永磁同步電動機直接轉矩控制系統

國家自然科學基金資助項目 台達電力電子科教發展計畫資助項目

內容簡介

永磁同步電動機直接轉矩控制（DTC）技術是20世紀90年代發展起來的一項重要電機調速技術，本書詳細介紹了作者在三類永磁同步電動機（正弦波永磁同步電動機、無刷直流電動機、永磁容錯電動機）直接轉矩控制技術方面所作的研究成果。本書建立了正弦波永磁同步電動機DTC系統的理論構架；澄清了無刷直流電動機、永磁容錯電動機DTC系統中的一些模糊概念，初步理順了它們的DTC技術研究思路，為建立它們的DTC理論構架打下了可靠的基礎。永磁同步電動機DTC技術可廣泛套用於永磁同步電動機的調速系統和新能源技術中，如電動汽車、電氣列車、城市軌道交通列車（捷運、輕軌）等的驅動系統和工業伺服系統、各類調速系統、風力發電系統等重要產品中。該書中有作者從大量仿真和實驗中獲得的數據和波形，可供有關研究人員參考。本書可供電機調速、伺服系統、電動汽車、歸到交通和風力發電等領域的研究所、企業、高等院校的研究開發人員閱讀，也可供高等院校電機控制、電力電子與電力傳動及其相關專業的師生閱讀。

目錄

前言
緒言1
第1章 永磁同步電動機數學模型8
1.1 永磁同步電動機介紹8
1.2 正弦波永磁同步電動機數學模型10
1.2.1 常用坐標系和坐標變換10
1.2.2 不同坐標系下的正弦波永磁同步電動機模型12
1.3 無刷直流電動機數學模型15
第2章 正弦波永磁同步電動機DTC理論初探和對其的質疑16
2.1 異步電動機DTC系統關鍵思想的歸納16
2.2 正弦波永磁同步電動機DTC系統初探18
2.2.1 定義“負載角”，以代替異步電動機中的“轉差”物理量19
2.2.2 正弦波永磁同步電動機電磁轉矩Te的微分表達式20
2.2.3 1996年提出的正弦波永磁同步電動機直接轉矩控制系統23
2.3 對1996年正弦波永磁同步電動機DTC方案的質疑25
2.4 本章小結27
第3章 零矢量在正弦波永磁同步電動機DTC系統中所起的作用28
3.1 空間電壓矢量us作用後電磁轉矩變化的分析28
3.1.1 正弦波永磁同步電動機數學模型28
3.1.2 空間電壓矢量us作用後轉矩變化的規律及其分類29
3.2 兩種DTC系統中轉矩變化規律的比較32
3.2.1 異步電動機DTC系統中轉矩的變化32
3.2.2 零矢量在兩類電動機中作用的異同34
3.3 正弦波永磁同步電動機DTC系統中套用零矢量的方案42
3.3.1 探討1996年方案中使用零矢量遭失敗的原因42
3.3.2 套用零矢量的新方案43
3.4 零矢量改善系統轉矩脈動的仿真和實驗驗證47
3.4.1 仿真分析47
3.4.2 實驗驗證47
3.5 本章小結48
第4章 正弦波永磁同步電動機直接轉矩控制理論的建立50
4.1 正弦波永磁同步電動機DTC系統的理論構架50
4.1.1 正弦波永磁同步電動機矢量控制理論的構架51
4.1.2 正弦波永磁同步電動機DTC系統的“基本原型機”和其理論構架52
4.2 正弦波永磁同步電動機DTC系統第一層構架理論的建立53
4.2.1 理論基礎53
4.2.2 定子磁鏈幅值的限制57
4.3 正弦波永磁同步電動機第一層構架理論的實現59
4.4 仿真分析61
4.4.1 不同負載轉矩下磁鏈軌跡仿真62
4.4.2 不同轉速下的仿真63
4.4.3 動態性能仿真65
4.5 實驗研究66
4.5.1 不同負載轉矩下磁鏈軌跡的實驗66
4.5.2 不同轉速下轉矩脈動的實驗67
4.5.3 動態性能實驗69
4.6 本章小結70
