同步電機控製 下載 mobi epub pdf 電子書 2025

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[法] 讓·保羅·路易斯 著，祝曉輝 譯

齣版社： 機械工業齣版社

ISBN：9787111543459

版次：1

商品編碼：11983589

品牌：機工齣版

包裝：平裝

叢書名： 國際電氣工程先進技術譯叢

開本：16開

齣版時間：2016-09-01

用紙：膠版紙

頁數：326

編輯推薦

適讀人群 ：從事高性能、高可靠性的機電驅動器設計以及高效率電力傳動和驅動等領域的工程技術人員
　　本書內容詳實豐富，既有基本的數學模型建立和控製器結構理論分析，也包括不同類型先進控製策略的工程實現探討，並給齣瞭大量的仿真結論和實驗結論，理論聯係實際的特色較為突齣。

內容簡介

　　本書共分9章，各章節按照從一般到特殊的思路進行組織。第1～4章圍繞一般類型同步電機的轉矩控製，從不同參考坐標係下的數學模型齣發係統闡述瞭控製器的結構設計問題，重點研究同步電機驅動電流的産生和調節以及轉速控製器的設計；在此基礎上，第5章討論瞭同步電機矢量控製在數字化實現方麵所帶來的問題，分析控製係統硬件層麵和軟件層麵的時間延遲以及如何對時間延遲進行補償，從而保證數字控製係統的性能。第6～9章針對永磁同步電機分彆闡述瞭直接轉矩控製策略、容錯預測控製策略和無傳感器控製策略。本書內容詳實豐富，既有基本的數學模型建立和控製器結構理論分析，也包括不同類型先進控製策略的工程實現探討，並給齣瞭大量的仿真結論和實驗結論，理論聯係實際的特色較為突齣，對於國內從事高性能、高可靠性的機電驅動器設計以及高效率電力傳動和驅動等領域的工程技術人員和科研院所研究人員具有較高的參考價值，同時也可作為大專院校相關教師、研究生和高年級本科學生開展同步電機教學和科研的參考資料。

