本書綜合介紹了模型預測控制的原理與新進展及其在永磁同步電機控制中的應用。主要包括永磁同步電機模型及基礎(chǔ)、常規(guī)模型預測控制技術(shù)，以及多種永磁同步電機模型預測控制方案。本書打破了常規(guī)交流電機模型預測控制的默認規(guī)則與理論局限，提出基于死區(qū)電壓矢量的模型預測控制、多級串聯(lián)模型預測控制等系統(tǒng)思想，在繼承常規(guī)模型預測控制優(yōu)點的同時有效提升了系統(tǒng)整體控制表現(xiàn)，豐富了模型預測控制的理論體系。
模型預測控制具有非線性約束與多變量同時控制的能力，并且結(jié)構(gòu)簡單易實現(xiàn)年來獲得研究人員的廣泛關(guān)注。在電機控制領(lǐng)域，相對于經(jīng)典的矢量控制，模型預測控制不用考慮電流環(huán)及其PI參數(shù)整定，不存在帶寬限制問題，同時不需行脈沖寬度調(diào)制，可直接發(fā)出開關(guān)驅(qū)動信號；另一方面，模型預測控制根據(jù)當前測量值對電機未來狀態(tài)變行預測，以實現(xiàn)優(yōu)電壓矢量的選擇，相比于直接轉(zhuǎn)矩控制，所選的電壓矢量更為可靠。并且模型預測控制可以將開關(guān)變換次數(shù)、零序變量等問題作為約束條件或控制目標，以優(yōu)化電壓矢量選擇，相比于矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制具有一定的原理性優(yōu)勢。
在國家自然科學（51877002）和中國博士后科學（2021M69060pan>）等項目的資助下，作年來在永磁同步電機模型預測控制領(lǐng)域開展了深入的研究，取得了一些原創(chuàng)科研成果，是突破了常規(guī)模型預測控制的默認規(guī)則與理論局限，提出了基于死區(qū)電壓矢量的模型預測控制與多級串聯(lián)模型預測控制的系統(tǒng)思想與框架，在繼承常規(guī)模型預測控制優(yōu)點的同時有效提升了系統(tǒng)整表現(xiàn)，豐富了模型預測控制的理論體系；另外，從魯棒性提升、矢量選擇、權(quán)重因子等多個維一步完善了模型預測控制的理論框架。
本書是國內(nèi)本介紹永磁同步電機模型預測控制相關(guān)技術(shù)的專著。前三章為概述和模型預測控制基礎(chǔ)理論，后五章為本書的，主要介紹了魯棒模型預測控制、模型預測電壓控制、直接速度模型預測控制、基于死區(qū)電壓矢量的模型預測控制及多級串聯(lián)模型預測控制等核心內(nèi)容。本書由張曉光統(tǒng)籌撰寫，在作者實驗室學作過的研究生侯本帥、張亮、王克勤、何一康、李毅、程昱、張文涵、趙志豪與徐馳為本書的成稿做出了很大貢獻；另外，研究生閆康、白海龍、高旭、王子維、張晨光、李霽與劉崢協(xié)助作行了全書的校對，在此一并感謝。
作者希望本書能夠?qū)χ铝τ诮涣麟姍C模型預測控制研究的科研工作者、技術(shù)工程師、研究生以及高年級本科生有所幫助。由于作者有限，并且電機模型預測控制理論正在經(jīng)歷飛速的發(fā)展過程，書中難免存在很多不甚至錯誤之處，敬請讀者朋友們批評指正。
張曉光，博士，北方工業(yè)大學“毓杰人才”特聘教授，現(xiàn)為電力電子與電氣傳動北京市工程研究中心主任。曾先后入選北京市“科技新星”、北京市“青年拔尖人才”、北京市高創(chuàng)計劃“青年拔尖人才”；擔任國際電氣傳動與電力電子預測控制會議（PRECEDE19）技術(shù)委員會共、IET Power Electronics期刊編委及Associate Editor、《電工技術(shù)學報》交流電機模型預測控制專刊特邀副主編，國家自然科學通信評審專家。主要從事交流電機控制及其應用方面的研究工作，主持國家自然科學、北京市自然科學、企業(yè)合作開發(fā)項目等20余項，截至2022年2月以/通訊作者發(fā)表或錄用SCI/EI論文70余篇，其中SCI一區(qū)Top期刊20余篇，先后6篇入選ESI高被引論文或ESI熱點論文；入選福大學全球前2%科學家榜單（202pan>），獲得北京市科學技術(shù)、國際學術(shù)期刊Journal of Power Electronics佳論文獎、國際會議佳論文勵5項。
目錄序
前言
第1章概述1
1.1研究背景及意義1
1.2永磁同步電機控制技術(shù)概述2
1.3模型預測控制研究現(xiàn)狀2
1.4本書主要內(nèi)容4
