永磁無刷電機及其驅動技術

譯者序

前言

致謝

作者簡介

符號表

第一部分 永磁材料、永磁電機、逆變器及其控制的基本知識

第1章 永磁材料與永磁電機
1.1 永磁材料
1.1.1 退磁曲線
1.1.2 工作點和氣隙線
1.1.3 磁能積
1.1.4 永磁體存儲的能量
1.1.5 永磁體體積
1.1.6 外加磁場的影響
1.1.6.1 解析法
1.1.6.2 圖解法
1.2 永磁體的布置方式
1.3 永磁體的充磁方式
1.3.1 徑向和平行充磁
1.3.2 Halbach陣列
1.4 永磁交流電機
1.4.1 電機結構
1.4.2 永磁轉子結構
1.4.2.1 表貼式永磁同步電機
1.4.2.2 表面嵌入式永磁同步電機
1.4.2.3 內置式永磁同步電機
1.4.2.4 異步起動永磁同步電機
1.4.3 混合勵磁電機
1.4.3.1 磁通反向永磁同步電機
1.4.3.2 開關磁鏈電機
1.4.3.3 永磁開關磁阻電機或雙凸極永磁電機
1.4.4 集中繞組永磁同步電機
1.4.5 永磁同步電機的分類
1.5 同步電機的基本理論
1.5.1 工作原理
1.5.2 單匝線圈的磁動勢
1.5.3 正弦磁動勢分布
1.5.3.1 同心繞組
1.5.3.2 分布繞組
1.5.4 感應電動勢
1.5.4.1 繞組的分布因數
1.5.4.2 繞組的節距因數
1.5.4.3 繞組的斜槽因數
1.5.4.4 繞組因數
1.5.5 繞組形式
1.5.5.1 單層繞組
1.5.5.2 雙層繞組
1.5.6 旋轉磁場
1.5.6.1 正弦磁動勢分布
1.5.6.2 方波磁動勢分布
1.6 同步電機的基本關系
1.6.1 有效氣隙
1.6.2 永磁體對感應電動勢的作用
1.6.3 電磁功率和電磁轉矩
1.6.4 電磁轉矩的基本表達式
1.6.5 電機輸出方程
1.6.6 永磁體的面電流等效
1.6.7 定子電流閾值
1.6.8 電感
1.6.8.1 每相自感
1.6.8.2 勵磁電感
1.6.8.3 同步電感
1.6.8.4 直、交軸電感
1.6.9 定子勵磁對氣隙磁通密度的影響
1.7 鐵心損耗
1.7.1 定子鐵心損耗
1.7.2 渦流損耗
1.7.2.1 齒部渦流損耗
1.7.2.2 軛部渦流損耗
1.7.3 齒部和軛部的磁通密度幅值
1.7.4 磁滯損耗
1.7.5 電機中鐵心損耗的測量
1.8 電阻損耗
1.9 電機的初步設計
1.10 齒槽轉矩
1.10.1 齒槽轉矩成因及幅值
1.10.2 齒槽轉矩的基本理論
1.10.3 分析和計算
1.10.4 影響齒槽轉矩的因素
1.10.5 削弱方法
1.10.5.1 斜槽
1.10.5.2 改變永磁體寬度
1.10.5.3 改變槽寬
1.10.5.4 采用不同的極弧系數
1.10.5.5 齒頂開輔助槽
1.11 永磁同步電機基於磁通路徑的分類
1.12 振動與噪聲
參考文獻

第2章 逆變器及其控制導論
2.1 功率器件
2.1.1 功率器件與開關電源
2.1.1.1 電力二極管
2.1.1.2 MOSFET
2.1.1.3 絕緣柵雙極型晶體管
2.1.2 功率器件的開關
2.1.3 器件損耗
2.1.3.1 通態損耗
2.1.3.2 開關損耗
2.2 直流輸入電源
2.3 直流到交流的功率變換
2.3.1 單相半波逆變器
2.3.2 單相全波逆變器
2.3.3 三相逆變器
2.4 有功功率
2.5 無功功率
2.6 逆變器控制的必要性
2.7 脈沖寬度調制技術
2.8 滯環電流控制
2.9 空間矢量調制技術
2.9.1 逆變器的開關狀態
2.9.2 空間矢量調制的原理
2.9.3 空間矢量調制的實現
2.9.4 空間矢量調制的開關紋波
2.10 逆變器的開關延時
2.11 輸入功率因數校正電路
2.11.1 單相功率因數校正電路
2.11.2 三相功率因數校正電路
2.12 四象限運行
2.13 變換器的要求
參考文獻

