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第一部分 永磁材料、永磁电机、逆变器及其控制的基本知识 2

第1章 永磁材料与永磁电机 2

1.1 永磁材料 2

1.1.1 退磁曲线 3

1.1.2 工作点和气隙线 5

1.1.3 磁能积 7

1.1.4 永磁体存储的能量 8

1.1.5 永磁体体积 9

1.1.6 外加磁场的影响 9

1.1.6.1 解析法 10

1.1.6.2 图解法 12

1.2 永磁体的布置方式 16

1.3 永磁体的充磁方式 17

1.3.1 径向和平行充磁 17

1.3.2 Halbach阵列 18

1.4 永磁交流电机 23

1.4.1 电机结构 23

1.4.2 永磁转子结构 25

1.4.2.1 表贴式永磁同步电机 25

1.4.2.2 表面嵌入式永磁同步电机 26

1.4.2.3 内置式永磁同步电机 26

1.4.2.4 异步起动永磁同步电机 28

1.4.3 混合励磁电机 29

1.4.3.1 磁通反向永磁同步电机 30

1.4.3.2 开关磁链电机 32

1.4.3.3 永磁开关磁阻电机或双凸极永磁电机 33

1.4.4 集中绕组永磁同步电机 35

1.4.5 永磁同步电机的分类 36

1.5 同步电机的基本理论 39

1.5.1 工作原理 39

1.5.2 单匝线圈的磁动势 39

1.5.3 正弦磁动势分布 40

1.5.3.1 同心绕组 40

1.5.3.2 分布绕组 41

1.5.4 感应电动势 42

1.5.4.1 绕组的分布因数 44

1.5.4.2 绕组的节距因数 45

1.5.4.3 绕组的斜槽因数 47

1.5.4.4 绕组因数 48

1.5.5 绕组形式 48

1.5.5.1 单层绕组 48

1.5.5.2 双层绕组 49

1.5.6 旋转磁场 50

1.5.6.1 正弦磁动势分布 51

1.5.6.2 方波磁动势分布 54

1.6 同步电机的基本关系 54

1.6.1 有效气隙 55

1.6.2 永磁体对感应电动势的作用 56

1.6.3 电磁功率和电磁转矩 57

1.6.4 电磁转矩的基本表达式 58

1.6.5 电机输出方程 59

1.6.6 永磁体的面电流等效 61

1.6.7 定子电流阈值 62

1.6.8 电感 63

1.6.8.1 每相自感 65

1.6.8.2 励磁电感 65

1.6.8.3 同步电感 66

1.6.8.4 直、交轴电感 66

1.6.9 定子励磁对气隙磁通密度的影响 67

1.7 铁心损耗 69

1.7.1 定子铁心损耗 69

1.7.2 涡流损耗 71

1.7.2.1 齿部涡流损耗 72

1.7.2.2 轭部涡流损耗 74

1.7.3 齿部和轭部的磁通密度幅值 75

1.7.4 磁滞损耗 76

1.7.5 电机中铁心损耗的测量 77

1.8 电阻损耗 78

1.9 电机的初步设计 79

1.10 齿槽转矩 80

1.10.1 齿槽转矩成因及幅值 80

1.10.2 齿槽转矩的基本理论 81

1.10.3 分析和计算 83

1.10.4 影响齿槽转矩的因素 83

1.10.5 削弱方法 84

1.10.5.1 斜槽 84

1.10.5.2 改变永磁体宽度 86

1.10.5.3 改变槽宽 86

1.10.5.4 采用不同的极弧系数 86

1.10.5.5 齿顶开辅助槽 86

1.11 永磁同步电机基于磁通路径的分类 87

1.12 振动与噪声 93

参考文献 94

第2章 逆变器及其控制导论 105

2.1 功率器件 106

2.1.1 功率器件与开关电源 106

2.1.1.1 电力二极管 106

2.1.1.2 MOSFET 107

2.1.1.3 绝缘栅双极型晶体管 108

2.1.2 功率器件的开关 109

2.1.3 器件损耗 111

2.1.3.1 通态损耗 111

2.1.3.2 开关损耗 112

2.2 直流输入电源 114

2.3 直流到交流的功率变换 118

2.3.1 单相半波逆变器 119

2.3.2 单相全波逆变器 121

2.3.3 三相逆变器 123

2.4 有功功率 127

2.5 无功功率 127

2.6 逆变器控制的必要性 128

2.7 脉冲宽度调制技术 129

2.8 滞环电流控制 137

2.9 空间矢量调制技术 140

2.9.1 逆变器的开关状态 141

2.9.2 空间矢量调制的原理 142

2.9.3 空间矢量调制的实现 150

2.9.4 空间矢量调制的开关纹波 151

2.10 逆变器的开关延时 157

2.11 输入功率因数校正电路 167

2.11.1 单相功率因数校正电路 167