參考文獻6
第2章三相永磁同步電機數(shù)學模型9
2.1三相標系下的數(shù)學模型10
2.2兩相標系下的數(shù)學模型11
2.3兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型12
2.4本章小結(jié)13
參考文獻13
第3章傳統(tǒng)模型預測控制14
3.1模型預測控制簡述14
3.2模型預測電流控制15
3.2.1基本工作原理16
3.2.2控制延時補償16
3.2.3結(jié)果17
3.3模型預測轉(zhuǎn)矩控制19
3.3.1基本控制原理20
3.3.2優(yōu)矢量遴選21
3.3.3結(jié)果22
3.3.4實驗結(jié)果24
3.4本章小結(jié)27
參考文獻27
第4章魯棒模型預測控制30
4.1魯棒模型預測控制策略簡述30
4.2模型參數(shù)失配對模型預測控制的影響31
4.3基于參數(shù)擾動估計的魯棒模型預測控制34
4.3.1滑模擾動觀測器設(shè)計34
4.3.2基于滑模觀測器的模型預測電流控制系統(tǒng)37
4.3.3和實驗結(jié)果39
4.4基于增量式模型的魯棒模型預測控制45
4.4.1增量式預測模型45
4.4.2增量式MPCC的參數(shù)敏感性分析47
4.4.3基本控制原理49
4.4.4和實驗結(jié)果52
4.5基于電流預測誤差的魯棒模型預測控制57
4.5.1電流預測誤差與模型參數(shù)間的關(guān)系57
4.5.2魯棒雙矢量模型預測電流控制方法62
4.5.3實驗結(jié)果67
4.6本章小結(jié)70
參考文獻70
第5章模型預測電壓控制72
5.1基于電流無差拍的模型預測電壓控制與電流控制的關(guān)系72
5.2基于轉(zhuǎn)矩磁鏈無差拍的模型預測電壓控制(基于參考電壓追蹤的單
矢量MPTC)74
5.2.1轉(zhuǎn)矩磁鏈無差拍的基本原理74
5.2.2基于轉(zhuǎn)矩磁鏈無差拍的模型預測電壓控制76
5.2.3實驗結(jié)果78
5.3基于轉(zhuǎn)矩磁鏈無差拍的模型預測電壓控制(基于參考電壓追蹤的雙
矢量MPTC)81
5.3.1雙矢量MPTC基本原理82
5.3.2基于參考電壓追蹤誤差的雙矢量MPTC方法84
5.3.3和實驗結(jié)果87
5.4本章小結(jié)94
參考文獻95
第6章直接速度模型預測控制96
6.1常規(guī)模型預測直接速度控制96
6.1.1基本原理97
6.1.2實際應用的問題97
6.2基于電壓選擇的無權(quán)重模型預測直接速度控制98
6.2.1基本原理98
6.2.2基于電壓限制圓的模型預測直接速度控制電流限制方法106
6.2.3實驗結(jié)果109
6.3基于全參數(shù)及負載觀測器的魯棒模型預測直接速度控制116
6.3.1模型預測直接速度控制的基本原理及參數(shù)敏感性分析116
6.3.2全參數(shù)及負載轉(zhuǎn)矩觀測器120
6.3.3實驗結(jié)果125
6.4本章小結(jié)129
參考文獻129
第7章基于死區(qū)電壓矢量的模型預測控制131
7.1死區(qū)的影響131
7.1.1死區(qū)對逆變器輸出電壓的影響131
7.1.2死區(qū)電壓矢量及其對模型預測控制的影響132
7.2基于死區(qū)電壓矢量的模型預測電流控制方法136
7.2.1優(yōu)電壓矢量選擇136
7.2.2死區(qū)電壓矢量判別137
7.2.3死區(qū)持續(xù)時間的計算138
7.2.4實驗結(jié)果140
7.3基于死區(qū)電壓矢量的雙矢量模型預測控制142
7.3.1傳統(tǒng)雙矢量模型預測控制143
7.3.2死區(qū)效應分析和死區(qū)電壓矢量判斷143
7.3.3基于死區(qū)電壓矢量的雙矢量模型預測控制148
7.3.4實驗結(jié)果156
7.4本章小結(jié)160
參考文獻161
第8章兩級和多級串聯(lián)模型預測控制162
8.1概述162
8.2兩級串聯(lián)模型預測控制163
8.2.1級預測和評估163
8.2.2第二級預測和評估164
8.3多級串聯(lián)模型預測控制167
8.3.1每級候選電壓矢量的確定168
8.3.2第m級的預測與評估169
8.4實驗結(jié)果170
8.5兩級串聯(lián)模型預測轉(zhuǎn)矩控制176
8.5.1數(shù)學模型177