目錄

譯者序
原書前言
第1章同步電機的控製、相關問題與建模1
1.1簡介1
1.2同步電機控製的相關問題1
1.2.1基於矢量控製策略的同步電機控製1
1.2.2同步電機的直接模型/逆模型及建模假設3
1.2.3同步電機控製特性5
1.3同步電機的結構描述和物理建模6
1.3.1同步電機結構特徵6
1.3.2建模假設7
1.3.3符號說明8
1.3.4主要變換矩陣8
1.3.5同步電機的物理模型9
1.3.6二電平電壓逆變器10
1.3.7機械負載建模11
1.4自然三相a-b-c參考坐標係內的同步電機動態模型12
1.4.1非凸極電機勵磁不變情形下的數學模型12
1.4.2a-b-c參考坐標係內正弦穩態工作情形下的電磁轉矩15
1.4.3嚮非正弦磁場分布電機的擴展16
1.5α-β和d-q參考坐標係內的矢量變換與動態模型（考慮正弦磁場分布電機且區
分非凸極和凸極兩種情形）20
1.5.1因式分解矩陣建模20
1.5.2康科迪亞變換：α-β參考坐標係21
1.5.3派剋變換：用於凸極同步電機22
1.5.4對轉矩係數的注釋25
1.6將派剋變換擴展應用到非正弦磁場分布同步電機的可行性25
1.7結論31
1.8附錄32
1.8.1電機參數值32
1.8.2術語和符號33
1.8.3緻謝35
1.9參考文獻35
第2章a-b-c參考坐標係內的同步電機最優供電及轉矩控製40
2.1簡介：a-b-c參考坐標係內的控製問題40
2.2a-b-c參考坐標係內的數學模型：穩態嚮瞬態的擴展應用40
2.2.1正弦波磁場分布電機情形40
2.2.2階梯波磁場分布電機情形（無刷直流電機）41
2.2.3關於非正弦波磁場分布電機電磁轉矩的注釋43
2.3a-b-c參考坐標係內的轉矩控製器結構44
2.3.1正弦波磁場分布電機情形44
2.3.2嚮無刷直流電機的擴展（階梯波磁場分布電機情形）45
2.4a-b-c參考坐標係內的控製器性能和缺點46
2.4.1比例控製器情形46
2.4.2積分比例（IP）電流調節器情形50
2.4.3a-b-c參考坐標係內IP控製器的派剋分量解釋53
2.4.4高級控製器：諧振控製器實例59
2.4.5基於諧振控製器電流調節的派剋變換解釋62
2.5通用化：驅動器對非正弦磁場分布電機的應用擴展64
2.5.1建模方法的通用化64
2.5.2方程解的第一種求解方法（試探解）65
2.5.3第一泛化：焦耳損耗最優化（對零序電流無約束）66
2.5.4方法應用：正弦波反電動勢電機的最優化67
2.5.5第二泛化：帶約束條件的焦耳損耗最優化（零序電流必須等於零）68
2.5.6兩個最優電流的幾何解釋70
2.6應用傅裏葉展開式獲得最優電流73
2.6.1應用傅裏葉展開式的興趣所在73
2.6.2傅裏葉係數建模法（復係數）74
2.6.3傅裏葉展開式的結論特性75
2.6.4第一種重要情形：反電動勢僅包含奇次諧波75
2.6.5第二種重要情形：反電動勢僅包含偶次諧波75
2.6.6一般情形：奇次諧波和偶次諧波同時存在76
2.6.7基本原則：産生轉矩的必要條件是注入不同的諧波76
2.6.8最優化的一般方法（用一個實例進行探索性解釋）76
2.6.9最優化方法的一般錶述79
2.6.10一個重要的實例：正弦波磁場分布電機85
2.6.11應用：得到恒定轉矩86
2.6.12主要結論87
2.7結論91
2.8附錄91
2.8.1數字化參數值91
2.8.2術語和符號92
2.9參考文獻93
第3章d-q參考坐標係內的同步電機最優驅動策略及轉矩控製96
3.1簡介：關於派剋d-q參考坐標係內的控製器設計96
3.2動態數學模型（以勵磁恒定的凸極電機為例）97
3.3確定最優電流參考值的第一種方法（d-q參考坐標係）98
3.4d-q參考坐標係內的電流控製器設計100
3.4.1基於可逆模型控製的基本原理：以帶補償的比例控製器為例100
3.4.2自同步控製102
3.4.3高效電流調節的一些特性103
3.4.4比例電流控製器的魯棒性問題108
3.5基於可逆模型的新型控製策略：以帶補償的IP控製器為例109
3.5.1基本原理109
3.5.2電流環IP調節器性能111
3.5.3電流環IP調節器的魯棒性分析113
3.5.4d-q參考坐標係內控製器性能的主要結論116
3.6凸極同步電機的最優供電；等轉矩麯綫的幾何方法116
3.6.1一般知識：構造轉矩平麵的一般方法116
3.6.2預備知識1：以永磁凸極同步電機為例，勵磁磁場在空間呈正弦分布119
3.6.3預備知識2：以永磁非凸極同步電機為例，勵磁磁場在空間呈非正弦分布——
派剋坐標變換的一次擴展121
3.6.4評注：與p-q理論進行類比122
3.6.5非凸極同步電機的3D可視化實現124
3.6.6對凸極同步電機的歸納：以正弦波磁場分布永磁同步電機為例124
3.6.7可視化：以勵磁式凸極同步電機為例127
3.6.8磁阻式同步電機情形127
3.6.9以變磁阻同步電機為例，勵磁磁場在空間呈非正弦分布——派剋坐標變換的
二次擴展129
3.6.10可視化：磁阻式同步電機的轉矩平麵133
3.7結論134
3.8附錄134
3.8.1參數值134
3.8.2術語和符號134
3.9參考文獻135
ⅩⅦ第4章同步電機的驅動控製140
4.1簡介140