2.11.2 三相功率因数校正电路 168

2.12 四象限运行 170

2.13 变换器的要求 172

参考文献 173

第二部分 永磁同步电机及其控制 182

第3章 永磁同步电机的动态模型 182

3.1 两相永磁同步电机的实时模型 183

3.2 静止坐标系到转子参考坐标系的变换 187

3.3 三相坐标系到两相坐标系的变换 191

3.4 零序电感的推导 193

3.5 功率等效 194

3.6 电磁转矩 195

3.7 稳态转矩特性 196

3.8 磁链模型 202

3.9 等效电路 203

3.10 归一化模型 205

3.11 动态仿真 207

3.12 永磁同步电机的小信号方程 213

3.13 永磁同步电机的控制特性 214

3.14 时间响应的计算 216

3.15 空间相量模型 219

3.15.1 原理 219

3.15.2 模型的推导 220

参考文献 225

第4章 永磁同步电机的控制策略 227

4.1 矢量控制 227

4.2 矢量控制的推导 228

4.2.1 电磁转矩 229

4.2.2 定子参考坐标系下d轴与q轴电流 230

4.2.3 共磁链 230

4.2.4 转矩角在电机运行中的作用 231

4.2.5 关键的结论 231

4.3 驱动系统原理图 231

4.3.1 转矩控制型驱动系统 231

4.3.2 转矩控制型驱动系统的仿真及结果 234

4.3.3 速度控制型驱动系统 239

4.3.3.1 共磁链的控制原则 241

4.3.3.2 弱磁区域的转矩控制原则 241

4.3.4 速度控制型驱动系统的仿真及结果 242

4.4 控制策略 250

4.4.1 恒转矩角（δ＝90°）控制 251

4.4.2 单位功率因数控制 254

4.4.3 恒共磁链控制 256

4.4.4 气隙磁通与电流相量角控制 258

4.4.5 单位电流最优转矩控制 261

4.4.6 恒功率损耗控制 264

4.4.7 最大效率控制 268

参考文献 270

第5章 弱磁控制 273

5.1 最大转速 274

5.2 弱磁算法 275

5.2.1 间接控制策略 276

5.2.2 恒转矩模式控制器 277

5.2.3 弱磁控制器 279

5.2.4 系统性能 279

5.3 直接弱磁 283

5.3.1 最大容许转矩限制 284

5.3.2 转速控制方案 285

5.3.3 实施策略 285

5.3.4 系统性能 287

5.4 参数敏感性 288

5.4.1 定子绕组电阻变化 288

5.4.2 转子磁链变化 289

5.4.3 q轴电感变化 289

5.5 无模型（参数不敏感）弱磁方法 290

5.6 永磁同步电机的六步电压和恒反电动势控制策略 291

5.6.1 恒反电动势控制策略 292

5.6.1.1 基本原理 293

5.6.1.2 弱磁区域内的最大电流 293

5.6.1.3 运行边界 294

5.6.1.4 弱磁区域内的最大转速 294

5.6.2 六步电压控制策略 294

5.6.2.1 基本原理分析 295

5.6.2.2 SSV模式下的稳态电流 296

5.6.2.3 SSV控制策略的运行边界 296

5.6.2.4 比较 297

5.7 直接稳态评价 298

5.7.1 输入电压 299

5.7.2 状态空间形式的电机方程 301

5.7.3 边界匹配条件及方程解 302

5.7.4 MATLAB程序 304

5.8 表面式与内置式永磁同步电机的弱磁控制 306

参考文献 311

第6章 电流和转速控制器的设计 314

6.1 电流控制器 314

6.1.1 基于转子参考坐标系的电流控制器 316

6.1.2 基于定子参考坐标系的电流控制器 316

6.1.3 最小拍电流控制器 318

6.1.3.1 最小拍控制器 318

6.1.3.2 最小拍预测控制器 320

6.1.3.3 改进的最小拍预测控制器 321

6.2 转速控制器 322

6.2.1 原理框图的推导 322

6.2.2 简化的电流环传递函数 324

6.2.3 转速控制器 325

参考文献 329

第7章 参数敏感性及补偿 332

7.1 引言 332

7.1.1 转矩与其参考值之比 332

7.1.2 共磁链与其参考值之比 333

7.2 基于电磁功率反馈控制的参数补偿 335

7.2.1 补偿算法 336

7.2.2 性能仿真 337

7.3 基于无功功率反馈控制的参数补偿 341

7.3.1 无功功率反馈补偿策略的原理 342

7.3.2 驱动器的原理 343

7.3.3 仿真结果 343

7.3.4 与电磁功率反馈控制的比较 346

参考文献 347

