电动机的数字控制是电动机控制的发展趋势，用单片机对电动机进行控制是实现电动机数字控制最常用的手段。本书详尽、系统地介绍了常用的直流电动机、交流电动机、步进电动机、无刷直流电动机、交流永磁同步伺服电动机、开关磁阻电动机的控制原理和采用单片机进行控制的方法，并给出了单片机控制电路和软件；同时，还介绍了用于电动机驱动的常用功率元器件的特性和驱动电路，用于电动机闭环控制的常用传感器的原理以及与单片机的接口电路，用于电动机优化控制的数字PID与数字滤波的算法和编程。
本书适合对电动机的单片机控制感兴趣的初学者使用，也可作为高等院校机械电子工程、电气工程及其自动化、工业自动化、电机和电器智能化等专业的教材，还可作为相关专业工程技术人员的自学用书。
不管是工业4．0的“智能工厂”和“智能生产”，还是中国制造2025的“智能制造”，都离不开数字化与自动化。绝大部分可动自动化设备的动作执行体就是电动机。因此在这一工业革命的进程中，电动机的数字控制必将成为重点领域。本书第4版正是在这一大背景下孕育而生的。希望本书能为从事电动机数字控制相关专业的工程技术人员水平的提高和高校培养相关专业人才方面做出一点贡献。本书的修订主要是在第3版的基础上增加了“开关磁阻电动机的单片机控制”一章。这样，本书的内容就覆盖了全部应用电动机的种类。
特别感谢北京航空航天大学出版社及相关工作人员与本人长期友好的合作和提供的各项帮助。感谢曾红、潘静、董振宇、王晓磊、赵英、杨红梅、赵忠义、康乐、黄海龙、于涛、庄喜润、杨秀艳、刘瑶、周青山、李光旭、谭微、倪鹏、董玉林、张桐、冯准、常甲兴、赵波、李玉美等为本书的修订所做的资料收集和整理、电路设计、程序设计与试验、文字校对和图形绘制等工作，以及对我的工作所给予的各种支持和鼓励。
王晓明
2015年10月
緒 論…………………………………………………………………………………… 1
第1章 機電傳動系統的動力學基礎………………………………………………… 6
1．1 機電傳動系統的運動方程…………………………………………………… 6
1．2 轉矩和轉動慣量的折算……………………………………………………… 7
1．3 負載機械和電動機的機械特性……………………………………………… 9
1．4 機電傳動系統穩定運行的條件……………………………………………… 11
習題與思考題……………………………………………………………………… 12
第2章 常用電力電子開關器件…………………………………………………… 13
2．1 可關斷晶閘管的特性和參數………………………………………………… 13
2．1．1 可關斷晶閘管的原理和性能…………………………………………… 13
2．1．2 可關斷晶閘管的門極驅動電路………………………………………… 17
2．2 功率晶體管的性能和應用…………………………………………………… 18
2．2．1 功率晶體管的特性和參數……………………………………………… 18
2．2．2 功率晶體管的驅動……………………………………………………… 21
2．3 功率場效應管的性能和應用………………………………………………… 23
2．3．1 功率場效應管的特性和參數…………………………………………… 23
2．3．2 功率場效應管的驅動…………………………………………………… 27
2．4 絕緣柵雙極型晶體管的性能和應用………………………………………… 29
2．4．1 絕緣柵雙極型晶體管的特性和參數…………………………………… 29
2．4．2 絕緣柵雙極型晶體管的驅動…………………………………………… 32
2．5 智能功率模塊的性能和應用………………………………………………… 35
2．5．1 智能功率模塊的結構…………………………………………………… 35
2．5．2 智能功率模塊的自保護特性…………………………………………… 41
2．5．3 智能功率模塊的應用…………………………………………………… 43
習題與思考題……………………………………………………………………… 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單片機的結構…………………………………………………… 49
3．2．2 中斷系統………………………………………………………………… 53
3．2．3 定時器/計數器………………………………………………………… 56
3．3 C8051用于控制電動機時的輸入/輸出端口設置………………………… 61
3．4 電動機控制中A/D轉換在C8051中的實現……………………………… 65
3．5 電動機控制中PWM 和測頻在C8051中的實現………………………… 70
3．6 C8051與5V 電動機控制系統的接口方法………………………………… 80
習題與思考題……………………………………………………………………… 81
第4章 數字PID 控制器與數字濾波……………………………………………… 83
4．1 模擬PID控制原理………………………………………………………… 83
4．2 數字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 數字PID控制算法子程序…………………………………………… 87
4．3 數字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 數字PID控制器參數的選擇方法和采樣周期的選擇…………………… 98
4．4．1 參數的選擇方法………………………………………………………… 98
4．4．2 采樣周期的選擇……………………………………………………… 100
4．5 數字濾波技術……………………………………………………………… 101
4．5．1 算術平均值法………………………………………………………… 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 數字低通濾波法……………………………………………………… 107
習題與思考題……………………………………………………………………… 110
第5章 位移、角度、轉速檢測傳感器……………………………………………… 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………………………………………………………… 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 直流測速發電機…………………………………………………………… 128
5．3．1 直流測速發電機的工作原理………………………………………… 128
5．3．2 影響直流測速發電機輸出特性的因素及對策……………………… 129