第5章 正弦波永磁同步電動機DTC的isd=0控制方案71
5.1 隱極式永磁同步電動機DTC系統isd=0控制方式的理論71
5.1.1 隱極式永磁同步電動機DTC系統isd=0控制理論的建立72
5.1.2 isd=0控制方式和1996年控制方案在控制特點方面的比較74
5.2 隱極式正弦波永磁同步電動機DTC系統的準isd=0控制方式75
5.3 準isd=0直接轉矩控制方案的穩態特性仿真76
5.4 準isd=0直接轉矩控制方案的動態特性仿真78
5.5 實驗驗證80
5.6 凸極式永磁同步電動機的isd=0控制方式82
5.7 本章小結83
第6章 正弦波永磁同步電動機DTC的最大轉矩電流比控制84
6.1 隱極式永磁同步電動機DTC系統的最大轉矩電流比控制84
6.1.1 最大轉矩電流比控制的理論基礎84
6.1.2 最大轉矩電流比控制系統的電動機功率因數分析86
6.1.3 仿真分析86
6.1.4 實驗研究90
6.2 凸極式永磁同步電動機DTC系統的最大轉矩電流比控制94
6.3 本章小結96
第7章 正弦波永磁同步電動機DTC的定子磁鏈幅值恆值控制策略98
7.1 實際系統的實際運行條件和研究方法99
7.1.1 實際系統的實際運行條件99
7.1.2 本章對實際系統的研究方法101
7.2 “預測控制系統”的仿真研究101
7.2.1 “預測控制系統”仿真模型的建立101
7.2.2 穩態運行時電磁轉矩給定 波形的形狀103
7.2.3 零矢量作用範圍2Te的設定對減小電磁轉矩脈動的效果104
7.2.4 零矢量作用範圍2Te大小對電磁轉矩脈動影響的規律105
7.2.5 零矢量作用範圍2Te大小對電動機起動時間影響的規律107
7.3 實驗驗證109
7.3.1 零矢量作用範圍2Te的大小對轉矩脈動影響規律的實驗驗證109
7.3.2 零矢量作用範圍對電機起動時間影響規律的實驗驗證111
7.4 預測控制系統中電動機電磁轉矩脈動的原因及其對策112
7.4.1 “斷續脈動式的空間電壓矢量”是電動機轉矩脈動的主要原因113
7.4.2 “預測控制系統”帶來的脈動也很可觀114
7.4.3 “電磁轉矩給定 的波動”加劇了電動機的轉矩脈動115
7.4.4 減少正弦波永磁同步電動機DTC預測控制系統電磁轉矩脈動的對策115
7.5 定量設計轉矩調節器的理論基礎117
7.5.1 實驗樣機運行規律的啟示118
7.5.2 “斷續脈動式的空間電壓矢量”對轉矩脈動的影響規律119
7.5.3 “電磁轉矩給定 的波動”對最優2Te寬度的影響122
7.5.4 零矢量作用範圍2Te最優取值的實驗驗證125
7.5.5 定量設計轉矩調節器基本理論的總結127
7.6 轉矩調節器的定量設計128
7.6.1 實際工程中最佳零矢量作用範圍2Te的實時確定方法128
7.6.2 一種簡易的零矢量作用範圍2Te確定方法129
7.6.3 零矢量作用範圍2Te的現場實驗確定法130
7.7 本章小結130
第8章 兩相導通方式無刷直流電動機的DTC雙環控制系統132
8.1 無刷直流電動機傳統的基本控制方法133
8.2 忽略換相續流時間135
8.3 無刷直流電動機兩相導通方式的數學模型136
8.3.1 無刷直流電動機的電壓方程式136
8.3.2 無刷直流電動機的轉矩方程式137
8.4 無刷直流電動機DTC的理論基礎138
8.4.1 無刷直流電動機DTC技術的特殊性138
8.4.2 兩相導通無刷直流電動機中電壓矢量的特點140
8.4.3 定子磁鏈給定幅值 的確定和定子磁鏈實時觀察150
