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国际电气工程先进技术译丛 同步电机控制
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资料介绍
国际电气工程先进技术译丛 同步电机控制
作者：（法）让·保罗·路易斯 著
出版时间：2016
丛编项： 国际电气工程先进技术译丛
内容简介
本书共分9章，各章节按照从一般到特殊的思路进行组织。第1～4章围绕一般类型同步电机的转矩控制，从不同参考坐标系下的数学模型出发系统阐述了控制器的结构设计问题，重点研究同步电机驱动电流的产生和调节以及转速控制器的设计；在此基础上，第5章讨论了同步电机矢量控制在数字化实现方面所带来的问题，分析控制系统硬件层面和软件层面的时间延迟以及如何对时间延迟进行补偿，从而保证数字控制系统的性能。第6～9章针对永磁同步电机分别阐述了直接转矩控制策略、容错预测控制策略和无传感器控制策略。本书内容详实丰富，既有基本的数学模型建立和控制器结构理论分析，也包括不同类型先进控制策略的工程实现探讨，并给出了大量的仿真结论和实验结论，理论联系实际的特色较为突出，对于国内从事高性能、高可靠性的机电驱动器设计以及高效率电力传动和驱动等领域的工程技术人员和科研院所研究人员具有较高的参考价值，同时也可作为大专院校相关教师、研究生和高年级本科学生开展同步电机教学和科研的参考资料。
目录
译者序
原书前言
第1章同步电机的控制、相关问题与建模1
1.1简介1
1.2同步电机控制的相关问题1
1.2.1基于矢量控制策略的同步电机控制1
1.2.2同步电机的直接模型/逆模型及建模假设3
1.2.3同步电机控制特性5
1.3同步电机的结构描述和物理建模6
1.3.1同步电机结构特征6
1.3.2建模假设7
1.3.3符号说明8
1.3.4主要变换矩阵8
1.3.5同步电机的物理模型9
1.3.6二电平电压逆变器10
1.3.7机械负载建模11
1.4自然三相a-b-c参考坐标系内的同步电机动态模型12
1.4.1非凸极电机励磁不变情形下的数学模型12
1.4.2a-b-c参考坐标系内正弦稳态工作情形下的电磁转矩15
1.4.3向非正弦磁场分布电机的扩展16
1.5α-β和d-q参考坐标系内的矢量变换与动态模型（考虑正弦磁场分布电机且区
分非凸极和凸极两种情形）20
1.5.1因式分解矩阵建模20
1.5.2康科迪亚变换：α-β参考坐标系21
1.5.3派克变换：用于凸极同步电机22
1.5.4对转矩系数的注释25
1.6将派克变换扩展应用到非正弦磁场分布同步电机的可行性25
1.7结论31
1.8附录32
1.8.1电机参数值32
1.8.2术语和符号33
1.8.3致谢35
1.9参考文献35
第2章a-b-c参考坐标系内的同步电机最优供电及转矩控制40
2.1简介：a-b-c参考坐标系内的控制问题40
2.2a-b-c参考坐标系内的数学模型：稳态向瞬态的扩展应用40
2.2.1正弦波磁场分布电机情形40
2.2.2阶梯波磁场分布电机情形（无刷直流电机）41
2.2.3关于非正弦波磁场分布电机电磁转矩的注释43
2.3a-b-c参考坐标系内的转矩控制器结构44
2.3.1正弦波磁场分布电机情形44
2.3.2向无刷直流电机的扩展（阶梯波磁场分布电机情形）45
2.4a-b-c参考坐标系内的控制器性能和缺点46
2.4.1比例控制器情形46
2.4.2积分比例（IP）电流调节器情形50
2.4.3a-b-c参考坐标系内IP控制器的派克分量解释53
2.4.4高级控制器：谐振控制器实例59
2.4.5基于谐振控制器电流调节的派克变换解释62
2.5通用化：驱动器对非正弦磁场分布电机的应用扩展64
2.5.1建模方法的通用化64
2.5.2方程解的第一种求解方法（试探解）65
2.5.3第一泛化：焦耳损耗最优化（对零序电流无约束）66
2.5.4方法应用：正弦波反电动势电机的最优化67
