永磁同步电机无位置传感器控制

本书系统地总结了永磁同步电机无位置传感器控制技术的基本原理和最新进展，重点介绍了近30年来该领域全球和作者及其研究团队的研究成果，详细讨论了该领域的许多前沿问题和挑战及其解决方案，并提供了大量的工程应用成功实例。 本书由永磁同步电机无位置传感器控制技术领域的国际著名专家诸自强教授等编写。主要内容包括：永磁同步电机的基本原理和无刷交、直流驱动控制；单三相、双三相、开绕组电机；基于现代控制理论的无位置传感器方法，包括模型参考自适应、滑模观测器、扩展卡尔曼滤波器及模型预测控制；非凸极电机的磁链法和反电动势法，以及凸极电机的有效磁链法和扩展反电动势法；在不同坐标参考系下，根据电流或电压响应的脉振与旋转高频正弦和方波信号注入方法，以及注入信号的幅值和频率选择；基于检测反电动势波形过零点或3次谐波的无位置传感器控制技术；转子初始位置检测；转子极性判断；基频和高频模型中的寄生效应对位置估计的影响及其补偿方案，包括交叉耦合磁饱和、负载效应、电机凸极特性和多重凸极性、逆变器非线性、参数不匹配、参数不对称、信号处理误差等。 对于从事电机及其驱动控制的研究人员，以及从事电动汽车、风力发电机、家用电器和工业自动化的研究人员来说，本书是一本不可多得的佳作。针对永磁同步电机无位置传感器控制技术领域的基本原理、实例、挑战及其实际解决方案，本书是目前最全面、最系统、最深入浅出的一本参考书。

原著作者 诸自强教授 1977年考入浙江大学电机系，1982年获学士学位，1984年获硕士学位，并留校任助教及讲师。1988年赴英国谢菲尔德大学电子电力系学习，1991年获谢菲尔德大学博士学位。先后担任谢菲尔德大学英国文化委员会资助访问学者（1988—1989年）、博士后（1989—1992年）、高级研究科学家（1992—2000年）、教授（2000年—）。现任谢菲尔德大学顶级教授（2014年—），英国皇家工程院/西门子特聘教授（2014年—），谢菲尔德大学电机与驱动研究团队负责人（2008年—），谢菲尔德西门子风电研发中心创建主任（2009年—）、美的上海和谢菲尔德电机和驱动控制研发中心创建主任（2010年—），谢菲尔德中国中车电气传动技术研究中心创建主任（2014年—），谢菲尔德中国新能源汽车国创中心电驱动技术研究中心创建主任（2022年—）。 诸自强教授是英国皇家工程院院士、美国IEEE会士、英国IET会士、中国电机工程学会会士、中国电工技术学会会士和IET EPA学报主编。荣获2024全球能源奖（Global Energy Prize)、2021 IEEE尼古拉·特斯拉奖和2019 IEEE工业应用学会杰出成就奖，并获38项最佳论文奖（包括7项IEEE/IET学报最佳论文奖）。获得200多项发明专利，发表1500多篇学术论文，其中600多篇发表在IEEE/IET学报。主要从事新型永磁电机和先进控制关键技术的基础和应用研究，包括电气化交通（电动汽车、高铁、多电飞机）、海上风力发电、家用电器和自动化系统。 吴溪蒙博士 2011年获合肥工业大学电气工程及其自动化学士学位，2016年和2020年分别获英国谢菲尔德大学电气工程硕士和博士学位。2020—2023年为谢菲尔德大学博士后，现在丹麦西门子歌美飒可再生能源有限公司工作，主要从事永磁同步电机控制。

目录 中文版序 原著前言 原著作者 符号表 缩写 第1章概述 1.1引言 1.2永磁电机 1.2.1拓扑结构 1.2.2驱动系统 1.3永磁无刷交流电机（永磁同步电机）驱动的基本原理 1.3.1数学模型 1.3.2控制策略 1.4永磁无刷直流电机驱动的基本原理 1.4.1数学模型 1.4.2控制策略 1.5永磁无刷直流电机与永磁无刷交流电机驱动的比较 1.5.1方波反电动势电机 1.5.2正弦波反电动势电机 1.6无位置传感器控制技术及其应用 1.6.1分类 1.6.2应用 1.7本书范围 参考文献 