永磁同步电动机直接转矩控制系统

 永磁同步电动机直接转矩控制（DTC）技术是20世纪90年代发展起来的一项重要电机调速技术，本书详细介绍了作者在三类永磁同步电动机（正弦波永磁同步电动机、无刷直流电动机、永磁容错电动机）直接转矩控制技术方面所作的研究成果。本书建立了正弦波永磁同步电动机DTC系统的理论构架；澄清了无刷直流电动机、永磁容错电动机DTC系统中的一些模糊概念，初步理顺了它们的DTC技术研究思路，为建立它们的DTC理论构架打下了可靠的基础。永磁同步电动机DTC技术可广泛应用于永磁同步电动机的调速系统和新能源技术中，如电动汽车、电气列车、城市轨道交通列车（地铁、轻轨）等的驱动系统和工业伺服系统、各类调速系统、风力发电系统等重要产品中。该书中有作者从大量仿真和实验中获得的数据和波形，可供有关研究人员参考。本书可供电机调速、伺服系统、电动汽车、归到交通和风力发电等领域的研究所、企业、高等院校的研究开发人员阅读，也可供高等院校电机控制、电力电子与电力传动及其相关专业的师生阅读。 

前言
　　
　　绪言1
　　
　　第1章永磁同步电动机数学模型8
　　
　　1.1永磁同步电动机介绍8
　　
　　1.2正弦波永磁同步电动机数学模型10
　　
　　1.2.1常用坐标系和坐标变换10
　　
　　1.2.2不同坐标系下的正弦波永磁同步电动机模型12
　　
　　1.3无刷直流电动机数学模型15
　　
　　第2章正弦波永磁同步电动机DTC理论初探和对其的质疑16
　　
　　2.1异步电动机DTC系统关键思想的归纳16
　　
　　2.2正弦波永磁同步电动机DTC系统初探18
　　
　　2.2.1定义“负载角”，以代替异步电动机中的“转差”物理量19
　　
　　2.2.2正弦波永磁同步电动机电磁转矩Te的微分表达式20
　　
　　2.2.31996年提出的正弦波永磁同步电动机直接转矩控制系统23
　　
　　2.3对1996年正弦波永磁同步电动机DTC方案的质疑25
　　
　　2.4本章小结27
　　
　　第3章零矢量在正弦波永磁同步电动机DTC系统中所起的作用28
　　
　　3.1空间电压矢量us作用后电磁转矩变化的分析28
　　
　　3.1.1正弦波永磁同步电动机数学模型28
　　
　　3.1.2空间电压矢量us作用后转矩变化的规律及其分类29
　　
　　3.2两种DTC系统中转矩变化规律的比较32
　　
　　3.2.1异步电动机DTC系统中转矩的变化32
　　
　　3.2.2零矢量在两类电动机中作用的异同34
　　
　　3.3正弦波永磁同步电动机DTC系统中应用零矢量的方案42
　　
　　3.3.1探讨1996年方案中使用零矢量遭失败的原因42
　　
　　3.3.2应用零矢量的新方案43
　　
　　3.4零矢量改善系统转矩脉动的仿真和实验验证47
　　
　　3.4.1仿真分析47
　　
　　3.4.2实验验证47
　　
　　3.5本章小结48
　　
　　第4章正弦波永磁同步电动机直接转矩控制理论的建立50
　　
　　4.1正弦波永磁同步电动机DTC系统的理论构架50
　　
　　4.1.1正弦波永磁同步电动机矢量控制理论的构架51
　　
　　4.1.2正弦波永磁同步电动机DTC系统的“基本原型机”和其理论构架52
　　
　　4.2正弦波永磁同步电动机DTC系统第一层构架理论的建立53
　　
　　4.2.1理论基础53
　　
　　4.2.2定子磁链幅值的限制57
　　
　　4.3正弦波永磁同步电动机第一层构架理论的实现59
　　
　　4.4仿真分析61
　　
　　4.4.1不同负载转矩下磁链轨迹仿真62
　　
　　4.4.2不同转速下的仿真63
　　
　　4.4.3动态性能仿真65
　　
　　4.5实验研究66
　　
　　4.5.1不同负载转矩下磁链轨迹的实验66
　　
　　4.5.2不同转速下转矩脉动的实验67
　　
　　4.5.3动态性能实验69
　　
　　4.6本章小结70
　　
　　第5章正弦波永磁同步电动机DTC的isd=0控制方案71
　　
　　5.1隐极式永磁同步电动机DTC系统isd=0控制方式的理论71
　　