2.5.5第二泛化：带约束条件的焦耳损耗最优化（零序电流必须等于零）68
2.5.6两个最优电流的几何解释70
2.6应用傅里叶展开式获得最优电流73
2.6.1应用傅里叶展开式的兴趣所在73
2.6.2傅里叶系数建模法（复系数）74
2.6.3傅里叶展开式的结论特性75
2.6.4第一种重要情形：反电动势仅包含奇次谐波75
2.6.5第二种重要情形：反电动势仅包含偶次谐波75
2.6.6一般情形：奇次谐波和偶次谐波同时存在76
2.6.7基本原则：产生转矩的必要条件是注入不同的谐波76
2.6.8最优化的一般方法（用一个实例进行探索性解释）76
2.6.9最优化方法的一般表述79
2.6.10一个重要的实例：正弦波磁场分布电机85
2.6.11应用：得到恒定转矩86
2.6.12主要结论87
2.7结论91
2.8附录91
2.8.1数字化参数值91
2.8.2术语和符号92
2.9参考文献93
第3章d-q参考坐标系内的同步电机最优驱动策略及转矩控制96
3.1简介：关于派克d-q参考坐标系内的控制器设计96
3.2动态数学模型（以励磁恒定的凸极电机为例）97
3.3确定最优电流参考值的第一种方法（d-q参考坐标系）98
3.4d-q参考坐标系内的电流控制器设计100
3.4.1基于可逆模型控制的基本原理：以带补偿的比例控制器为例100
3.4.2自同步控制102
3.4.3高效电流调节的一些特性103
3.4.4比例电流控制器的鲁棒性问题108
3.5基于可逆模型的新型控制策略：以带补偿的IP控制器为例109
3.5.1基本原理109
3.5.2电流环IP调节器性能111
3.5.3电流环IP调节器的鲁棒性分析113
3.5.4d-q参考坐标系内控制器性能的主要结论116
3.6凸极同步电机的最优供电；等转矩曲线的几何方法116
3.6.1一般知识：构造转矩平面的一般方法116
3.6.2预备知识1：以永磁凸极同步电机为例，励磁磁场在空间呈正弦分布119
3.6.3预备知识2：以永磁非凸极同步电机为例，励磁磁场在空间呈非正弦分布——
派克坐标变换的一次扩展121
3.6.4评注：与p-q理论进行类比122
3.6.5非凸极同步电机的3D可视化实现124
3.6.6对凸极同步电机的归纳：以正弦波磁场分布永磁同步电机为例124
3.6.7可视化：以励磁式凸极同步电机为例127
3.6.8磁阻式同步电机情形127
3.6.9以变磁阻同步电机为例，励磁磁场在空间呈非正弦分布——派克坐标变换的
二次扩展129
3.6.10可视化：磁阻式同步电机的转矩平面133
3.7结论134
3.8附录134
3.8.1参数值134
3.8.2术语和符号134
3.9参考文献135
ⅩⅦ第4章同步电机的驱动控制140
4.1简介140
4.2转速控制器设计的基本原理：以IP控制器为例142
4.3a-b-c参考坐标系内的转速控制器设计（以非凸极同步电机为例）145
4.3.1一般知识145
4.3.2a-b-c参考坐标系内带有IP电流控制器的IP转速控制器145
4.3.3带有共振电流控制器的IP转速控制器147
4.4d-q参考坐标系内的转速控制器设计（以凸极电机应用为例）150
4.4.1一般知识150
4.4.2介绍性实例：带有补偿或解耦的转速控制150
4.4.3关于转速控制的讨论153
4.4.4调节器选择实例——IP控制器的兴趣所在：应用上的限制156
4.4.5调节器选择实例：带有抗饱和装置的IP控制器157
4.4.6调节器选择实例：带有受限动态特性的IP控制器159
4.4.7高级调节器实例：带有积分状态观测器的P控制器163
4.5关于位置角调节的一些说明172
4.6结论175
4.7附录176
4.7.1参数值176
4.7.2术语和符号176
4.8参考文献177
第5章同步电机矢量控制的数字化实现181
5.1简介181
5.2同步电机转矩的经典控制法、模拟控制法和理想控制法182
