件设计和软件算法是密不可分的，我希望书中能够探讨不同功率等级的交流驱动器在设计上的考量，包括开关器件的选择、滤波设计、散热方案等，以及如何通过软件算法优化其性能。如果书中能包含一些实际项目中的典型应用案例，并对其中的技术难点和解决方案进行剖析，那就更具参考价值了。我希望通过阅读这本书，能够进一步提升我对交流永磁伺服驱动系统的理解，并在未来的产品研发中，能够设计出更具竞争力的驱动产品。

评分☆☆☆☆☆

（评价二） 这本书的名字，乍一听就充满了硬核的技术气息，对于我这样在机械设计领域摸爬滚打多年的工程师来说，无疑具有极大的吸引力。我们深知，在现代制造业的转型升级中，驱动技术的进步是关键的驱动力之一。特别是永磁同步电机，以其优越的性能，在许多高端装备中已成为不可或缺的核心部件。而伺服系统，更是实现精密运动控制的灵魂所在。我最关心的是，这本书是否能够深入探讨交流永磁电机在伺服应用中的具体实现路径。比如，在面对不同负载特性、不同精度要求的情况下，驱动器应该如何进行最优设计和控制策略的选择？书中有没有涉及模型预测控制、自适应控制等先进控制算法在永磁伺服系统中的应用？毕竟，理论的突破最终要落到实际的性能提升上。我希望这本书能够提供一些“干货”，例如不同类型永磁电机（如内置式、外置式）在伺服系统中的适配性分析，以及针对不同应用场景（如高动态响应、高精度定位）的驱动器选型和参数调整指南。如果能附带一些实际项目的调试经验分享，那就更加难能可贵了。总而言之，我期望这本书能为我解决实际工作中的技术难题提供有效的参考和指导，甚至能激发我新的设计思路。