第二部分 永磁同步電機及其控制

第3章 永磁同步電機的動態模型
3.1 兩相永磁同步電機的實時模型
3.2 靜止坐標系到轉子參考坐標系的變換
3.3 三相坐標系到兩相坐標系的變換
3.4 零序電感的推導
3.5 功率等效
3.6 電磁轉矩
3.7 穩態轉矩特性
3.8 磁鏈模型
3.9 等效電路
3.1 0歸一化模型
3.11 動態仿真
3.12 永磁同步電機的小信號方程
3.13 永磁同步電機的控制特性
3.14 時間響應的計算
3.15 空間相量模型
3.15.1 原理
3.15.2 模型的推導
參考文獻

第4章 永磁同步電機的控制策略
4.1 矢量控制
4.2 矢量控制的推導
4.2.1 電磁轉矩
4.2.2 定子參考坐標系下d軸與q軸電流
4.2.3 共磁鏈
4.2.4 轉矩角在電機運行中的作用
4.2.5 關鍵的結論
4.3 驅動系統原理圖
4.3.1 轉矩控制型驅動系統
4.3.2 轉矩控制型驅動系統的仿真及結果
4.3.3 速度控制型驅動系統
4.3.3.1 共磁鏈的控制原則
4.3.3.2 弱磁區域的轉矩控制原則
4.3.4 速度控制型驅動系統的仿真及結果
4.4 控制策略
4.4.1 恆轉矩角（δ=90°）控制
4.4.2 單位功率因數控制
4.4.3 恆共磁鏈控制
4.4.4 氣隙磁通與電流相量角控制
4.4.5 單位電流最優轉矩控制
4.4.6 恆功率損耗控制
4.4.7 最大效率控制
參考文獻

第5章 弱磁控制
5.1 最大轉速
5.2 弱磁算法
5.2.1 間接控制策略
5.2.2 恆轉矩模式控制器
5.2.3 弱磁控制器
5.2.4 系統性能
5.3 直接弱磁
5.3.1 最大容許轉矩限制
5.3.2 轉速控制方案
5.3.3 實施策略
5.3.4 系統性能
5.4 參數敏感性
5.4.1 定子繞組電阻變化
5.4.2 轉子磁鏈變化
5.4.3 q軸電感變化
5.5 無模型（參數不敏感）弱磁方法
5.6 永磁同步電機的六步電壓和恆反電動勢控制策略
5.6.1 恆反電動勢控制策略
5.6.1.1 基本原理
5.6.1.2 弱磁區域內的最大電流
5.6.1.3 運行邊界
5.6.1.4 弱磁區域內的最大轉速
5.6.2 六步電壓控制策略
5.6.2.1 基本原理分析
5.6.2.2 SSV模式下的穩態電流
5.6.2.3 SSV控制策略的運行邊界
5.6.2.4 比較
5.7 直接穩態評價
5.7.1 輸入電壓
5.7.2 狀態空間形式的電機方程
5.7.3 邊界匹配條件及方程解
5.7.4 MATLAB程序
5.8 表面式與內置式永磁同步電機的弱磁控制
參考文獻

第6章 電流和轉速控制器的設計
6.1 電流控制器
6.1.1 基於轉子參考坐標系的電流控制器
6.1.2 基於定子參考坐標系的電流控制器
6.1.3 最小拍電流控制器
6.1.3.1 最小拍控制器
6.1.3.2 最小拍預測控制器
6.1.3.3 改進的最小拍預測控制器
6.2 轉速控制器
6.2.1 原理框圖的推導
6.2.2 簡化的電流環傳遞函數
6.2.3 轉速控制器
參考文獻

第7章 參數敏感性及補償
7.1 引言
7.1.1 轉矩與其參考值之比
7.1.2 共磁鏈與其參考值之比
7.2 基於電磁功率反饋控制的參數補償
7.2.1 補償算法
7.2.2 性能仿真
7.3 基於無功功率反饋控制的參數補償
7.3.1 無功功率反饋補償策略的原理
7.3.2 驅動器的原理
7.3.3 仿真結果
7.3.4 與電磁功率反饋控制的比較
參考文獻