5.2.1电流调节器的计算182
5.2.2参考电流的确定183
5.2.3所研究电机的参数184
5.2.4同步电机理想模拟矢量控制的仿真结论184
5.3同步电机矢量控制数字化实现的相关问题185
5.3.1控制接口及应用受到限制的原因185
5.3.2时间框图187
5.3.3同步电机矢量控制数字化实现的限制因素188
5.4控制系统的离散化188
5.4.1采样周期的选择188
5.4.2瞬时采样时刻的选择189
5.4.3数字化控制器的实现189
ⅩⅧ5.4.4基于离散调节器控制的仿真结果192
5.5由同步电机矢量控制数字化实现导致的时间延迟研究193
5.5.1考虑控制系统时间延迟时的仿真结果193
5.5.2考虑时间延迟的新型调节器参数计算195
5.5.3对时间延迟进行校正和系统离散化后的仿真结果195
5.6量化问题197
5.6.1电流测量的量化效应197
5.6.2位置角测量的量化问题199
5.6.3由数字微分对转速进行计算200
5.6.4电压源型逆变器PWM矢量的量化201
5.7派克逆变换的时间延迟202
5.8结论203
5.9参考文献203
第6章永磁同步电机的直接转矩控制205
6.1简介205
6.2d-q参考坐标系内永磁同步电机的数学模型205
6.2.1状态方程206
6.3任意切换频率下的常规DTC206
6.3.1一般原理206
6.3.2DTC的实验应用209
6.4固定切换频率下的DTC210
6.4.1控制的基本原理210
6.4.2参考矢量Ψ#的推导213
6.4.3一个固定计算周期的DTC实验结论214
6.5直接预测控制215
6.5.1简介215
6.5.2直接预测控制的基本原理215
6.5.3直接预测控制在永磁同步电机的应用216
6.5.4实验结果219
6.5.5基于可逆模型的直接预测控制221
6.6结论226
6.7参考文献227
第7章同步电机与逆变器的容错预测控制229
7.1简介229
7.2三相容错电机的拓扑结构230
7.2.1对永磁同步电机短路电流的限制230ⅩⅨ7.2.2单相绕组发生故障时的故障限制230
7.3容错变换器的拓扑结构231
7.4容错控制232
7.4.1同步电机容错控制模型的建立233
7.4.2同步电机容错控制的仿真结果233
7.4.3预测控制238
7.4.4实际应用242
7.5结论245
7.6参考文献245
第8章永磁同步电机无机械传感器控制的基本特性247
8.1简介247
8.1.1状态观测和扰动状态观测器248
8.1.2控制系统和状态观测系统动态方程的相互作用248
8.1.3控制器和状态观测器的极点配置251
8.2基于扩展卡尔曼滤波器的PMSM无传感器控制253
8.2.1卡尔曼滤波器（KF）简要回顾253
8.2.2卡尔曼滤波器在PMSM控制的应用255
8.2.3仿真结果258
8.3与MRAS（模型参考自适应系统）方法的对比260
8.4实验结果对比262
8.5带负载转矩观测的PMSM无传感器控制263
8.5.1基于电流状态反馈的无传感器控制267
8.6PMSM无机械传感器的起动271
8.6.1无机械传感器时系统的平衡点272
8.6.2仿真结果分析274
8.6.3以全局收敛为目标的改进型控制律278
8.7结论279
8.8参考文献280
第9章永磁同步电机无传感器控制：确定性方法、收敛性及鲁棒性282
9.1简介282
9.2PMSM无机械传感器控制建模284
9.2.1状态方程285
9.2.2降阶模型方程287
9.3无机械传感器控制的收敛性分析288
9.3.1比例控制律289
9.3.2变结构控制律295ⅩⅩ9.4反电动势矢量估计302
9.5PMSM无传感器控制的参数变化鲁棒性分析303
9.5.1定子电感的参数变化305
9.5.2转矩系数的参数变化305
9.5.3定子电阻的参数变化308
9.6定子电阻变化时的PMSM无传感器控制314
9.6.1定子电阻的在线估计315