第8章 转子位置估算及无位置传感器控制 348

8.1 电流模型自适应策略 348

8.2 外加信号注入法 352

8.2.1 旋转电压相量注入策略 352

8.2.2 在旋转的q轴上注入磁链 354

8.2.2.1 算法 355

8.2.2.2 解调 358

8.2.2.3 观测器 359

8.2.2.4 实施 359

8.2.2.5 策略的优缺点 360

8.2.3 交流电压相量注入法 361

8.2.3.1 无传感器算法 362

8.2.3.2 实施 364

8.3 基于电流模型的注入策略 367

8.4 基于PWM载波成分的位置估算 367

8.4.1 谐波电压和电流矢量 368

8.4.2 转子位置估算 368

8.4.3 性能 368

参考文献 369

第三部分 永磁无刷直流电机及其控制 374

第9章 永磁无刷直流电机 374

9.1 永磁无刷直流电机的数学模型 374

9.2 归一化的系统方程 377

9.3 永磁无刷直流电机驱动系统框图 378

9.4 动态模拟 379

参考文献 391

第10章 换相转矩脉动和相位超前 394

10.1 换相转矩脉动 394

10.2 相位超前 398

10.3 动态模型 399

参考文献 410

第11章 永磁无刷直流电机的半波驱动 411

11.1 分裂式电源变换器拓扑结构 411

11.1.1 永磁无刷直流电机在分裂式电源变换器下的运行 412

11.1.2 变换器的工作模式 413

11.1.3 采用分裂式电源变换器拓扑的永磁无刷直流电机驱动器的优缺点 414

11.1.4 永磁无刷直流电机的设计要点 415

11.1.5 电机电感对动态性能的影响 417

11.1.6 绕组连接 418

11.1.7 驱动系统描述 418

11.1.8 永磁无刷直流电机驱动系统的建模、仿真和分析 418

11.1.8.1 永磁无刷直流电机在不同变换器模式下的建模 418

11.1.8.2 转速控制器的建模 419

11.1.8.3 控制电路 420

11.1.8.4 电流环的建模 421

11.1.8.5 仿真与分析 421

11.1.8.6 电流换相角 422

11.1.8.7 半桥整流和全桥整流永磁无刷直流电机驱动器的比较 423

11.2 C-dump变换器拓扑结构 424

11.2.1 基于C-dump变换器的永磁无刷直流电机驱动系统的运行原理 425

11.2.1.1 电动运行 425

11.2.1.2 再生制动运行 425

11.2.2 C-dump变换器的永磁无刷直流电机驱动系统分析 426

11.2.2.1 最大转速 426

11.2.2.2 反向峰值电流 427

11.2.2.3 储能电容 427

11.2.2.4 能量释放斩波器 427

11.2.3 与基于全波逆变器控制的永磁无刷直流电机驱动系统的比较 428

11.2.4 建模、仿真及动态性能 429

11.2.4.1 建模 429

11.2.4.2 系统性能 430

11.3 可变直流母线变换器拓扑结构 431

11.3.1 工作原理 431

11.3.2 电动运行 432

11.3.3 系统性能 433

11.3.3.1 转矩驱动器特性 433

11.3.3.2 速度控制型驱动器性能 434

11.3.4 优缺点 435

11.4 前端buck-boost可变电压变换器拓扑结构 436

11.4.1 变换器电路 436

11.4.2 永磁无刷直流电机驱动系统的运行模式和建模 437

11.4.3 优缺点 438

11.4.4 与全桥逆变驱动的比较 440

11.4.5 前端buck-boost电路电感和输出电容的设计 441

11.4.6 控制策略及性能 441

11.4.6.1 策略Ⅰ——电压开环控制 441

11.4.6.2 策略Ⅱ——电压闭环控制 443

11.4.6.3 策略Ⅲ——直接相电流控制 445

参考文献 446

第12章 电流和转速控制器的设计 447

12.1 电机和负载的传递函数 447

12.2 逆变器的传递函数 449

12.3 电流和转速控制器的传递函数 449

12.4 电流反馈 450

12.5 转速反馈 450

12.6 控制器的设计 450

12.6.1 电流控制器 450

12.6.2 电流内环的一阶近似 452

12.6.3 转速控制器 453

参考文献 456

第13章 永磁无刷直流电机驱动的无传感器控制 458

13.1 电流检测 458

13.2 位置估计 459

参考文献 461

第14章 特殊问题 463

14.1 转矩平滑 463

14.2 永磁无刷直流电机驱动的参数敏感性 463

14.3 故障和诊断 464

14.4 振动和噪声 464

参考文献 465