电机和电源控制中的最新微控制器技术

本书全面介绍了当前主流的电机和电源数字控制系统的基本原理、相关控制技术理论和市场应用场景，并针对电机和电源数字控制系统的架构，分享了电机和电源数字控制用的微控制器的基本资源需求，以及市场上主流厂商的最新技术发展状况。此外，对基于微控制器的控制软件编程技术及相关调试技术也进行了总结阐述。除了理论介绍，本书篇幅上着墨于工程实践的角度出发，介绍基于恩智浦半导体微控制器实现的主流电机类型和电源拓扑的控制案例，分享了实际工程开发中有关微控制器控制的应用经验和方法。其中电机控制的应用内容包括永磁同步电机（PMSM）的无位置传感器矢量控制（FOC）和有位置传感器的伺服控制、基于转子磁链定向的交流异步电机（ACIM）矢量控制、无刷直流电机的无位置传感器控制、开关磁阻电机的无位置传感器峰值电流检测控制、步进电机的位置开环细分控制和位置闭环伺服控制；电源控制部分则包括以图腾柱无桥式PFC 变换器和LLC DC/DC 谐振变换器为例的AC/DC 控制，以及符合无线充电联盟（WPC）Qi 标准的15W 感应式无线充电系统的控制。本书面向已具备一定电机、电源、控制和微控制器基本知识的读者，可为高校电气、电力电子专业的研究生和企业工程技术人员提供参考和借鉴。

工业和信息化部人才交流中心（以下简称中心）创建于1985年1月，1992年10月成为独立事业法人单位，工业和信息化部所属的党政机关一类事业单位(正局级)，是经中央机构编制委员会办公室批准，国家事业单位登记管理局注册登记，是工业和信息化部在人才培养、人才交流、智力引进、国际交流、会议展览等方面的支撑机构；也是人力资源和社会保障部、工业和信息化部“全国信息专业技术人才知识更新工程”及“信息化工程师”项目实施承办单位。