　　5.1.1隐极式永磁同步电动机DTC系统isd=0控制理论的建立72
　　
　　5.1.2isd=0控制方式和1996年控制方案在控制特点方面的比较74
　　
　　5.2隐极式正弦波永磁同步电动机DTC系统的准isd=0控制方式75
　　
　　5.3准isd=0直接转矩控制方案的稳态特性仿真76
　　
　　5.4准isd=0直接转矩控制方案的动态特性仿真78
　　
　　5.5实验验证80
　　
　　5.6凸极式永磁同步电动机的isd=0控制方式82
　　
　　5.7本章小结83
　　
　　第6章正弦波永磁同步电动机DTC的最大转矩电流比控制84
　　
　　6.1隐极式永磁同步电动机DTC系统的最大转矩电流比控制84
　　
　　6.1.1最大转矩电流比控制的理论基础84
　　
　　6.1.2最大转矩电流比控制系统的电动机功率因数分析86
　　
　　6.1.3仿真分析86
　　
　　6.1.4实验研究90
　　
　　6.2凸极式永磁同步电动机DTC系统的最大转矩电流比控制94
　　
　　6.3本章小结96
　　
　　第7章正弦波永磁同步电动机DTC的定子磁链幅值恒值控制策略98
　　
　　7.1实际系统的实际运行条件和研究方法99
　　
　　7.1.1实际系统的实际运行条件99
　　
　　7.1.2本章对实际系统的研究方法101
　　
　　7.2“预测控制系统”的仿真研究101
　　
　　7.2.1“预测控制系统”仿真模型的建立101
　　
　　7.2.2稳态运行时电磁转矩给定波形的形状103
　　
　　7.2.3零矢量作用范围2Te的设置对减小电磁转矩脉动的效果104
　　
　　7.2.4零矢量作用范围2Te大小对电磁转矩脉动影响的规律105
　　
　　7.2.5零矢量作用范围2Te大小对电动机起动时间影响的规律107
　　
　　7.3实验验证109
　　
　　7.3.1零矢量作用范围2Te的大小对转矩脉动影响规律的实验验证109
　　
　　7.3.2零矢量作用范围对电机起动时间影响规律的实验验证111
　　
　　7.4预测控制系统中电动机电磁转矩脉动的原因及其对策112
　　
　　7.4.1“断续脉动式的空间电压矢量”是电动机转矩脉动的主要原因113
　　
　　7.4.2“预测控制系统”带来的脉动也很可观114
　　
　　7.4.3“电磁转矩给定的波动”加剧了电动机的转矩脉动115
　　
　　7.4.4减少正弦波永磁同步电动机DTC预测控制系统电磁转矩脉动的对策115
　　
　　7.5定量设计转矩调节器的理论基础117
　　
　　7.5.1实验样机运行规律的启示118
　　
　　7.5.2“断续脉动式的空间电压矢量”对转矩脉动的影响规律119
　　
　　7.5.3“电磁转矩给定的波动”对最优2Te宽度的影响122
　　
　　7.5.4零矢量作用范围2Te最优取值的实验验证125
　　
　　7.5.5定量设计转矩调节器基本理论的总结127
　　
　　7.6转矩调节器的定量设计128
　　
　　7.6.1实际工程中最佳零矢量作用范围2Te的实时确定方法128
　　
　　7.6.2一种简易的零矢量作用范围2Te确定方法129
　　
　　7.6.3零矢量作用范围2Te的现场实验确定法130
　　
　　7.7本章小结130
　　
　　第8章两相导通方式无刷直流电动机的DTC双环控制系统132
　　
　　8.1无刷直流电动机传统的基本控制方法133
　　
　　8.2忽略换相续流时间135
　　
　　8.3无刷直流电动机两相导通方式的数学模型136
　　
　　8.3.1无刷直流电动机的电压方程式136
　　
　　8.3.2无刷直流电动机的转矩方程式137
　　
　　8.4无刷直流电动机DTC的理论基础138
　　
　　8.4.1无刷直流电动机DTC技术的特殊性138
　　
　　8.4.2两相导通无刷直流电动机中电压矢量的特点140
　　
　　8.4.3定子磁链给定幅值的确定和定子磁链实时观察150
　　
　　8.4.4电磁转矩给定和电磁转矩Te实时观察154
　　
　　8.5基于反电动势形状函数法的无刷直流电动机DTC系统构成156