9.6.2定子电阻参数变化影响最小的无传感器控制317
9.7结论322
9.8附录A322
9.9附录B323
9.10参考文献324
作者：（法）让·保罗·路易斯 著
出版时间：2016
丛编项： 国际电气工程先进技术译丛
内容简介
本书共分9章，各章节按照从一般到特殊的思路进行组织。第1～4章围绕一般类型同步电机的转矩控制，从不同参考坐标系下的数学模型出发系统阐述了控制器的结构设计问题，重点研究同步电机驱动电流的产生和调节以及转速控制器的设计；在此基础上，第5章讨论了同步电机矢量控制在数字化实现方面所带来的问题，分析控制系统硬件层面和软件层面的时间延迟以及如何对时间延迟进行补偿，从而保证数字控制系统的性能。第6～9章针对永磁同步电机分别阐述了直接转矩控制策略、容错预测控制策略和无传感器控制策略。本书内容详实丰富，既有基本的数学模型建立和控制器结构理论分析，也包括不同类型先进控制策略的工程实现探讨，并给出了大量的仿真结论和实验结论，理论联系实际的特色较为突出，对于国内从事高性能、高可靠性的机电驱动器设计以及高效率电力传动和驱动等领域的工程技术人员和科研院所研究人员具有较高的参考价值，同时也可作为大专院校相关教师、研究生和高年级本科学生开展同步电机教学和科研的参考资料。
目录
译者序
原书前言
第1章同步电机的控制、相关问题与建模1
1.1简介1
1.2同步电机控制的相关问题1
1.2.1基于矢量控制策略的同步电机控制1
1.2.2同步电机的直接模型/逆模型及建模假设3
1.2.3同步电机控制特性5
1.3同步电机的结构描述和物理建模6
1.3.1同步电机结构特征6
1.3.2建模假设7
1.3.3符号说明8
1.3.4主要变换矩阵8
1.3.5同步电机的物理模型9
1.3.6二电平电压逆变器10
1.3.7机械负载建模11
1.4自然三相a-b-c参考坐标系内的同步电机动态模型12
1.4.1非凸极电机励磁不变情形下的数学模型12
1.4.2a-b-c参考坐标系内正弦稳态工作情形下的电磁转矩15
1.4.3向非正弦磁场分布电机的扩展16
1.5α-β和d-q参考坐标系内的矢量变换与动态模型（考虑正弦磁场分布电机且区
分非凸极和凸极两种情形）20
1.5.1因式分解矩阵建模20
1.5.2康科迪亚变换：α-β参考坐标系21
1.5.3派克变换：用于凸极同步电机22
1.5.4对转矩系数的注释25
1.6将派克变换扩展应用到非正弦磁场分布同步电机的可行性25
1.7结论31
1.8附录32
1.8.1电机参数值32
1.8.2术语和符号33
1.8.3致谢35
1.9参考文献35
第2章a-b-c参考坐标系内的同步电机最优供电及转矩控制40
2.1简介：a-b-c参考坐标系内的控制问题40
2.2a-b-c参考坐标系内的数学模型：稳态向瞬态的扩展应用40
2.2.1正弦波磁场分布电机情形40
2.2.2阶梯波磁场分布电机情形（无刷直流电机）41
2.2.3关于非正弦波磁场分布电机电磁转矩的注释43
2.3a-b-c参考坐标系内的转矩控制器结构44
2.3.1正弦波磁场分布电机情形44
2.3.2向无刷直流电机的扩展（阶梯波磁场分布电机情形）45
2.4a-b-c参考坐标系内的控制器性能和缺点46
2.4.1比例控制器情形46
2.4.2积分比例（IP）电流调节器情形50
2.4.3a-b-c参考坐标系内IP控制器的派克分量解释53
2.4.4高级控制器：谐振控制器实例59
2.4.5基于谐振控制器电流调节的派克变换解释62
2.5通用化：驱动器对非正弦磁场分布电机的应用扩展64
2.5.1建模方法的通用化64
2.5.2方程解的第一种求解方法（试探解）65
2.5.3第一泛化：焦耳损耗最优化（对零序电流无约束）66
2.5.4方法应用：正弦波反电动势电机的最优化67
2.5.5第二泛化：带约束条件的焦耳损耗最优化（零序电流必须等于零）68
2.5.6两个最优电流的几何解释70
2.6应用傅里叶展开式获得最优电流73