8.5.2模型預測雙轉(zhuǎn)矩控制177
8.5.3兩級串聯(lián)模型預測轉(zhuǎn)矩控制180
8.5.4實驗結(jié)果184
8.6本章小結(jié)190
參考文獻190譯者序
原書序言
關(guān)于作者
第1章磁路和磁耦合電路1
1.1引言1
1.2相量分析1
1.3磁路7
1.4磁材料的屬性12
1.5靜態(tài)磁耦合電路16
1.6靜態(tài)磁耦合電路的開路和短路特性23
1.含機械運動的磁系統(tǒng)27
1.8小結(jié)33
1.9參考文獻34
1.104
第2章機電能量轉(zhuǎn)換37
2.1引言37
2.2能量守恒關(guān)系37
2.3耦合場中的能量42
2.4能量轉(zhuǎn)換圖解48
2.5電磁力與靜電力50
2.6基本電磁鐵的工作特性55
2.7單相磁阻電機60
2.8相對運動中的繞組65
2.9小結(jié)67
2.108
第3章直流電機72
3.1引言72
3.2基本直流電機72
3.3電壓和轉(zhuǎn)矩方程80
3.4永磁直流電機82
3.5永磁直流電機的動態(tài)特性85
3.6恒轉(zhuǎn)矩率運行的介紹87
3.7永磁直流電機的時域框圖和狀態(tài)方程94
3.8電壓控制簡介97
3.9小結(jié)104
3.10參考文獻104
3.1104
第4章繞組和旋轉(zhuǎn)磁動勢106
4.1引言106
4.2繞組106
4.3正弦分布繞組的氣隙磁動勢108
4.4兩極電機的旋轉(zhuǎn)氣隙磁動勢114
4.5P極電機119
4.6幾種機電傳動裝置簡介124
4.7小結(jié)130
4.831
第5章參考坐標系理論簡介134
5.1引言134
5.2背景135
5.3變換方程和變量轉(zhuǎn)換136
5.4靜止電路變量到任意速參考坐標系的變換138
5.衡組合和穩(wěn)衡運行的變量轉(zhuǎn)換142
5.6幾種參考坐標系下的變量觀察146
5.相系統(tǒng)的變換方程150
5.8小結(jié)152
5.9參考文獻153
5.1053
第6章對稱感應電機155
6.1引言155
6.2兩相感應電機155
6.3電壓方程與繞組電感160
6.4轉(zhuǎn)矩165
6.5任意參考坐標系下的電壓方程166
6.6
第pan>章概述
1.pan>研究背景及意義
2pan>世紀工業(yè)發(fā)展的新階段，為了適應世界工業(yè)新的發(fā)展趨勢，我國部署了全面制造強國的戰(zhàn)略計劃——《中國制造2025》，這是我國工業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型為制造強國的個十年行動綱領(lǐng)[1-3]。因此，為了實現(xiàn)工業(yè)制造與現(xiàn)代科技的深度融合發(fā)展，使工業(yè)發(fā)展更具創(chuàng)新性、互聯(lián)化和智能化，高端設(shè)備制造領(lǐng)域?qū)⒊蔀楣I(yè)發(fā)展新階段的之一。而電機作為將電能轉(zhuǎn)換為機械能的載體，被廣泛應用于制造業(yè)中，在機電能量轉(zhuǎn)換中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[4]。
若對電行宏觀分類，根據(jù)供電電源種類的不同可分類為交流電機和直流電機[5，6]。在20世紀中期，直流電機由于其簡單的調(diào)速方式被廣泛應用于各類工業(yè)領(lǐng)域，然而由于含換向器和電刷，使得直流電機維護難度較高，可靠性差，這成為制約直流電機發(fā)展的主要因素[7]。相對比而言，交流電機在20世紀80年始被學者們逐漸重視。與直流電機相比，交流電機不需要換向器和電刷等復雜結(jié)構(gòu)，并且制造簡單、價格低廉，系統(tǒng)具有更強的可靠性，隨之得到了快速發(fā)展并在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中應用得越來越廣泛。