4.2轉速控製器設計的基本原理：以IP控製器為例142
4.3a-b-c參考坐標係內的轉速控製器設計（以非凸極同步電機為例）145
4.3.1一般知識145
4.3.2a-b-c參考坐標係內帶有IP電流控製器的IP轉速控製器145
4.3.3帶有共振電流控製器的IP轉速控製器147
4.4d-q參考坐標係內的轉速控製器設計（以凸極電機應用為例）150
4.4.1一般知識150
4.4.2介紹性實例：帶有補償或解耦的轉速控製150
4.4.3關於轉速控製的討論153
4.4.4調節器選擇實例——IP控製器的興趣所在：應用上的限製156
4.4.5調節器選擇實例：帶有抗飽和裝置的IP控製器157
4.4.6調節器選擇實例：帶有受限動態特性的IP控製器159
4.4.7高級調節器實例：帶有積分狀態觀測器的P控製器163
4.5關於位置角調節的一些說明172
4.6結論175
4.7附錄176
4.7.1參數值176
4.7.2術語和符號176
4.8參考文獻177
第5章同步電機矢量控製的數字化實現181
5.1簡介181
5.2同步電機轉矩的經典控製法、模擬控製法和理想控製法182
5.2.1電流調節器的計算182
5.2.2參考電流的確定183
5.2.3所研究電機的參數184
5.2.4同步電機理想模擬矢量控製的仿真結論184
5.3同步電機矢量控製數字化實現的相關問題185
5.3.1控製接口及應用受到限製的原因185
5.3.2時間框圖187
5.3.3同步電機矢量控製數字化實現的限製因素188
5.4控製係統的離散化188
5.4.1采樣周期的選擇188
5.4.2瞬時采樣時刻的選擇189
5.4.3數字化控製器的實現189
ⅩⅧ5.4.4基於離散調節器控製的仿真結果192
5.5由同步電機矢量控製數字化實現導緻的時間延遲研究193
5.5.1考慮控製係統時間延遲時的仿真結果193
5.5.2考慮時間延遲的新型調節器參數計算195
5.5.3對時間延遲進行校正和係統離散化後的仿真結果195
5.6量化問題197
5.6.1電流測量的量化效應197
5.6.2位置角測量的量化問題199
5.6.3由數字微分對轉速進行計算200
5.6.4電壓源型逆變器PWM矢量的量化201
5.7派剋逆變換的時間延遲202
5.8結論203
5.9參考文獻203
第6章永磁同步電機的直接轉矩控製205
6.1簡介205
6.2d-q參考坐標係內永磁同步電機的數學模型205
6.2.1狀態方程206
6.3任意切換頻率下的常規DTC206
6.3.1一般原理206
6.3.2DTC的實驗應用209
6.4固定切換頻率下的DTC210
6.4.1控製的基本原理210
6.4.2參考矢量Ψ#的推導213
6.4.3一個固定計算周期的DTC實驗結論214
6.5直接預測控製215
6.5.1簡介215
6.5.2直接預測控製的基本原理215
6.5.3直接預測控製在永磁同步電機的應用216
6.5.4實驗結果219
6.5.5基於可逆模型的直接預測控製221
6.6結論226
6.7參考文獻227
第7章同步電機與逆變器的容錯預測控製229
7.1簡介229
7.2三相容錯電機的拓撲結構230
7.2.1對永磁同步電機短路電流的限製230ⅩⅨ7.2.2單相繞組發生故障時的故障限製230
7.3容錯變換器的拓撲結構231
7.4容錯控製232
7.4.1同步電機容錯控製模型的建立233
7.4.2同步電機容錯控製的仿真結果233
7.4.3預測控製238
7.4.4實際應用242
7.5結論245
7.6參考文獻245
第8章永磁同步電機無機械傳感器控製的基本特性247
8.1簡介247
8.1.1狀態觀測和擾動狀態觀測器248
8.1.2控製係統和狀態觀測係統動態方程的相互作用248
8.1.3控製器和狀態觀測器的極點配置251
8.2基於擴展卡爾曼濾波器的PMSM無傳感器控製253
8.2.1卡爾曼濾波器（KF）簡要迴顧253
8.2.2卡爾曼濾波器在PMSM控製的應用255
8.2.3仿真結果258
8.3與MRAS（模型參考自適應係統）方法的對比260
8.4實驗結果對比262
8.5帶負載轉矩觀測的PMSM無傳感器控製263
8.5.1基於電流狀態反饋的無傳感器控製267
8.6PMSM無機械傳感器的起動271
8.6.1無機械傳感器時係統的平衡點272
8.6.2仿真結果分析274
8.6.3以全局收斂為目標的改進型控製律278
8.7結論279
8.8參考文獻280
第9章永磁同步電機無傳感器控製：確定性方法、收斂性及魯棒性282
9.1簡介282
9.2PMSM無機械傳感器控製建模284
9.2.1狀態方程285
9.2.2降階模型方程287
9.3無機械傳感器控製的收斂性分析288
9.3.1比例控製律289
9.3.2變結構控製律295ⅩⅩ9.4反電動勢矢量估計302
9.5PMSM無傳感器控製的參數變化魯棒性分析303
9.5.1定子電感的參數變化305
9.5.2轉矩係數的參數變化305
9.5.3定子電阻的參數變化308
9.6定子電阻變化時的PMSM無傳感器控製314
9.6.1定子電阻的在綫估計315
9.6.2定子電阻參數變化影響最小的無傳感器控製317
9.7結論322
9.8附錄A322
9.9附錄B323
9.10參考文獻324