2.6.1应用傅里叶展开式的兴趣所在73
2.6.2傅里叶系数建模法（复系数）74
2.6.3傅里叶展开式的结论特性75
2.6.4第一种重要情形：反电动势仅包含奇次谐波75
2.6.5第二种重要情形：反电动势仅包含偶次谐波75
2.6.6一般情形：奇次谐波和偶次谐波同时存在76
2.6.7基本原则：产生转矩的必要条件是注入不同的谐波76
2.6.8最优化的一般方法（用一个实例进行探索性解释）76
2.6.9最优化方法的一般表述79
2.6.10一个重要的实例：正弦波磁场分布电机85
2.6.11应用：得到恒定转矩86
2.6.12主要结论87
2.7结论91
2.8附录91
2.8.1数字化参数值91
2.8.2术语和符号92
2.9参考文献93
第3章d-q参考坐标系内的同步电机最优驱动策略及转矩控制96
3.1简介：关于派克d-q参考坐标系内的控制器设计96
3.2动态数学模型（以励磁恒定的凸极电机为例）97
3.3确定最优电流参考值的第一种方法（d-q参考坐标系）98
3.4d-q参考坐标系内的电流控制器设计100
3.4.1基于可逆模型控制的基本原理：以带补偿的比例控制器为例100
3.4.2自同步控制102
3.4.3高效电流调节的一些特性103
3.4.4比例电流控制器的鲁棒性问题108
3.5基于可逆模型的新型控制策略：以带补偿的IP控制器为例109
3.5.1基本原理109
3.5.2电流环IP调节器性能111
3.5.3电流环IP调节器的鲁棒性分析113
3.5.4d-q参考坐标系内控制器性能的主要结论116
3.6凸极同步电机的最优供电；等转矩曲线的几何方法116
3.6.1一般知识：构造转矩平面的一般方法116
3.6.2预备知识1：以永磁凸极同步电机为例，励磁磁场在空间呈正弦分布119
3.6.3预备知识2：以永磁非凸极同步电机为例，励磁磁场在空间呈非正弦分布——
派克坐标变换的一次扩展121
3.6.4评注：与p-q理论进行类比122
3.6.5非凸极同步电机的3D可视化实现124
3.6.6对凸极同步电机的归纳：以正弦波磁场分布永磁同步电机为例124
3.6.7可视化：以励磁式凸极同步电机为例127
3.6.8磁阻式同步电机情形127
3.6.9以变磁阻同步电机为例，励磁磁场在空间呈非正弦分布——派克坐标变换的
二次扩展129
3.6.10可视化：磁阻式同步电机的转矩平面133
3.7结论134
3.8附录134
3.8.1参数值134
3.8.2术语和符号134
3.9参考文献135
ⅩⅦ第4章同步电机的驱动控制140
4.1简介140
4.2转速控制器设计的基本原理：以IP控制器为例142
4.3a-b-c参考坐标系内的转速控制器设计（以非凸极同步电机为例）145
4.3.1一般知识145
4.3.2a-b-c参考坐标系内带有IP电流控制器的IP转速控制器145
4.3.3带有共振电流控制器的IP转速控制器147
4.4d-q参考坐标系内的转速控制器设计（以凸极电机应用为例）150
4.4.1一般知识150
4.4.2介绍性实例：带有补偿或解耦的转速控制150
4.4.3关于转速控制的讨论153
4.4.4调节器选择实例——IP控制器的兴趣所在：应用上的限制156
4.4.5调节器选择实例：带有抗饱和装置的IP控制器157
4.4.6调节器选择实例：带有受限动态特性的IP控制器159
4.4.7高级调节器实例：带有积分状态观测器的P控制器163
4.5关于位置角调节的一些说明172
4.6结论175
4.7附录176
4.7.1参数值176
4.7.2术语和符号176
4.8参考文献177
第5章同步电机矢量控制的数字化实现181
5.1简介181
5.2同步电机转矩的经典控制法、模拟控制法和理想控制法182
5.2.1电流调节器的计算182
5.2.2参考电流的确定183
5.2.3所研究电机的参数184
5.2.4同步电机理想模拟矢量控制的仿真结论184