　　
　　8.6仿真及实验结果159
　　
　　8.6.1仿真模型建立及仿真结果159
　　
　　8.6.2实验结果及其分析161
　　
　　8.7本章小结163
　　
　　第9章三相导通无刷直流电动机的直接转矩控制165
　　
　　9.1三相导通无刷直流电动机DTC的理论基础166
　　
　　9.1.1三相导通控制方式下的空间电压矢量us166
　　
　　9.1.2三相导通无刷直流电动机DTC方案中的定子磁链形状166
　　
　　9.1.3给定定子磁链幅值的确定167
　　
　　9.1.4定子磁链观测和与磁链给定值的比较169
　　
　　9.1.5电磁转矩给定和电磁转矩Te观测170
　　
　　9.2对第一条技术路线的评价171
　　
　　9.3无约束的三相导通无刷直流电动机DTC系统的构成171
　　
　　9.3.1无约束的三相导通无刷直流电动机DTC方式中的换相触发信号172
　　
　　9.3.2无约束的三相导通无刷直流电动机DTC系统的构成173
　　
　　9.4仿真和实验176
　　
　　9.4.1仿真波形177
　　
　　9.4.2实验波形及分析178
　　
　　9.5低速性能改进180
　　
　　9.5.1六边形轨迹畸变现象181
　　
　　9.5.2磁链补偿方案的基本思想181
　　
　　9.5.3磁链补偿方案的实现182
　　
　　9.5.4实验结果183
　　
　　9.6本章小结184
　　
　　第10章基于动态三维坐标系的无刷直流电动机DTC系统186
　　
　　10.1新的思路186
　　
　　10.2三维动态空间正交坐标系187
　　
　　10.2.1三维动态空间正交坐标系中的空间电压矢量us187
　　
　　10.2.2三维动态空间正交坐标系中的定子磁链空间矢量189
　　
　　10.3三维动态空间正交坐标系中的直接转矩控制190
　　
　　10.3.1xy平面中的控制技术路线190
　　
　　10.3.2xy平面中的磁链观测与转矩观测191
　　
　　10.3.3基于动态三维坐标系的无刷直流电动机DTC系统开关表的建立192
　　
　　10.3.4系统构成193
　　
　　10.4仿真与实验194
　　
　　10.5本章小结196
　　
　　第11章单环无刷直流电动机直接转矩控制系统197
　　
　　11.1无刷直流电动机DTC系统不必控制定子磁链幅值的估计197
　　
　　11.2两相导通无刷直流电动机DTC系统理论的进一步研究199
　　
　　11.2.1电磁转矩快速响应的条件199
　　
　　11.2.2最优空间电压矢量的选择200
　　
　　11.2.3电动机转矩给定和实时转矩观察Te202
　　
　　11.2.4无磁链观测条件下电流的限制202
　　
　　11.3无磁链观测DTC的实现203
　　
　　11.4仿真模型的建立及其仿真结果分析204
　　
　　11.4.1仿真模型的建立204
　　
　　11.4.2仿真结果及其分析205
　　
　　11.5实验研究206
　　
　　11.6对无刷直流电动机DTC系统初步研究的归纳和评价207
　　
　　第12章永磁容错电动机特点及空间电压矢量209
　　
　　12.1电动机容错技术简介209
　　
　　12.2永磁同步电动机的容错系统209
　　
　　12.2.1六相永磁容错电动机的结构及其特点210
　　
　　12.2.2H桥式逆变器组成的驱动器212
　　
　　12.2.3永磁容错电动机的控制方法212
　　
　　12.3六相永磁容错电动机系统的数学模型213
　　
　　12.3.1六相永磁容错电动机中的一些新概念213
　　
　　12.3.2六相永磁容错电动机的常用坐标系和6/2坐标变换216
　　
　　12.3.3六相永磁容错电动机数学模型的建立217
　　
　　12.4六相永磁容错电动机系统的空间电压矢量219
　　
　　12.4.1相空间电压矢量Vj组合中的抵消现象219
　　
　　12.4.2总空间电压矢量un的异构性现象220
　　
　　12.4.3六相永磁容错电动机中总空间电压矢量数据的归纳222
　　