8.4.4 電磁轉矩給定 和電磁轉矩Te實時觀察154
8.5 基於反電動勢形狀函式法的無刷直流電動機DTC系統構成156
8.6 仿真及實驗結果159
8.6.1 仿真模型建立及仿真結果159
8.6.2 實驗結果及其分析161
8.7 本章小結163
第9章 三相導通無刷直流電動機的直接轉矩控制165
9.1 三相導通無刷直流電動機DTC的理論基礎166
9.1.1 三相導通控制方式下的空間電壓矢量us166
9.1.2 三相導通無刷直流電動機DTC方案中的定子磁鏈形狀166
9.1.3 給定定子磁鏈幅值 的確定167
9.1.4 定子磁鏈觀測和與磁鏈給定值 的比較169
9.1.5 電磁轉矩給定 和電磁轉矩Te觀測170
9.2 對第一條技術路線的評價171
9.3 無約束的三相導通無刷直流電動機DTC系統的構成171
9.3.1 無約束的三相導通無刷直流電動機DTC方式中的換相觸發信號172
9.3.2 無約束的三相導通無刷直流電動機DTC系統的構成173
9.4 仿真和實驗176
9.4.1 仿真波形177
9.4.2 實驗波形及分析178
9.5 低速性能改進180
9.5.1 六邊形軌跡畸變現象181
9.5.2 磁鏈補償方案的基本思想181
9.5.3 磁鏈補償方案的實現182
9.5.4 實驗結果183
9.6 本章小結184
第10章 基於動態三維坐標系的無刷直流電動機DTC系統186
10.1 新的思路186
10.2 三維動態空間正交坐標系187
10.2.1 三維動態空間正交坐標系中的空間電壓矢量us187
10.2.2 三維動態空間正交坐標系中的定子磁鏈空間矢量189
10.3 三維動態空間正交坐標系中的直接轉矩控制190
10.3.1 xy平面中的控制技術路線190
10.3.2 xy平面中的磁鏈觀測與轉矩觀測191
10.3.3 基於動態三維坐標系的無刷直流電動機DTC系統開關表的建立192
10.3.4 系統構成193
10.4 仿真與實驗194
10.5 本章小結196
第11章 單環無刷直流電動機直接轉矩控制系統197
11.1 無刷直流電動機DTC系統不必控制定子磁鏈幅值的估計197
11.2 兩相導通無刷直流電動機DTC系統理論的進一步研究199
11.2.1 電磁轉矩快速回響的條件199
11.2.2 最優空間電壓矢量的選擇200
11.2.3 電動機轉矩給定 和實時轉矩觀察Te202
11.2.4 無磁鏈觀測條件下電流的限制202
11.3 無磁鏈觀測DTC的實現203
11.4 仿真模型的建立及其仿真結果分析204
11.4.1 仿真模型的建立204
11.4.2 仿真結果及其分析205
11.5 實驗研究206
11.6 對無刷直流電動機DTC系統初步研究的歸納和評價207
第12章 永磁容錯電動機特點及空間電壓矢量209
12.1 電動機容錯技術簡介209
12.2 永磁同步電動機的容錯系統209
12.2.1 六相永磁容錯電動機的結構及其特點210
12.2.2 H橋式逆變器組成的驅動器212
12.2.3 永磁容錯電動機的控制方法212
12.3 六相永磁容錯電動機系統的數學模型213
12.3.1 六相永磁容錯電動機中的一些新概念213
12.3.2 六相永磁容錯電動機的常用坐標系和6/2坐標變換216
12.3.3 六相永磁容錯電動機數學模型的建立217
12.4 六相永磁容錯電動機系統的空間電壓矢量219
12.4.1 相空間電壓矢量Vj組合中的抵消現象219
12.4.2 總空間電壓矢量un的異構性現象220