5．3．3 直流測速發電機與單片機的接口…………………………………… 132
習題與思考題……………………………………………………………………… 133
第6章 直流電動機調速系統……………………………………………………… 134
6．1 直流電動機電樞的PWM 調壓調速原理………………………………… 134
6．2 直流電動機的不可逆PWM 系統………………………………………… 137
6．2．1 無制動的不可逆PWM 系統………………………………………… 137
6．2．2 有制動的不可逆PWM 系統………………………………………… 139
6．3 直流電動機雙極性驅動可逆PWM 系統………………………………… 141
6．3．1 雙極性驅動可逆PWM 系統的控制原理…………………………… 141
6．3．2 采用專用直流電動機驅動芯片LMD18200實現雙極性控制……… 143
6．4 直流電動機單極性驅動可逆PWM 系統………………………………… 146
6．4．1 受限單極性驅動可逆PWM 系統的控制原理……………………… 146
6．4．2 受限倍頻單極性驅動可逆PWM 系統的控制原理………………… 147
6．4．3 用單片機實現受限單極性控制……………………………………… 148
6．5 小功率直流伺服系統……………………………………………………… 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的應用………………………………………………………… 154
習題與思考題……………………………………………………………………… 155
第7章 交流異步電動機變頻調速系統…………………………………………… 156
7．1 交流異步電動機變頻調速原理…………………………………………… 156
7．1．1 交流異步電動機調速原理…………………………………………… 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———SPWM 調制波……………………………… 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 轉矩補償法……………………………………………………… 167
7．4 SPWM 波發生器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速應用舉例………………………… 174
7．5．1 硬件接口電路………………………………………………………… 174
7．5．2 編程舉例……………………………………………………………… 175
習題與思考題……………………………………………………………………… 182
第8章 步進電動機的單片機控制………………………………………………… 183
8．1 步進電動機的結構和工作原理…………………………………………… 183
8．1．1 步進電動機的分類與結構…………………………………………… 183
8．1．2 反應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 步進電動機的驅動………………………………………………………… 198
8．3．1 單電壓驅動…………………………………………………………… 198
8．3．2 雙電壓驅動…………………………………………………………… 198
8．3．3 斬波驅動……………………………………………………………… 200
8．3．4 細分驅動……………………………………………………………… 201
8．3．5 集成電路驅動………………………………………………………… 203
8．3．6 雙極性驅動…………………………………………………………… 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構和原理…………………………………………… 221
9．1．1 無刷直流電動機的結構……………………………………………… 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動…………………………………………………… 229
9．2．1 三相無刷直流電動機全橋驅動的連接方式………………………… 229
9．2．2 無刷直流電動機的PWM 控制方式………………………………… 231
9．2．3 正反轉………………………………………………………………… 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……………………………………………………………… 252
10.1.1 矢量控制的基本思想………………………………………………… 252
10.1.2 矢量控制的坐標變換………………………………………………… 253
10．2 電壓空間矢量SVPWM 技術…………………………………………… 259
10.2.1 電壓矢量與磁鏈矢量的關系………………………………………… 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的計算和扇區號的確定…………………………………… 263
10.3 轉子磁場定向矢量控制…………………………………………………… 265
10.4 用單片機實現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 應用舉例……………………………………………………………… 278
習題與思考題……………………………………………………………………… 290
第11章 開關磁阻電動機的單片機控制………………………………………… 291
11．1 開關磁阻電動機的結構、工作原理和特點……………………………… 291
11．2 開關磁阻電動機的功率驅動電路………………………………………… 294
11．3 開關磁阻電動機的線性模式分析………………………………………… 296
11．3．1 開關磁阻電動機理想的相電感線性分析…………………………… 296
11．3．2 開關磁阻電動機轉矩的定性分析…………………………………… 297
11．4 開關磁阻電動機的控制方法……………………………………………… 298
11．5 開關磁阻電動機的單片機控制及編程例子……………………………… 302
習題與思考題……………………………………………………………………… 312
參考文獻……………………………………………………………………………… 313
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