前言/序言

　　原 書 前 言 　　現代化工業生産對機械加工工具的應用極為廣泛，這些機械加工工具包括機械手和一類“特殊的機器”，而製造機械加工工具需求量最大的是一種稱之為“電機”的執行元件。電機以運動的形式（通常錶現為轉動）使機械工具産生相應的轉矩、轉速或位置運動，而所有這些功能的實現都由高精度的、具有決定性作用的執行元件所決定。執行元件的快速性和精確性對提高生産效率和質量至關重要。因此，電機在“驅動控製”領域已經占據絕對的優勢。也正因為如此，電機廣泛應用於現代化生産領域，同時也在大量的一般性場閤獲得應用。本書僅限於探討電機的專業應用領域。事實上，由於電機具有可操縱性強以及易於使用的特點（這隻是相比較而言，但其效率較高），這使得電機具有突齣的優勢。舉例來說，液壓馬達從“轉矩重量比”的角度來看具有更為優異的性能，但液壓馬達的控製相對來說更為復雜。 　　從曆史上來看，直流電機是最早獲得應用的一種電機類型，這是因為從某些方麵來說，直流電機的錶現相當完美：無論是從變換器層麵來看（一個晶閘管整流器或晶體管斬波器就足矣），還是從控製層麵來看，直流電機在調速控製和實現方麵均具有卓越的性能。實際上，對直流電機而言，“電磁轉矩”與“電樞電流”成正比，因此，用一個簡單的“電流環”對轉矩進行調節，然後再通過一個“速度環”就可完全實現電子化的“轉速調節器”（參見J�盤�盚antier撰寫的參考文獻［LOU 04b］第1章當中的相關內容）。直流電機最大的缺點是其固有的“機械換嚮器”，通過精準設計安裝的機械換嚮元件來實現控製層麵的簡化。然而，機械換嚮器在結構上較為脆弱，並且在潮濕或沙塵環境下容易齣現故障。此外，由於電樞電流環繞電機轉子運行，這就給散熱帶來較大的睏難。上述因素限製瞭直流電機容量與性能的進一步提升，因為直流電機的電流和與其相對應的淨轉矩無法達到較高的數值。 　　電力電子器件技術的發展以及逆變器應用範圍的拓展使交流電機的驅動變得像直流電機一樣簡單。然而，交流電機控製存在的一個問題是,必須獲得轉子的位置角信息，這就需要安裝機械式位置傳感器（或者是通過其他方法與手段獲得轉子位置角），由轉子位置角信息可通過“自同步控製係統”實現所謂的“電子換嚮”功能。 　　本書是交流電機係列圖書中的一本，鑒於同步電機在交流電機當中具有相當重要的地位，本書重點討論同步電機的控製問題。長久以來，使用最為廣泛的同步電機是交流同步電機，例如交流同步發電機。然而，其主要是運行在電動機模式，即便是在瞬態過程中也是如此，由電動機運行模式過渡到發電機運行模式。如果交流電源的頻率固定，那麼同步電機就隻能以恒定的轉速運行。電力電子器件的發展徹底改變瞭這種形勢。晶閘管橋式電路（以“綫性換嚮逆變器”模式運行）的齣現催生瞭早期的自控式同步電機，其主要應用於大功率場閤，例如軋機組，或者是用於機車牽引（最早齣現的法國高速列車即是如此）。針對“強迫換嚮”逆變器的電力電子器件的發展（例如，晶體管、GTO晶閘管）促進瞭變頻供電交流電機日益獲得廣泛應用。最後，微處理器的大量湧現使得交流電機的控製功能變得更為強大，這得益於專業而復雜的控製算法的研究，這些控製算法藉助微處理器可以高速運行，從而實現瞭交流電機的實時控製。 　　　　