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电气传动与自动控制系统设计与实践 本书内容聚焦于现代工业自动化领域的核心技术——电气传动系统与闭环控制理论的工程应用，旨在为电气工程、自动化、机械电子等专业领域的学生、工程师以及技术人员提供一套系统化、实践性强的理论指导与案例分析。全书结构严谨，内容涵盖从基础电力电子器件到复杂伺服系统集成、再到工业现场故障诊断的完整技术链条。 --- 第一部分：电力电子基础与驱动技术 本部分系统阐述了现代电气传动系统的核心——电力电子技术的基础理论及其在电机驱动中的应用。 第一章：电力电子器件与电路基础 详细介绍了功率半导体器件（如晶闸管、GTO、IGBT、MOSFET）的工作原理、特性曲线及选型考量。重点剖析了不同拓扑结构下的整流、斩波和逆变电路，包括线性和开关模式下的能量转换效率分析。引入了器件的开关损耗模型与散热设计基础，确保读者理解如何在大功率应用中合理选择和保护功率模块。 第二章：交流电机驱动原理 深入探讨了三相交流电机（感应电机与永磁同步电机）的数学模型建立，包括定子和转子坐标系下的$mathrm{d}-mathrm{q}$轴解耦理论。详细讲解了变频调速技术，包括V/f控制、矢量控制（FOC）和直接转矩控制（DTC）。针对矢量控制，本书提供了详细的磁场定向原理推导，以及如何实现高精度转矩和速度控制的软件算法实现流程。 第三章：直流电机驱动技术回顾与应用 虽然现代工业越来越多采用交流驱动，但直流电机驱动在特定场合仍有不可替代的地位。本章回顾了经典直流电机的工作原理，重点分析了晶闸管和IGBT斩波器在直流驱动中的应用，并对比了电枢电压控制与磁场弱化控制的优缺点及适用场景。 --- 第二部分：运动控制系统理论与设计 本部分将理论知识提升到系统集成层面，探讨如何构建精确、快速、稳定的运动控制系统。 第四章：反馈元件与信号处理 运动控制的精度依赖于可靠的反馈。本章详述了编码器（增量式、绝对式）、旋转变压器、霍尔传感器等位置和速度反馈元件的结构原理、信号接口标准（如SSI、EnDat）及其在不同环境下的抗干扰措施。讨论了信号的滤波、量化和死区补偿技术，以保证输入信息的准确性。 第五章：经典PID控制理论的深化应用 超越教科书上的标准PID公式，本章着重于工程实践中的PID参数整定方法。系统介绍了Ziegler-Nichols法、基于模型的自整定方法以及在线自适应PID算法。针对伺服系统中的刚性耦合问题，详细分析了串级控制结构（内环电流、中环速度、外环位置）的设计流程、带宽匹配原则以及积分饱和的处理策略。 第六章：现代控制理论在高速运动中的应用 引入先进的控制方法以应对高速、高精度带来的挑战。详细讲解了前馈控制（Feedforward Control）在消除延迟和补偿负载变化中的作用。探讨了鲁棒控制（如$mathrm{H}_{infty}$控制）的基本思想及其在参数不确定性大系统中的应用潜力。此外，本书对状态观测器（如Luenberger观测器）在估计不可测量状态（如负载扰动、摩擦力矩）方面的应用进行了详尽的数学推导和仿真验证。 --- 第三部分：系统集成、故障诊断与工程实践 本部分将理论与实际生产线需求紧密结合，关注系统的可靠性、调试和维护。 第七章：工业网络与总线通信 现代自动化系统依赖于高效可靠的通信。本章对比了现场总线（如Profibus DP/PA、CANopen）和工业以太网（如EtherCAT、Profinet IRT）的实时性、同步机制和数据帧结构。重点分析了如何利用EtherCAT实现纳秒级的同步控制和分布式时钟管理，这对多轴联动系统至关重要。 第八章：摩擦、磨损与系统辨识 精确的模型是精确控制的前提。本章深入分析了机械负载中的非线性因素，特别是Stribe摩擦模型（旱地摩擦、库仑摩擦、粘滞摩擦）的辨识与补偿方法。讨论了利用系统辨识工具箱（如MATLAB System Identification Toolbox）对未知机械负载进行参数辨识的步骤与注意事项。 第九章：伺服系统集成与故障分析 本章是工程实践的核心。从实际选型出发，指导读者如何根据负载特性（惯量比、刚度、最大转矩需求）选择合适的驱动器和电机组合。系统讲解了系统调试流程，包括零偏调整、限流设置、电流环和速度环的初步整定。最后，提供了基于驱动器诊断代码和示波器波形分析的常见故障（如谐波过大、位置环震荡、驱动器过热保护）的排查与解决步骤。 第十章：可编程逻辑控制器（PLC）在运动控制中的集成 阐述了PLC与高性能运动控制器（Dedicated Motion Controller）之间的协作关系。讨论了如何利用PLC的逻辑功能来管理安全连锁、模式切换和操作员界面（HMI），并将运动控制指令通过标准接口（如S_MC_MoveAbsolute）下发给专用控制器，实现高度集成的自动化解决方案。 --- 本书特点： 1. 深度与广度兼顾： 理论推导严谨，同时结合丰富的工程案例和参数设置实例。 2. 强调实践操作： 包含多种主流工业驱动器的配置流程模拟和波形分析图例。 3. 模型驱动设计： 贯穿始终地强调基于精确数学模型进行控制参数设计的重要性。 4. 面向前沿技术： 对FOC、EtherCAT同步和非线性摩擦补偿等热点技术给予充分的篇幅。 本书是电气传动、机电一体化和自动化工程师案头必备的参考手册，有助于读者从“会用”到“精通”跨越式发展。
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