永磁同步电机的建模与控制

随着越来越多的研究人员和工程师涉足这一领域，对永磁同步电机整体控制的处理需求日益增长。《永磁同步电机的建模与控制》是作者过去25年学习、研究和教学的结晶，通过广泛、详细和深刻的方式介绍了永磁同步电机控制技术，从而满足了上述需求。
作者尝试对永磁同步电机进行统一的建模，用于所有主要参考坐标系的控制应用，同时，考虑铜损和铁损、磁饱和、退磁等。然后，根据主要控制方法对永磁同步电机控制系统进行了系统分析和设计，包括矢量控制、直接转矩控制、预测控制、无差拍控制和组合控制等。在考虑电机和逆变器约束的各种参考坐标系的主要控制方法下，通过补充控制手段实现电机的各种运行模式，包括MTPA、MTPV、单位功率因数和zui小损耗。此外，还研究了各种位置和速度估计方案及无传感器控制系统，强调其特点和局限性。末尾，提出了几种离线和在线方案对电机主要参数进行辨识和估计，并将其整合到电机控制系统中。
章末习题的设计旨在作为一个补充资源，用于理解所介绍材料的各个方面，使《永磁同步电机的建模与控制》更适合成为大学生使用的教材。重要的经典著作，以及永磁同步电机控制的重大发展，还在章节末尾以参考文献的形式列出，以服务于该领域的研究人员。《永磁同步电机的建模与控制》连贯地研究了大约70个控制和估计系统，从而相当全面地描述了永磁同步电机控制技术。
《永磁同步电机的建模与控制》适合具有电机、电力电子和控制基础背景的研究生、学者和工程师阅读。

Sadegh Vaez-Zadeh在加拿大金斯顿的女王大学获得硕士和博士学位。他是德黑兰大学电子与计算机工程学院先进运动系统研究实验室的教授和主任。在过去的20年里，他感兴趣的研究领域是电机控制。Vaez-Zadeh是多个期刊的编辑，包括IEEE能源转换汇刊。他因在电机控制领域的贡献而获得了多项国内和国际奖项。

永磁同步电机因其节能能力和性能潜力而处于电机发展的前沿。一方面，不断扩大的环境危机和不断上涨的电价，另一方面，新兴的电机驱动应用，如电动和混合动力汽车，自动飞行和无人机，使得永磁同步电机对我们许多新颖的技术需求至关重要。《永磁同步电机的建模与控制》作为首本内容全面、结构完整且技术新颖的图书，专门介绍永磁同步电机的建模与控制技术，是非常及时的。它以系统和连贯的方式对主要电机控制方法（包括矢量、直接转矩、预测、无差拍和组合控制）进行深入和扩展的分析、设计、实施和性能评估。它还介绍了所有主要的无传感器控制和参数估计方法。
《永磁同步电机的建模与控制》特别强调节能控制方案。它是一本教科书，前四章适合初级研究生课程，后面三章适合高级课程。它也是研究人员、设计工程师和该领域其他专家的重要读物。
? 1）描述了超过70种控制和估计方案，具有详细的分析和实施细节；
? 2）介绍了10多个电机控制必不可少的电机模型；
? 3）包含150多幅原图，便于深入理解复杂的概念、公式和系统实现；
? 4）为性能评估提供广泛的模拟和实验结果；
? 5）阐明永磁同步电机市场的过去、现在和未来；
? 6）包括章节末尾习题以及用于教学和研究的参考文献；
? 7）平衡理论和实践，以满足学术和工业需求。