最早用於電動機領域的交流電機是交流同步電動機，通常由永磁體實現勵磁。位置角傳感器（或類似的功能實現）用於實現電機的自控同步運行。自控式同步電動機的運行性能可以與直流電動機相媲美，甚或是達到兩者完全相同，因為其電磁轉矩實際上與某一電流成正比（即廣為熟知的“q軸”電流，見本書第3章）。與直流電機相比，交流電機有其自身特有的技術優勢。首先，交流電機的“電樞電流”圍繞定子運行，因此，交流電機的冷卻變得簡單易行，這使得交流電機的電流以及轉矩重量比相比直流電機可以高齣很多。其次，交流電機用“電子換嚮器”取代瞭“機械換嚮器”，這就避免瞭機械磨損和換嚮火花，極大地減少瞭由此帶來的結構性和安全性問題。交流電機的運行魯棒性變得極為優異。由此不難理解各器件生産商（包括電機製造、逆變器製造以及控製器製造）以富有競爭力的産品範圍拓展獲得瞭快速高效的發展。 　　　　綜上所述，這些已經獲得應用的同步電機可以有多種稱謂，包括“自控式同步電機”，或者是“電子換嚮式同步電機”，其工業命名通常是“無刷直流電機”，或者是“無換嚮器直流電機”。永磁同步電機的異軍突起有其發展必然性，本書多數章節對此都將予以闡述。高效永磁體製造成本的降低是永磁同步電機得以快速發展的首要原因。 　　然而，永磁同步電機的地位已經受到其他類型常規交流電機的挑戰，這主要是指感應電機。感應電機的轉子結構簡單、強度高，這自然而然就使得其與同步電機相比具有經濟優勢。關於異步電機與同步電機孰優孰劣的討論，在工業界一直較為盛行。一個不可迴避的事實卻是，感應電機在驅動控製應用方麵較為睏難。 　　為瞭使感應電機的性能接近於同步電機，在感應電機的驅動和控製等領域已經開展瞭大量的研究工作，主要體現在“矢量控製”方麵。相關書籍將在專著係列的框架下對這種類型的電機進行係統討論。這裏僅僅需要指齣的是，在鐵磁製造工業者的不懈努力下，永磁體製造成本的降低使得永磁電機相比感應電機更具經濟優勢，促進瞭同步電機的廣泛應用。 　　本書是ISTE-Wiley齣版社和Hermes-Lavoisier齣版社齣版的係列圖書中的一本。這個係列中的兩本書已經齣版發行。這兩本書主要闡述用於電機控製的建模問題(見參考文獻［LOU 04a, LOU 04b］)。另一本書闡述電機的參數辨識和狀態觀測問題（見參考文獻［FOR 10］）。參考文獻［HUS 09］當中的一捲給齣瞭電機控製的一般性方法，而參考文獻［LOR 03］則討論瞭相關的技術問題。電機控製與靜止變換器（此處指靜止逆變器）的控製密切相關，在過去，電機控製研究尤為關注逆變器控製理論與方法（通常也是極為復雜的）。如今，隨著技術實現的發展和進步，這兩者的研究活動不再顯得那麼緊密，特彆是當逆變器工作在強迫換嚮工作模式下且其控製采用脈寬調製（PWM）策略：參考文獻［MON 11］對此重點加以談論，主要集中在調製方法和電流控製這兩個方麵。 　　據此，本書內容的定位目標是“常規”同步電機的控製律。另一本書（即將齣版）則集中闡述“非常規”同步電機的控製律問題，非常規同步電機通常是常規同步電機的具體替代。常規同步電機由設定的具體假設條件進行定義，特彆是指能夠不受限製地使用“派剋變換”（

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