第2章基于基波模型的无位置传感器控制 2.1引言 2.2磁链法 2.2.1用于非凸极永磁同步电机的磁链法 2.2.2用于凸极永磁同步电机的有效磁链法 2.3反电动势法 2.3.1用于非凸极永磁同步电机的反电动势法 2.3.2用于凸极永磁同步电机的扩展反电动势法 2.4方法比较 2.4.1反电动势法和磁链法 2.4.2扩展反电动势法和有效磁链法 2.5位置观测器 2.5.1反正切函数法 2.5.2锁相环 2.5.3简化扩展卡尔曼滤波器 2.5.4仿真结果 2.6总结 参考文献 第3章基于基波模型的无位置传感器控制——常见问题与解决方案 3.1引言 3.2积分和滤波 3.2.1初值 3.2.2漂移 3.2.3延迟 3.3反电动势及电流谐波 3.3.1反电动势谐波的影响 3.3.2电流谐波的影响 3.4交叉饱和 3.4.1对位置估计的影响 3.4.2考虑交叉饱和的无位置传感器控制 3.5参数不匹配 3.5.1对位置估计的影响 3.5.2参数不匹配下的位置校正方法 3.6参数不对称 3.6.1不对称数学建模 3.6.2对位置估计的影响 ⅩⅪ ⅩⅫ 3.6.3谐波的抑制策略 3.7适用于低速位置估计的电压和电流模型 3.7.1基于反电动势模型的无位置传感器控制 3.7.2基于磁链的无位置传感器控制 3.8总结 参考文献 第4章基于凸极的无位置传感器控制 4.1引言 4.2永磁电机高频模型 4.2.1同步旋转坐标系 4.2.2估计同步旋转坐标系 4.2.3静止坐标系 4.3基于估计同步旋转坐标系的高频信号注入 4.3.1脉振正弦信号 4.3.2脉振方波信号 4.4基于静止坐标系的高频信号注入 4.4.1旋转正弦信号注入 4.4.2脉振正弦信号 4.4.3脉振方波信号 4.5位置观测器 4.5.1基本结构 4.5.2低通滤波器的影响 4.5.3误差收敛分析 4.6其他方法 4.6.1瞬时电压矢量注入法 4.6.2PWM激励法 4.7总结 参考文献 第5章基于凸极的无位置传感器控制——常见问题与解决方案 5.1引言 5.2交叉饱和 5.2.1对位置估计的影响 5.2.2补偿策略 5.3电机凸极特性和负载效应 5.3.1电机凸极特性 5.3.2电机凸极圆 5.4多重凸极效应 5.5参数不对称 5.5.1基于电感不对称的高频模型 5.5.2电感不对称导致的位置误差抑制 5.5.3实验结果 5.6逆变器非线性效应 5.6.1产生机理 5.6.2高频电压畸变 5.6.3高频电流畸变 5.6.4补偿策略 5.7信号处理延迟 5.8注入电压幅值与频率的选取 5.8.1A/D转换量化误差 5.8.2无位置传感器控制安全工作区 5.8.3实验结果 5.8.4无位置传感器控制效果 5.8.5伪随机信号注入选取 5.9高低速切换策略 5.10总结 参考文献 第6章基于零序电压凸极追踪的无位置传感器控制 6.1引言 6.2旋转正弦信号注入 6.2.1零序电压模型 6.2.2信号解耦 6.3传统脉振正弦信号注入 6.4反向旋转脉振正弦信号注入 6.4.1反向旋转信号注入 6.4.2信号解耦 6.4.3交叉饱和效应 6.4.4实验结果 6.5传统脉振方波信号注入 6.6反向旋转脉振方波信号注入 Ⅹ ⅩⅩⅣ 6.6.1反向旋转信号注入 6.6.2信号解耦 6.6.3交叉饱和效应 6.6.4实验结果 6.7总结 参考文献 第7章双三相永磁同步电机与开绕组永磁同步电机无位置传感器控制 7.1引言 7.2双三相永磁同步电机 7.2.1数学模型 7.2.2基于电流响应的高频注入无位置传感器控制 7.2.3基于电压响应的高频注入无位置传感器控制 7.2.4基于基波模型的无位置传感器控制 7.2.5基于3次谐波反电动势的无位置传感器控制 7.3开绕组永磁同步电机 7.3.1数学模型 7.3.2基于相移的开绕组永磁同步电机SVPWM 7.3.3基于零序电流的无位置传感器控制策略 7.3.4基于零序电压的非参数化无位置传感器控制策略 