　　12.5本章小结231
　　
　　第13章永磁容错电动机直接转矩控制的初步研究233
　　
　　13.1六相永磁容错电动机直接转矩控制系统的构建233
　　
　　13.1.1六相永磁容错电动机DTC系统总定子磁链s的计算234
　　
　　13.1.2关于总空间电压矢量的选择235
　　
　　13.1.3永磁容错电动机的直接转矩控制框图236
　　
　　13.2永磁容错电动机DTC系统正常态仿真研究238
　　
　　13.2.1仿真模型的搭建238
　　
　　13.2.2仿真结果239
　　
　　13.2.3仿真总结和分析247
　　
　　13.3永磁容错电动机直接转矩控制故障态仿真研究248
　　
　　13.4永磁容错电动机系统实验验证253
　　
　　13.4.1实验条件253
　　
　　13.4.2一相（d相）绕组断路故障的实验验证254
　　
　　13.4.3一相（d相）绕组短路故障的实验验证255
　　
　　13.5本章小结257
　　
　　第14章永磁容错电动机的相空间电压矢量调制技术258
　　
　　14.1三相永磁同步电动机DTC系统的SVPWM控制策略简介259
　　
　　14.1.1正弦波三相永磁同步电动机DTC方案的两条技术路线259
　　
　　14.1.2正弦波三相永磁同步电动机DTC系统乓乓控制策略的控制要点260
　　
　　14.1.3正弦波三相永磁同步电动机DTC系统SVPWM控制策略的控制要点261
　　
　　14.2永磁容错电动机DTC系统相空间电压矢量控制策略理论基础264
　　
　　14.2.1六相永磁容错电动机DTC系统相定子磁链变化量sj的计算265
　　
　　14.2.2正常情况下相定子磁链变化量sj的实现265
　　
　　14.2.3六相永磁容错电动机DTC系统控制策略的控制要点267
　　
　　14.2.4永磁同步电动机DTC系统三种控制策略的比较268
　　
　　14.3六相永磁容错电动机P-SVPWM-DTC系统的正常态运行269
　　
　　14.3.1六相永磁容错电动机DTC系统P-SVPWM控制策略的控制结构框图270
　　
　　14.3.2六相永磁容错电动机DTC系统P-SVPWM控制策略的实验验证270
　　
　　14.4六相永磁容错电动机P-SVPWM-DTC系统的故障态运行272
　　
　　14.4.1永磁容错电动机P-SVPWM系统的容错算法272
　　
　　14.4.2永磁容错电动机P-SVPWM系统的仿真研究276
　　
　　14.4.3永磁容错电动机P-SVPWM系统的实验验证278
　　
　　14.5本章小结281
　　
　　第15章从辩证法来看直接转矩控制技术的发展282
　　
　　15.1电机控制的主要矛盾是对电磁转矩的控制282
　　
　　15.2从矛盾的特殊性看各类电机电磁转矩的差异283
　　
　　15.2.1异步电机电磁转矩的特点283
　　
　　15.2.2正弦波永磁同步电动机电磁转矩的特点284
　　
　　15.2.3无刷直流电动机电磁转矩的特点285
　　
　　15.2.4多相永磁容错电动机电磁转矩的特点287
　　
　　15.3从控制转矩方案的多样性来认识DTC技术的多姿多彩的面貌287
　　
　　15.3.1“具体问题具体分析”是辩证法的活的灵魂287
　　
　　15.3.2阶段性地再认识DTC技术288
　　
　　15.4矢量控制和直接转矩控制的关系290
　　
　　15.4.1直接转矩控制技术不是矢量控制技术290
　　
　　15.4.2矢量控制实际上是转矩控制的一个分支291
　　
　　15.4.3矢量控制和直接转矩控制关系的一个小结293
　　
　　15.5电机控制技术发展的前景295
　　
　　15.5.1直接转矩控制技术发展的前景295
　　
　　15.5.2让我们迎接新的电机控制技术的诞生296
　　
　　15.5.3新技术都应该在实践中经风雨见世面才能得到发展296
　　
　　附录298
　　
　　参考文献303

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