第8章 轉子位置估算及無位置傳感器控制
8.1 電流模型自適應策略
8.2 外加信號注入法
8.2.1 旋轉電壓相量注入策略
8.2.2 在旋轉的q軸上注入磁鏈
8.2.2.1 算法
8.2.2.2 解調
8.2.2.3 觀測器
8.2.2.4 實施
8.2.2.5 策略的優缺點
8.2.3 交流電壓相量注入法
8.2.3.1 無傳感器算法
8.2.3.2 實施
8.3 基於電流模型的注入策略
8.4 基於PWM載波成分的位置估算
8.4.1 諧波電壓和電流矢量
8.4.2 轉子位置估算
8.4.3 性能
參考文獻

第三部分 永磁無刷直流電機及其控制

第9章 永磁無刷直流電機
9.1 永磁無刷直流電機的數學模型
9.2 歸一化的系統方程
9.3 永磁無刷直流電機驅動系統框圖
9.4 動態模擬
參考文獻

第10章 換相轉矩脈動和相位超前
10.1 換相轉矩脈動
10.2 相位超前
10.3 動態模型
參考文獻

第11章 永磁無刷直流電機的半波驅動
11.1 分裂式電源變換器拓撲結構
11.1.1 永磁無刷直流電機在分裂式電源變換器下的運行
11.1.2 變換器的工作模式
11.1.3 采用分裂式電源變換器拓撲的永磁無刷直流電機驅動器的優缺點
11.1.4 永磁無刷直流電機的設計要點
11.1.5 電機電感對動態性能的影響
11.1.6 繞組連接
11.1.7 驅動系統描述
11.1.8 永磁無刷直流電機驅動系統的建模、仿真和分析
11.1.8.1 永磁無刷直流電機在不同變換器模式下的建模
11.1.8.2 轉速控制器的建模
11.1.8.3 控制電路
11.1.8.4 電流環的建模
11.1.8.5 仿真與分析
11.1.8.6 電流換相角
11.1.8.7 半橋整流和全橋整流永磁無刷直流電機驅動器的比較
11.2 C-dump變換器拓撲結構
11.2.1 基於C-dump變換器的永磁無刷直流電機驅動系統的運行原理
11.2.1.1 電動運行
11.2.1.2 再生制動運行
11.2.2 C-dump變換器的永磁無刷直流電機驅動系統分析
11.2.2.1 最大轉速
11.2.2.2 反向峰值電流
11.2.2.3 儲能電容
11.2.2.4 能量釋放斬波器
11.2.3 與基於全波逆變器控制的永磁無刷直流電機驅動系統的比較
11.2.4 建模、仿真及動態性能
11.2.4.1 建模
11.2.4.2 系統性能
11.3 可變直流母線變換器拓撲結構
11.3.1 工作原理
11.3.2 電動運行
11.3.3 系統性能
11.3.3.1 轉矩驅動器特性
11.3.3.2 速度控制型驅動器性能
11.3.4 優缺點
11.4 前端buck-boost可變電壓變換器拓撲結構
11.4.1 變換器電路
11.4.2 永磁無刷直流電機驅動系統的運行模式和建模
11.4.3 優缺點
11.4.4 與全橋逆變驅動的比較
11.4.5 前端buck-boost電路電感和輸出電容的設計
11.4.6 控制策略及性能
11.4.6.1 策略Ⅰ——電壓開環控制
11.4.6.2 策略Ⅱ——電壓閉環控制
11.4.6.3 策略Ⅲ——直接相電流控制
參考文獻

第12章 電流和轉速控制器的設計
12.1 電機和負載的傳遞函數
12.2 逆變器的傳遞函數
12.3 電流和轉速控制器的傳遞函數
12.4 電流反饋
12.5 轉速反饋
12.6 控制器的設計
12.6.1 電流控制器
12.6.2 電流內環的一階近似
12.6.3 轉速控制器
參考文獻

第13章 永磁無刷直流電機驅動的無傳感器控制
13.1 電流檢測
13.2 位置估計
參考文獻

第14章 特殊問題
14.1 轉矩平滑
14.2 永磁無刷直流電機驅動的參數敏感性
14.3 故障和診斷
14.4 振動和噪聲
參考文獻