5.3同步电机矢量控制数字化实现的相关问题185
5.3.1控制接口及应用受到限制的原因185
5.3.2时间框图187
5.3.3同步电机矢量控制数字化实现的限制因素188
5.4控制系统的离散化188
5.4.1采样周期的选择188
5.4.2瞬时采样时刻的选择189
5.4.3数字化控制器的实现189
ⅩⅧ5.4.4基于离散调节器控制的仿真结果192
5.5由同步电机矢量控制数字化实现导致的时间延迟研究193
5.5.1考虑控制系统时间延迟时的仿真结果193
5.5.2考虑时间延迟的新型调节器参数计算195
5.5.3对时间延迟进行校正和系统离散化后的仿真结果195
5.6量化问题197
5.6.1电流测量的量化效应197
5.6.2位置角测量的量化问题199
5.6.3由数字微分对转速进行计算200
5.6.4电压源型逆变器PWM矢量的量化201
5.7派克逆变换的时间延迟202
5.8结论203
5.9参考文献203
第6章永磁同步电机的直接转矩控制205
6.1简介205
6.2d-q参考坐标系内永磁同步电机的数学模型205
6.2.1状态方程206
6.3任意切换频率下的常规DTC206
6.3.1一般原理206
6.3.2DTC的实验应用209
6.4固定切换频率下的DTC210
6.4.1控制的基本原理210
6.4.2参考矢量Ψ#的推导213
6.4.3一个固定计算周期的DTC实验结论214
6.5直接预测控制215
6.5.1简介215
6.5.2直接预测控制的基本原理215
6.5.3直接预测控制在永磁同步电机的应用216
6.5.4实验结果219
6.5.5基于可逆模型的直接预测控制221
6.6结论226
6.7参考文献227
第7章同步电机与逆变器的容错预测控制229
7.1简介229
7.2三相容错电机的拓扑结构230
7.2.1对永磁同步电机短路电流的限制230ⅩⅨ7.2.2单相绕组发生故障时的故障限制230
7.3容错变换器的拓扑结构231
7.4容错控制232
7.4.1同步电机容错控制模型的建立233
7.4.2同步电机容错控制的仿真结果233
7.4.3预测控制238
7.4.4实际应用242
7.5结论245
7.6参考文献245
第8章永磁同步电机无机械传感器控制的基本特性247
8.1简介247
8.1.1状态观测和扰动状态观测器248
8.1.2控制系统和状态观测系统动态方程的相互作用248
8.1.3控制器和状态观测器的极点配置251
8.2基于扩展卡尔曼滤波器的PMSM无传感器控制253
8.2.1卡尔曼滤波器（KF）简要回顾253
8.2.2卡尔曼滤波器在PMSM控制的应用255
8.2.3仿真结果258
8.3与MRAS（模型参考自适应系统）方法的对比260
8.4实验结果对比262
8.5带负载转矩观测的PMSM无传感器控制263
8.5.1基于电流状态反馈的无传感器控制267
8.6PMSM无机械传感器的起动271
8.6.1无机械传感器时系统的平衡点272
8.6.2仿真结果分析274
8.6.3以全局收敛为目标的改进型控制律278
8.7结论279
8.8参考文献280
第9章永磁同步电机无传感器控制：确定性方法、收敛性及鲁棒性282
9.1简介282
9.2PMSM无机械传感器控制建模284
9.2.1状态方程285
9.2.2降阶模型方程287
9.3无机械传感器控制的收敛性分析288
9.3.1比例控制律289
9.3.2变结构控制律295ⅩⅩ9.4反电动势矢量估计302
9.5PMSM无传感器控制的参数变化鲁棒性分析303
9.5.1定子电感的参数变化305
9.5.2转矩系数的参数变化305
9.5.3定子电阻的参数变化308
9.6定子电阻变化时的PMSM无传感器控制314
9.6.1定子电阻的在线估计315
9.6.2定子电阻参数变化影响最小的无传感器控制317
9.7结论322
9.8附录A322
9.9附录B323
9.10参考文献324