12.4.3 六相永磁容錯電動機中總空間電壓矢量數據的歸納222
12.5 本章小結231
第13章 永磁容錯電動機直接轉矩控制的初步研究233
13.1 六相永磁容錯電動機直接轉矩控制系統的構建233
13.1.1 六相永磁容錯電動機DTC系統總定子磁鏈s的計算234
13.1.2 關於總空間電壓矢量的選擇235
13.1.3 永磁容錯電動機的直接轉矩控制框圖236
13.2 永磁容錯電動機DTC系統正常態仿真研究238
13.2.1 仿真模型的搭建238
13.2.2 仿真結果239
13.2.3 仿真總結和分析247
13.3 永磁容錯電動機直接轉矩控制故障態仿真研究248
13.4 永磁容錯電動機系統實驗驗證253
13.4.1 實驗條件253
13.4.2 一相（d相）繞組斷路故障的實驗驗證254
13.4.3 一相（d相）繞組短路故障的實驗驗證255
13.5 本章小結257
第14章 永磁容錯電動機的相空間電壓矢量調製技術258
14.1 三相永磁同步電動機DTC系統的SVPWM控制策略簡介259
14.1.1 正弦波三相永磁同步電動機DTC方案的兩條技術路線259
14.1.2 正弦波三相永磁同步電動機DTC系統乓乓控制策略的控制要點260
14.1.3 正弦波三相永磁同步電動機DTC系統SVPWM控制策略的控制要點261
14.2 永磁容錯電動機DTC系統相空間電壓矢量控制策略理論基礎264
14.2.1 六相永磁容錯電動機DTC系統相定子磁鏈變化量sj的計算265
14.2.2 正常情況下相定子磁鏈變化量sj的實現265
14.2.3 六相永磁容錯電動機DTC系統控制策略的控制要點267
14.2.4 永磁同步電動機DTC系統三種控制策略的比較268
14.3 六相永磁容錯電動機P-SVPWM-DTC系統的正常態運行269
14.3.1 六相永磁容錯電動機DTC系統P-SVPWM控制策略的控制結構框圖270
14.3.2 六相永磁容錯電動機DTC系統P-SVPWM控制策略的實驗驗證270
14.4 六相永磁容錯電動機P-SVPWM-DTC系統的故障態運行272
14.4.1 永磁容錯電動機P-SVPWM系統的容錯算法272
14.4.2 永磁容錯電動機P-SVPWM系統的仿真研究276
14.4.3 永磁容錯電動機P-SVPWM系統的實驗驗證278
14.5 本章小結281
第15章 從辯證法來看直接轉矩控制技術的發展282
15.1 電機控制的主要矛盾是對電磁轉矩的控制282
15.2 從矛盾的特殊性看各類電機電磁轉矩的差異283
15.2.1 異步電機電磁轉矩的特點283
15.2.2 正弦波永磁同步電動機電磁轉矩的特點284
15.2.3 無刷直流電動機電磁轉矩的特點285
15.2.4 多相永磁容錯電動機電磁轉矩的特點287
15.3 從控制轉矩方案的多樣性來認識DTC技術的多姿多彩的面貌287
15.3.1 “具體問題具體分析”是辯證法的活的靈魂287
15.3.2 階段性地再認識DTC技術288
15.4 矢量控制和直接轉矩控制的關係290
15.4.1 直接轉矩控制技術不是矢量控制技術290
15.4.2 矢量控制實際上是轉矩控制的一個分支291
15.4.3 矢量控制和直接轉矩控制關係的一個小結293
15.5 電機控制技術發展的前景295
15.5.1 直接轉矩控制技術發展的前景295
15.5.2 讓我們迎接新的電機控制技術的誕生296
15.5.3 新技術都應該在實踐中經風雨見世面才能得到發展296
附錄298
參考文獻303