隨著高性能汝鐵硼等永磁材料的發(fā)展，以永磁體作為轉(zhuǎn)子的永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）問世并在20世紀末期得到了長足發(fā)展[8]。對比而言，永磁同步電機不需要換向器和電刷，并且利用永磁體代替了交流電機中的轉(zhuǎn)子勵磁繞組，具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、調(diào)速范圍率密度大、效率高等諸多優(yōu)點[9-11]。因此，與永磁同步電機本體一樣，其驅(qū)動控制方法也受到了國內(nèi)外廣大學者的高度關(guān)注。此外，電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展更是了永磁同步電機控制系統(tǒng)的普及，使得永磁同步電機能夠被廣泛地應用于、車床、交通運輸?shù)雀鱾�領(lǐng)域[12]。
我國稀土永磁材料資源儲量豐富，作為永磁同步電機制造的關(guān)鍵材料，在高性能永磁同步電機的研發(fā)與應用方面具有得天獨厚的條件。然而，在高性能應用領(lǐng)域，國內(nèi)電機控制技術(shù)的發(fā)展相對于國外仍然存在一定的差距，因此有必要深入研究PMSM的高性能電機控制技術(shù)，提升我國在高性能電機控制領(lǐng)域的技術(shù)以及核心競爭力。
1.2永磁同步電機控制技術(shù)概述
電力電子技術(shù)與電機控制技術(shù)互相使二者都得到了長足的發(fā)展，作為該領(lǐng)域的研究熱點，多種適用于永磁同步電機的控制方式已經(jīng)被廣泛應用到工業(yè)領(lǐng)域，例如矢量控制(也稱為磁場定向控制）（Field Oriented Control,FOC)[13]和直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control,DTC)[14]。
在19世紀70年代，F(xiàn)OC被提出并用于交流電機調(diào)速控制，該控制方式參照直流電機的控制模式，將定子電流分解到直軸和交軸上，對行解耦，等效于直流電機中的勵磁電流和電樞電流；然后對交直軸上的電流分行控制而達到控制電機磁通和轉(zhuǎn)矩的效果，實現(xiàn)磁場定向控制[15]。FOC一般分別對交直軸上的電流和電機轉(zhuǎn)行控制，構(gòu)成雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，控制度高，穩(wěn)態(tài)性能好，但動態(tài)響應稍慢。隨后FOC被引入到PMSM的調(diào)速控制中，對PMSM控制技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義，目前已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域應用廣泛的控制技術(shù)之一[16]。
在FOC被提出的十幾年后，DTC這一項新的電機控制技術(shù)出現(xiàn)在研究者的視野中[17]。不同于FOC，DTC通過磁鏈與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，采用滯環(huán)比較器直接對電機轉(zhuǎn)行控制。因為DTC不涉及坐標變換和動態(tài)解耦的過程，結(jié)構(gòu)和算法更為簡單，并且能夠獲得良好的動態(tài)性能，但控制過程中轉(zhuǎn)矩脈動較大，穩(wěn)態(tài)性能不如FOC[18,19]。
由于PMSM控制系統(tǒng)是一個強耦合的非線性系統(tǒng)，以上方法并不能滿足一些高性能特殊場合的控制要求。因此在FOC和DTC的基礎(chǔ)上，一些控制策略被提出并應用于高性能PMSM驅(qū)動系統(tǒng)，例如滑�？刂�、自抗擾控制、自適應控制、模糊控制、模型預測控制（Model Predictive Control,MPC）等。
1.3模型預測控制研究現(xiàn)狀
模型預測控制（MPC）技術(shù)是一種針對優(yōu)控制理論應用問題提出的控制技術(shù)，其主要特點是使用系統(tǒng)模型來預測控制變量未來的變化，根據(jù)預先設(shè)定的優(yōu)準則選擇優(yōu)的操作。因此，通過設(shè)定合適的優(yōu)準則，MPC可以靈活控制多個重要參數(shù)（如電機轉(zhuǎn)矩脈動、開關(guān)頻率損耗、大輸出電流等），實現(xiàn)多目標優(yōu)化控制。相比于傳統(tǒng)電機控制方法，MPC概念直觀且易于理解，可針對具領(lǐng)域和控制目標修改方案。
交流電機MPC的核心思想是根據(jù)逆變器和電機的離散模型，以及電機當前時刻的狀態(tài)，預測性地計算出電機未來時刻的狀態(tài)而通過預先設(shè)計的評價指……
書單推薦