7.4总结 参考文献 第8章转子极性判断 8.1引言 8.2双电压脉冲注入法 8.3d轴电流注入法 8.3.1高频电流响应 8.3.2高频零序电压响应 8.42次谐波法 8.4.1数学模型 8.4.2高频电流响应 8.4.3高频零序电压响应 8.4.4实验结果 8.5总结 参考文献 第9章转子初始位置估计 9.1引言 9.2磁饱和效应 9.3基于三相电流检测的电压脉冲注入法 9.3.1脉冲激励策略 9.3.2电流响应模型 9.3.3初始位置估计 9.4改进的基于三相电流检测的电压脉冲注入法 9.4.1三相电流响应的利用 9.4.2脉冲注入序列 9.4.3边界检测策略 9.4.4实验结果 9.5基于直流母线电压的脉冲注入方法 9.5.1直流母线电压波动的利用 9.5.2脉冲注入 9.5.3实验结果 9.6电压脉冲的选取 9.6.1持续时间的选取 9.6.2幅值的选取 9.6.3实验结果 9.7高频信号注入法 9.7.1三相高频电流幅值 9.7.2扇区检测 9.7.3实验结果 9.8总结 参考文献 第10章永磁无刷直流电机的过零点检测法无位置传感器控制 10.1引言 10.2过零点检测原理 10.2.1数学模型 10.2.2典型电流波形 10.2.3永磁无刷直流电机的无位置传感器控制 10.3基于PWM的过零点检测 ⅩⅩⅤ ⅩⅩⅥ 10.3.1PWM方法 10.3.2反电动势的测量 10.4过零点偏差及解决方案 10.4.1电机参数不对称引起的水平偏差 10.4.2RVD电阻容差引起的垂直偏差 10.4.3自适应阈值校正策略 10.4.4实验结果 10.5续流角 10.5.1PWM方法 10.5.2无位置传感器控制安全工作区 10.5.3电阻和电感 10.5.4直流母线电压 10.5.5PWM占空比 10.6电机设计的影响 10.7总结 参考文献 第11章基于3次谐波反电动势的无位置传感器控制 11.1引言 11.2检测方法 11.2.13次谐波反电动势 11.2.2虚拟3次谐波反电动势 11.3永磁无刷直流电机控制 11.3.1无PWM 11.3.2有PWM 11.4永磁无刷交流电机（永磁同步电机）控制 11.4.1基于积分法的转子位置估计方法 11.4.2基于过零点校正的转子位置估计方法 11.4.3基于连续信号的转子位置估计方法 11.4.4实验结果 11.5双三相永磁同步电机的位置估计 11.5.1基于3次谐波磁链的位置估计 11.5.2基于3次谐波反电动势的位置估计 11.5.3实验结果 11.63次谐波反电动势检测法的常见问题 11.6.1中性线的要求 11.6.23次谐波反电动势的缺失 11.6.3转子凸极性 11.6.4三相不平衡 11.7虚拟3次谐波反电动势检测法的常见问题 11.7.1参数不对称下的过零点检测 11.7.2参数不对称下的换向误差 11.7.3换向误差的相位补偿 11.7.4实验结果 11.8总结 参考文献 第12章现代控制理论的应用 12.1引言 12.2模型参考自适应系统 12.2.1基本原理 12.2.2基于电流模型的观测器 12.2.3基于电压模型的观测器 12.2.4简化电压模型观测器 12.3滑模观测器 12.3.1基本原理 12.3.2传统滑模观测器 12.3.3抖动问题及解决方案 12.4扩展卡尔曼滤波器 12.4.1基本原理 12.4.2永磁同步电机的简化模型 12.4.3全阶扩展卡尔曼滤波器 12.4.4降阶扩展卡尔曼滤波器 12.4.5参数调节 12.5模型预测控制 12.5.1电流预测控制 12.5.2基于无差拍求解的电流预测控制 12.5.3高频注入无位置传感器控制 12.6总结 参考文献 ⅩⅩⅦ ⅩⅩⅧ 附录 附录A转速估计 A.1基于转子位置的转速估计 A.2基于电机模型的转速估计 A.3混合转速估计 参考文献 附录B样机与实验平台 B.1永磁无刷交流电机驱动系统 B.2永磁无刷直流电机驱动系统