本書從工程嵌入式軟件設(shè)計(jì)角度出發(fā)，系統(tǒng)化介紹了異步電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，其中涉及兩電平逆變器、三電平逆變器、級聯(lián)多電平逆變器，以及有源前端等數(shù)字系統(tǒng)的標(biāo)幺化設(shè)計(jì)方法。本書集作者近40年的研究成果，特別是在PWM過調(diào)制、最小脈沖限制、逆變器非線性補(bǔ)償、電機(jī)參數(shù)自學(xué)習(xí)、變頻器空載振蕩抑制、最小拍磁鏈規(guī)劃、動(dòng)態(tài)電流控制以及無電跨越、飛車起動(dòng)等敏感問題均有作者的獨(dú)到見解，這些成果已在作者所從事的產(chǎn)品研究和設(shè)計(jì)方面得到了全面的證實(shí)和應(yīng)用。
本書對從事逆變器產(chǎn)品研究及設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員、高等學(xué)校本科生和研究生等均有一定的參考價(jià)值。

隨著國家推廣新能源政策的力度不斷加大，電力電子變換器相關(guān)產(chǎn)品在風(fēng)電、光伏、機(jī)車牽引、電動(dòng)汽車、充電樁等領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。在電子元器件不斷升級換代的前提下，為控制策略和算法實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的硬件基礎(chǔ)。本書對兩電平、三電平、級聯(lián)多電平變頻器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，對促進(jìn)電力電子變換器領(lǐng)域的技術(shù)更新、普及和發(fā)展具有積極的推動(dòng)作用。
作者自1989年至今，從事交流傳動(dòng)領(lǐng)域的研發(fā)工作30余年，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)先后開發(fā)出了兩電平、三電平及多電平變頻調(diào)速器的系列產(chǎn)品，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和科研成果，先后發(fā)表論文10余篇。本著技術(shù)傳承、造福行業(yè)的初心，作者希望將多年的研究成果整理成書，回報(bào)社會(huì)。這一想法得到了同行的贊賞和鼓勵(lì)，從而付諸行動(dòng)。書稿自2018年夏末開始至2022年初完成。如今呈獻(xiàn)給大家，希望本書能真正對電力電子變換器領(lǐng)域的工程師和研究人員有參考價(jià)值，并起到拋磚引玉的作用。同時(shí)也懇請業(yè)界前輩和同行批評指正，提出寶貴意見和建議。
本書共分10章。第1章系統(tǒng)闡述了數(shù)學(xué)模型標(biāo)幺化的原理，并給出了濾波器、積分器、PI調(diào)節(jié)器等典型環(huán)節(jié)模型的標(biāo)幺化方法。第2章重點(diǎn)分析了PWM逆變系統(tǒng)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)一般原則，給出了正弦PWM角度、限幅給定積分器以及S形加、減速曲線的實(shí)現(xiàn)方法。第3章系統(tǒng)闡述了兩電平逆變器空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)方法，從空間電壓矢量概念、特征、SVPWM的基本原則、直角坐標(biāo)SVPWM法，逐步推演到g-h非正交SVPWM法、諧波注入PWM（HIPWM）法，并給出了SVPWM的限幅細(xì)則。第4章主要闡述了中性點(diǎn)鉗位（NPC）逆變器的空間矢量PWM方法，其中詳細(xì)介紹了NPC主電路拓?fù)�、邏輯及空間矢量，分別介紹并比較了直角坐標(biāo)法、g-h非正交坐標(biāo)法、中性點(diǎn)鉗位及PWM細(xì)則。第5章系統(tǒng)闡述了異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性分析。第6章闡述磁場定向控制基本原理及實(shí)施方法，包括磁鏈觀測與閉環(huán)控制、特殊條件下的電機(jī)動(dòng)態(tài)模型。第7章介紹直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，包括最佳開關(guān)矢量表、磁鏈觀測器、飛車起動(dòng)、磁場優(yōu)化、最小拍磁鏈規(guī)劃以及標(biāo)量DTC模式等實(shí)用方法。第8章系統(tǒng)闡述了級聯(lián)多電平高壓變頻器PWM原理，結(jié)合主電路拓?fù)鋵ψ訂卧狿WM驅(qū)動(dòng)、載波移相控制與單元奇偶數(shù)選擇、單元旁路輸出電壓平衡控制、光纖通信協(xié)議等方面給出了具體的工程設(shè)計(jì)方案。第9章針對變頻器的特殊功能進(jìn)行理論分析并給出具體實(shí)現(xiàn)方法，其中包括逆變器死區(qū)時(shí)間的影響及補(bǔ)償、VF模式下的直流制動(dòng)、無電跨越功能、速度搜索跟蹤再起動(dòng)、VF模式的最大電流限制、變頻器空載振蕩抑制方法、逆變器-電網(wǎng)同步切換等。第10章詳細(xì)介紹了電機(jī)主要參數(shù)自測試的方法并給出了傳感器零漂校正、逆變器非線性及死區(qū)時(shí)間等測試方法，為電機(jī)的精確控制提供了保障。
本書編寫過程中得到了天津方圓電氣有限公司尹漢斌、劉格凡、王杰、董兆輝、喬奕瑋、韓達(dá)、關(guān)瑜等同事的大力支持。澳大利亞國立大學(xué)張千同學(xué)在建模、仿真及繪圖等方面做了大量工作，在此一并表示感謝！
因作者水平有限，書中難免有不妥之處，懇請讀者批評指正。

