本書綜合介紹了模型預(yù)測控制的原理與新進(jìn)展及其在永磁同步電機(jī)控制中的應(yīng)用。主要包括永磁同步電機(jī)模型及基礎(chǔ)、常規(guī)模型預(yù)測控制技術(shù)，以及多種永磁同步電機(jī)模型預(yù)測控制方案。本書打破了常規(guī)交流電機(jī)模型預(yù)測控制的默認(rèn)規(guī)則與理論局限，提出基于死區(qū)電壓矢量的模型預(yù)測控制、多級(jí)串聯(lián)模型預(yù)測控制等系統(tǒng)思想，在繼承常規(guī)模型預(yù)測控制優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)有效提升了系統(tǒng)整體控制表現(xiàn)，豐富了模型預(yù)測控制的理論體系。
模型預(yù)測控制具有非線性約束與多變量同時(shí)控制的能力，并且結(jié)構(gòu)簡單易實(shí)現(xiàn)年來獲得研究人員的廣泛關(guān)注。在電機(jī)控制領(lǐng)域，相對(duì)于經(jīng)典的矢量控制，模型預(yù)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(shí)不需行脈沖寬度調(diào)制，可直接發(fā)出開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；另一方面，模型預(yù)測控制根據(jù)當(dāng)前測量值對(duì)電機(jī)未來狀態(tài)變行預(yù)測，以實(shí)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(yù)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(biāo)，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(xué)（51877002）和中國博士后科學(xué)（2021M69060pan>）等項(xiàng)目的資助下，作年來在永磁同步電機(jī)模型預(yù)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(yù)測控制的默認(rèn)規(guī)則與理論局限，提出了基于死區(qū)電壓矢量的模型預(yù)測控制與多級(jí)串聯(lián)模型預(yù)測控制的系統(tǒng)思想與框架，在繼承常規(guī)模型預(yù)測控制優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)有效提升了系統(tǒng)整表現(xiàn)，豐富了模型預(yù)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(gè)維一步完善了模型預(yù)測控制的理論框架。
本書是國內(nèi)本介紹永磁同步電機(jī)模型預(yù)測控制相關(guān)技術(shù)的專著。前三章為概述和模型預(yù)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(yù)測控制、模型預(yù)測電壓控制、直接速度模型預(yù)測控制、基于死區(qū)電壓矢量的模型預(yù)測控制及多級(jí)串聯(lián)模型預(yù)測控制等核心內(nèi)容。本書由張曉光統(tǒng)籌撰寫，在作者實(shí)驗(yàn)室學(xué)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(xiàn)；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(duì)，在此一并感謝。
作者希望本書能夠?qū)χ铝τ诮涣麟姍C(jī)模型預(yù)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(jí)本科生有所幫助。由于作者有限，并且電機(jī)模型預(yù)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(cuò)誤之處，敬請(qǐng)讀者朋友們批評(píng)指正。
張曉光，博士，北方工業(yè)大學(xué)“毓杰人才”特聘教授，現(xiàn)為電力電子與電氣傳動(dòng)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(jì)劃“青年拔尖人才”；擔(dān)任國際電氣傳動(dòng)與電力電子預(yù)測控制會(huì)議（PRECEDE19）技術(shù)委員會(huì)共、IET Power Electronics期刊編委及Associate Editor、《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》交流電機(jī)模型預(yù)測控制專刊特邀副主編，國家自然科學(xué)通信評(píng)審專家。主要從事交流電機(jī)控制及其應(yīng)用方面的研究工作，主持國家自然科學(xué)、北京市自然科學(xué)、企業(yè)合作開發(fā)項(xiàng)目等20余項(xiàng)，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(diǎn)論文；入選福大學(xué)全球前2%科學(xué)家榜單（202pan>），獲得北京市科學(xué)技術(shù)、國際學(xué)術(shù)期刊Journal of Power Electronics佳論文獎(jiǎng)、國際會(huì)議佳論文勵(lì)5項(xiàng)。
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(jī)控制技術(shù)概述2
1.3模型預(yù)測控制研究現(xiàn)狀2
1.4本書主要內(nèi)容4
參考文獻(xiàn)6
第2章三相永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型9
2.1三相標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型10
2.2兩相標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型11
2.3兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型12
2.4本章小結(jié)13
參考文獻(xiàn)13
第3章傳統(tǒng)模型預(yù)測控制14
3.1模型預(yù)測控制簡述14
3.2模型預(yù)測電流控制15
3.2.1基本工作原理16
3.2.2控制延時(shí)補(bǔ)償16
3.2.3結(jié)果17
3.3模型預(yù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果24
3.4本章小結(jié)27
參考文獻(xiàn)27
第4章魯棒模型預(yù)測控制30
4.1魯棒模型預(yù)測控制策略簡述30
4.2模型參數(shù)失配對(duì)模型預(yù)測控制的影響31
4.3基于參數(shù)擾動(dòng)估計(jì)的魯棒模型預(yù)測控制34
4.3.1滑模擾動(dòng)觀測器設(shè)計(jì)34
4.3.2基于滑模觀測器的模型預(yù)測電流控制系統(tǒng)37
4.3.3和實(shí)驗(yàn)結(jié)果39
4.4基于增量式模型的魯棒模型預(yù)測控制45
4.4.1增量式預(yù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果52
4.5基于電流預(yù)測誤差的魯棒模型預(yù)測控制57