序
前言
致谢
符号表
第1章 绪论1
1.1电机控制系统概述1
1.2电力电子变换器2
1.2.1电压源逆变器3
1.2.2正弦PWM 4
1.2.3空间矢量PWM5
1.3永磁材料6
1.3.1特征6
1.3.2永磁材料的特性9
1.3.3永磁市场11
1.4永磁同步电机14
1.4.1结构16
1.4.2运行原理及特征20
1.4.3相似的电机22
1.5控制系统 22
1.5.1矢量控制23
1.5.2直接转矩控制23
1.5.3预测控制24
1.5.4无差拍控制24
1.5.5组合控制25
1.5.6转子位置与速度估计25
1.5.7电机参数估计26
1.6小结26
参考文献27
第2章 电机建模31
2.1建模31
2.2永磁同步电机的物理模型32
2.2.1电机示意图32
2.2.2建模假设33
2.3相变量模型34
2.3.1相变量参考坐标系35
2.3.2相变量参考坐标系下的电机方程35
2.4两相静止轴系模型 38
2.4.1两相静止参考坐标系38
2.4.2向两相静止参考坐标系的模型变换39
2.5转子参考坐标系模型42
2.5.1向转子参考坐标系变换42
2.5.2转子参考坐标系下的电机方程44
2.6定子磁链参考坐标系模型49
2.6.1向定子磁链参考坐标系变换49
2.6.2定子磁链参考坐标系下的电机方程50
2.7空间矢量模型52
2.7.1空间矢量52
2.7.2空间矢量下的电机方程53
2.8考虑铁损的电机模型58
2.9铁心磁饱和60
2.10表贴式永磁同步电机建模61
2.11永磁同步电机的动态方程62
2.12小结63
习题 63
参考文献65
第3章 矢量控制69
3.1永磁同步电机的标量控制69
3.2矢量控制的基础原理72
3.2.1直流电机控制的特征73
3.2.2矢量控制的基本原理73
3.2.3矢量控制下的电机模型75
3.3带有相电流控制器的转子参考坐标系中的矢量控制76
3.4带有d-q电流控制器的转子参考坐标系中的矢量控制78
3.4.1 d-q电流控制下的基本矢量控制方案78
3.4.2解耦电流控制器79
3.5操作极限和限制方法81
3.5.1电流极限81
3.5.2电压极限83
3.6磁通控制84
3.6.1大转矩电流比控制85
3.6.2大转矩电压比控制89
3.6.3单位功率因数控制90
3.6.4磁通控制模式之间的转换91
3.6.5电流控制器的饱和93
3.7定子磁通参考坐标系中的矢量控制95
3.7.1带有相电流控制器的定子磁通参考坐标系中的矢量控制95
3.7.2带有x-y电流控制器的定子磁通参考坐标系中的矢量控制96
3.7.3 x-y参考坐标系中的大转矩电流比控制98
3.7.4 x-y参考坐标系中的大转矩电压比控制98
3.7.5 x-y参考坐标系中的单位功率因数控制99
3.8极坐标中的矢量控制99
3.8.1极坐标系中的基本控制系统100
3.8.2极坐标系中的大转矩电流比控制100
3.8.3极坐标系中的单位功率因数控制101
3.9损耗小化控制103
3.9.1损耗减少的方法103
3.9.2电气损耗的建模104
3.9.3离线损耗小化控制106
3.9.4损耗小化控制和大转矩电流比的混合控制107
3.9.5在线损耗小化控制108
3.9.6连续在线损耗小化控制113
3.10小结117
习题 117
参考文献118
第4章 直接转矩控制125
4.1直接转矩控制的原理125
4.1.1转矩偏差与转矩角偏差125
4.1.2磁链偏差与电压空间矢量的对应127
4.1.3逆变器电压空间矢量128
4.1.4直接转矩控制的黄金法则129
4.1.5磁链幅值变化的限制131
4.2 基本直接转矩控制系统132
4.2.1滞环控制器132
4.2.2开关表134
4.2.3磁链和转矩估计134
4.3直接转矩控制中的操作极限和限制方法135
4.3.1电流极限135
4.3.2电压极限136
4.3.3磁链极限136
4.4直接转矩控制中的磁通控制138
4.4.1大转矩电流比控制138
4.4.2高速弱磁139
4.4.3单位功率因数控制140
4.5替代磁通控制的直接转矩控制141
4.5.1带有id控制的直接转矩控制141
4.5.2带有无功转矩控制的直接转矩控制142
4.6空间矢量调制直接转矩控制143
4.6.1静止参考坐标系中带有闭环转矩控制的SVM-DTC 144
4.6.2定子磁通参考坐标系中带有闭环转矩和磁通控制的SVM-DTC 145
4.6.3佳SVM-DTC 146
4.7损耗小化直接转矩控制152
4.7.1离线损耗小化直接转矩控制152
4.7.2直接转矩控制下模型搜索损耗小化控制157
4.8直接转矩控制和矢量控制的比较166
4.9小结168
习题168
参考文献169
第5章 预测、无差拍和组合控制174
5.1预测控制174
5.1.1基于模型的预测控制原理175
5.1.2永磁同步电机的预测电流控制177
5.1.3永磁同步电机的预测磁通和转矩控制179
5.2无差拍控制180
5.2.1无差拍控制的基本原理181
5.2.2转矩和磁链的无差拍控制182
5.3组合控制185
5.3.1组合控制的共同基础186
5.3.2永磁同步电机的组合控制189
5.4小结191
习题 192
参考文献192
第6章 转子位置和速度估计199
6.1转子位置估计方法199
6.2基于反电动势的方法202
6.2.1两相静止参考坐标系方案202
6.2.2电机变量方案203
6.3磁链方法203
6.3.1集成方案203
6.3.2低通滤波器方案204
6.3.3磁链速度估计方案205
6.3.4转矩角估计方案206
6.4假设参考坐标系方法206
6.4.1基于电压的方案206
6.4.2反电动势方案208
6.4.3前馈电压方案209
6.5基于凸极性的方法211
6.5.1离线方案211
6.5.2凸极电机的高频信号注入方案213
6.5.3凸极电机的逆变器开关谐波方案214
6.5.4隐极电机的高频信号注入方案217
6.6基于闭环观测器的方法221
6.6.1状态