第1章电力电子技术应用综述001
1.1电力电子技术发展现状002
1.2市场应用场景005
1.3未来发展方向展望010
1.4小结011
第2章电机和电源控制简介013
2.1常见电机类型及其控制技术014
2.1.1直流电机014
2.1.2交流电机016
2.2常见电力电子变换拓扑020
2.2.1整流电路021
2.2.2降压斩波电路024
2.2.3升压斩波电路025
2.2.4升降压斩波电路025
2.2.5谐振变换器电路026
2.3感应式无线充电技术029
2.4小结031
第3章电机和电源控制中的微控制器技术介绍033
3.1典型电机和电源数字控制系统架构034
3.2电机和电源控制中的微控制器技术概况036
3.2.1电机和电源控制中的微控制器技术发展现状037
3.2.2电机和电源控制中的微控制器技术发展趋势041
3.2.3恩智浦半导体电机和电源微控制器产品路线规划及主要特点043
3.3小结046
第4章控制软件编程基础及相关调试技术049
4.1数字控制软件编程基础050
4.1.1信号数字化处理050
4.1.2变量定标052
4.1.3参数标幺表示053
4.2实时控制软件架构实现简介054
4.2.1状态机054
4.2.2时序调度机制057
4.3实时控制软件开发及调试058
4.3.1实时控制软件库的应用058
4.3.2实时调试工具064
4.3.3相关调试技巧068
4.4小结070
第5章永磁同步电机的数字控制071
5.1永磁同步电机的数学模型072
5.1.1三相永磁同步电机数学模型073
5.1.2两相静止坐标系的数学模型074
5.1.3两相转子同步坐标系的数学模型075
5.1.4坐标变换077
5.2永磁同步电机的磁场定向控制078
5.2.1电流控制环079
5.2.2转速控制环082
5.3最大转矩电流比和弱磁控制083
5.3.1最大转矩电流比控制084
5.3.2弱磁控制087
5.4无位置传感器控制092
5.4.1基于反电动势的位置估计092
5.4.2基于高频信号注入的位置估计096
5.4.3基于定子磁通的位置估计099
5.5电机控制所需的微控制器资源102
5.5.1脉冲宽度调制器（PWM）103
5.5.2模/数转换器（ADC）105
5.5.3正交解码器（DEC）105
5.5.4定时器（Timer）106
5.5.5PWM和ADC硬件同步106
5.6典型永磁同步电机控制方案107
5.6.1带位置传感器的伺服控制107
5.6.2无位置传感器的磁场定向控制109
5.6.3典型案例分析―风机控制110
5.7小结125
第6章无刷直流电机的数字控制127
6.1无刷直流电机模型128
6.1.1无刷直流电机的本体结构128
6.1.2无刷直流电机的数学模型129
6.2六步换相控制及所需的微控制器资源131
6.2.1无刷直流电机六步换相控制的基本原理131
6.2.2六步换相PWM调制方式及其对电压和电流的影响133
6.2.3六步换相无传感器控制138
6.2.4六步换相控制所需的微控制器资源140
6.3典型无刷直流电机控制方案141
6.3.1基于KE02的无刷直流电机无位置传感器控制142
6.3.2基于MC9S08SU16的无人机电调解决方案148
6.4小结152
第7章开关磁阻电机的数字控制153
7.1开关磁阻电机的基本工作原理154
7.1.1电机结构154
7.1.2电磁转矩的产生155
7.1.3绕组反电动势157
7.2两相SRM的数字控制158
7.2.1PWM控制下的绕组导通模式159
7.2.2电压控制方法160
7.2.3检测电流峰值的无位置传感器控制方法161
7.2.4电机从静止开始起动163
7.2.5电机从非静止时开始起动166
7.2.6两相SRM数字控制所需的微控制器资源166
7.3典型方案分析―高速真空吸尘器167
7.3.1系统介绍167
7.3.2相电流与母线电压的检测170
7.3.3电机的控制流程175
7.3.4峰值电流的检测方法184
7.4小结185
第8章交流感应电机的数字控制187
8.1交流感应电机模型188
8.1.1交流感应电机的本体结构188
8.1.2交流感应电机的控制方法概述190
8.1.3交流感应电机的数学模型191
8.2转子磁链定向控制194
8.2.1最大转矩电流比控制196
8.2.2交流感应电机弱磁控制198
8.2.3定子电压解耦199
8.2.4带位置传感器时转子磁链位置估算200
8.2.5无位置传感器控制201
8.3典型交流感应电机控制方案206
8.3.1控制环路介绍207
8.3.2低成本电流及转速采样实现方案209
8.3.3转子时间常数校正214
8.3.4应用软件设计215
8.3.5系统时序设计216
8.4小结218
第9章步进电机的数字控制219
9.1步进电机工作原理220
9.1.1步进电机的结构简介220
9.1.2步进电机的工作原理简介221
9.2位置开环的细分控制及所需的微控制器资源223
9.2.1细分控制223
9.2.2驱动电路和PWM方法225
9.2.3步进电机位置开环的控制结构228
9.3位置闭环的矢量控制及所需的微控制器资源229
9.3.1步进电机矢量控制229
9.3.2步进电机弱磁控制231
9.3.3步进伺服的典型控制结构234
9.3.4转速计算原理及结合微控制器的应用235
9.4典型步进电机控制方案239
9.5小结245
第10章AC/DC变换器的数字控制247
10.1AC/DC变换器工作原理248
10.1.1PFC基本工作原理249
10.1.2LLC谐振变换器基本工作原理251
10.2PFC的数字控制254
10.2.1控制策略254
10.2.2电流控制器设计255
10.2.3PFC数字控制所需的微控制器资源257
10.3LLC的数字控制259
10.3.1控制策略259
10.3.2LLC谐振变换器数字控制所需的微控制器资源262
10.4典型案例分析―高效服务器电源263
10.4.1图腾柱无桥PFC系统实现264
10.4.2LLC谐振变换器系统实现268
10.5小结274
第11章感应式无线充电的数字控制275
11.1感应式无线充电工作原理276
11.1.1能量的传输方式277
11.1.2通信方式及解调简介279
11.2无线充电标准Qi281
11.2.1通信方式详述281
11.2.2系统控制283
11.3Qi标准感应式无线充电微控制器289
11.3.1无线充电微控制器介绍289
11.3.2Qi标准无线充电发射器硬件模块291
11.3.3无线充电发射器软件架构及重要功能实现293
11.3.4无线充电重要功能的数字实现方式296
11.4无线充电典型应用301
11.4.1消费及工业类无线充电发射器301
11.4.2车载无线充电发射器303
11.4.3恩智浦半导体无线充电发射器主要模块305
11.4.4恩智浦半导体无线充电接收器简介312
11.4.5系统主要性能指标315
11.5小结318
参考文献319