4.5.1電流預(yù)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(yù)測電流控制方法62
4.5.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果67
4.6本章小結(jié)70
參考文獻(xiàn)70
第5章模型預(yù)測電壓控制72
5.1基于電流無差拍的模型預(yù)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(yù)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(yù)測電壓控制76
5.2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果78
5.3基于轉(zhuǎn)矩磁鏈無差拍的模型預(yù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果87
5.4本章小結(jié)94
參考文獻(xiàn)95
第6章直接速度模型預(yù)測控制96
6.1常規(guī)模型預(yù)測直接速度控制96
6.1.1基本原理97
6.1.2實(shí)際應(yīng)用的問題97
6.2基于電壓選擇的無權(quán)重模型預(yù)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(yù)測直接速度控制電流限制方法106
6.2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果109
6.3基于全參數(shù)及負(fù)載觀測器的魯棒模型預(yù)測直接速度控制116
6.3.1模型預(yù)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(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器120
6.3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果125
6.4本章小結(jié)129
參考文獻(xiàn)129
第7章基于死區(qū)電壓矢量的模型預(yù)測控制131
7.1死區(qū)的影響131
7.1.1死區(qū)對(duì)逆變器輸出電壓的影響131
7.1.2死區(qū)電壓矢量及其對(duì)模型預(yù)測控制的影響132
7.2基于死區(qū)電壓矢量的模型預(yù)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(shí)間的計(jì)算138
7.2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果140
7.3基于死區(qū)電壓矢量的雙矢量模型預(yù)測控制142
7.3.1傳統(tǒng)雙矢量模型預(yù)測控制143
7.3.2死區(qū)效應(yīng)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(yù)測控制148
7.3.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果156
7.4本章小結(jié)160
參考文獻(xiàn)161
第8章兩級(jí)和多級(jí)串聯(lián)模型預(yù)測控制162
8.1概述162
8.2兩級(jí)串聯(lián)模型預(yù)測控制163
8.2.1級(jí)預(yù)測和評(píng)估163
8.2.2第二級(jí)預(yù)測和評(píng)估164
8.3多級(jí)串聯(lián)模型預(yù)測控制167
8.3.1每級(jí)候選電壓矢量的確定168
8.3.2第m級(jí)的預(yù)測與評(píng)估169
8.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果170
8.5兩級(jí)串聯(lián)模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制176
8.5.1數(shù)學(xué)模型177
8.5.2模型預(yù)測雙轉(zhuǎn)矩控制177
8.5.3兩級(jí)串聯(lián)模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制180
8.5.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果184
8.6本章小結(jié)190
參考文獻(xiàn)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(jī)械運(yùn)動(dòng)的磁系統(tǒng)27
1.8小結(jié)33
1.9參考文獻(xiàn)34
1.104
第2章機(jī)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(jī)60
2.8相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的繞組65
2.9小結(jié)67
2.108
第3章直流電機(jī)72
3.1引言72
3.2基本直流電機(jī)72
3.3電壓和轉(zhuǎn)矩方程80
3.4永磁直流電機(jī)82
3.5永磁直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性85
3.6恒轉(zhuǎn)矩率運(yùn)行的介紹87
3.7永磁直流電機(jī)的時(shí)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(xiàn)104
3.1104
第4章繞組和旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)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(dòng)勢108
4.4兩極電機(jī)的旋轉(zhuǎn)氣隙磁動(dòng)勢114
4.5P極電機(jī)119
4.6幾種機(jī)電傳動(dòng)裝置簡介124
4.7小結(jié)130
4.831
第5章參考坐標(biāo)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(biāo)系的變換138
5.衡組合和穩(wěn)衡運(yùn)行的變量轉(zhuǎn)換142
5.6幾種參考坐標(biāo)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(xiàn)153
5.1053
第6章對(duì)稱感應(yīng)電機(jī)155
6.1引言155
6.2兩相感應(yīng)電機(jī)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(biāo)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(jì)工業(yè)發(fā)展的新階段，為了適應(yīng)世界工業(yè)新的發(fā)展趨勢，我國部署了全面制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略計(jì)劃——《中國制造2025》，這是我國工業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型為制造強(qiáng)國的個(gè)十年行動(dòng)綱領(lǐng)[1-3]。因此，為了實(shí)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(jī)作為將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的載體，被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)中，在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[4]。
若對(duì)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(jī)和直流電機(jī)[5，6]。在20世紀(jì)中期，直流電機(jī)由于其簡單的調(diào)速方式被廣泛應(yīng)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(jī)維護(hù)難度較高，可靠性差，這成為制約直流電機(jī)發(fā)展的主要因素[7]。相對(duì)比而言，交流電機(jī)在20世紀(jì)80年始被學(xué)者們逐漸重視。與直流電機(jī)相比，交流電機(jī)不需要換向器和電刷等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并且制造簡單、價(jià)格低廉，系統(tǒng)具有更強(qiáng)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(yīng)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(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）問世并在20世紀(jì)末期得到了長足發(fā)展[8]。對(duì)比而言，永磁同步電機(jī)不需要換向器和電刷，并且利用永磁體代替了交流電機(jī)中的轉(zhuǎn)子勵(lì)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(diǎn)[9-11]。因此，與永磁同步電機(jī)本體一樣，其驅(qū)動(dòng)控制方法也受到了國內(nèi)外廣大學(xué)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(jī)控制系統(tǒng)的普及，使得永磁同步電機(jī)能夠被廣泛地應(yīng)用于、車床、交通運(yùn)輸?shù)雀鱾�(gè)領(lǐng)域[12]。
我國稀土永磁材料資源儲(chǔ)量豐富，作為永磁同步電機(jī)制造的關(guān)鍵材料，在高性能永磁同步電機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用方面具有得天獨(dú)厚的條件。然而，在高性能應(yīng)用領(lǐng)域，國內(nèi)電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展相對(duì)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(jī)控制技術(shù)，提升我國在高性能電機(jī)控制領(lǐng)域的技術(shù)以及核心競爭力。
1.2永磁同步電機(jī)控制技術(shù)概述
電力電子技術(shù)與電機(jī)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(diǎn)，多種適用于永磁同步電機(jī)的控制方式已經(jīng)被廣泛應(yīng)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(jì)70年代，F(xiàn)OC被提出并用于交流電機(jī)調(diào)速控制，該控制方式參照直流電機(jī)的控制模式，將定子電流分解到直軸和交軸上，對(duì)行解耦，等效于直流電機(jī)中的勵(lì)磁電流和電樞電流；然后對(duì)交直軸上的電流分行控制而達(dá)到控制電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的效果，實(shí)現(xiàn)磁場定向控制[15]。FOC一般分別對(duì)交直軸上的電流和電機(jī)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(dòng)態(tài)響應(yīng)稍慢。隨后FOC被引入到PMSM的調(diào)速控制中，對(duì)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(yīng)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(xiàng)新的電機(jī)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(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)行控制。因?yàn)镈TC不涉及坐標(biāo)變換和動(dòng)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(dòng)態(tài)性能，但控制過程中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，穩(wěn)態(tài)性能不如FOC[18,19]。
由于PMSM控制系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)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(yīng)用于高性能PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，例如滑�？刂�、自抗擾控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、模型預(yù)測控制（Model Predictive Control,MPC）等。
1.3模型預(yù)測控制研究現(xiàn)狀
模型預(yù)測控制（MPC）技術(shù)是一種針對(duì)優(yōu)控制理論應(yīng)用問題提出的控制技術(shù)，其主要特點(diǎn)是使用系統(tǒng)模型來預(yù)測控制變量未來的變化，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的優(yōu)準(zhǔn)則選擇優(yōu)的操作。因此，通過設(shè)定合適的優(yōu)準(zhǔn)則，MPC可以靈活控制多個(gè)重要參數(shù)（如電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、開關(guān)頻率損耗、大輸出電流等），實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化控制。相比于傳統(tǒng)電機(jī)控制方法，MPC概念直觀且易于理解，可針對(duì)具領(lǐng)域和控制目標(biāo)修改方案。
交流電機(jī)MPC的核心思想是根據(jù)逆變器和電機(jī)的離散模型，以及電機(jī)當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)，預(yù)測性地計(jì)算出電機(jī)未來時(shí)刻的狀態(tài)而通過預(yù)先設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指……
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