張德寬
2022年1月于天津

前言
第1章 典型控制環(huán)節(jié)的數(shù)字標(biāo)幺化1
1.1 標(biāo)幺化一般概念1
1.1.1 物理量基準(zhǔn)值1
1.1.2 數(shù)字量基準(zhǔn)值1
1.2 典型環(huán)節(jié)數(shù)字標(biāo)幺化2
1.2.1 一階濾波器2
1.2.2 不限幅積分器4
1.2.3 限幅積分器5
1.2.4 開環(huán)限幅PI調(diào)節(jié)器6
1.2.5 閉環(huán)限幅PI調(diào)節(jié)器8
第2章 數(shù)字PWM逆變系統(tǒng)的一般概念11
2.1 主電路拓?fù)?1
2.1.1 開關(guān)管半橋模塊11
2.1.2 半橋控制邏輯與互鎖11
2.1.3 半橋逆導(dǎo)二極管的作用12
2.1.4 半橋控制的理論模型12
2.1.5 半橋的控制與隔離13
2.1.6 三相逆變器主電路13
2.1.7 小結(jié)14
2.2 數(shù)字PWM14
2.3 正弦PWM的角度計(jì)算16
2.4 限幅給定積分器17
2.5 S形弧線加減速功能的實(shí)現(xiàn)19
2.5.1 平方反饋法19
2.5.2 線性反饋法22
2.5.3 輸出強(qiáng)迫保持24
2.6 V-f曲線24
2.7 典型變頻器控制系統(tǒng)框圖24
第3章 兩電平空間矢量PWM方法26
3.1 概述26
3.2 逆變器電壓矢量及特征26
3.2.1 直流母線電壓與網(wǎng)側(cè)電壓關(guān)系26
3.2.2 逆變器電壓矢量27
3.2.3 相鄰電壓矢量28
3.3 SVPWM的基本原則28
3.3.1 平均電壓矢量28
3.3.2 三矢量定理與矢量合成基本方程29
3.3.3 參考矢量扇區(qū)及三矢量組30
3.4 d-q坐標(biāo)系矢量合成方程及占空比通式30
3.5 極坐標(biāo)分析31
3.5.1 占空比表達(dá)式31
3.5.2 最高線性輸出電壓32
3.5.3 不同PWM方式電壓利用率比較33
3.6 非正交g-h坐標(biāo)系法34
3.6.1 直角坐標(biāo)系矢量的g-h變換34
3.6.2 α-β坐標(biāo)系逆變器矢量的g-h坐標(biāo)34
3.6.3 d-q/g-h坐標(biāo)系占空比表達(dá)式34
3.6.4 g-h坐標(biāo)系過調(diào)制矢量修正34
3.6.5 最小脈沖限制36
3.6.6 SVPWM算法模型小結(jié)36
3.7 SVPWM的等效方法37
3.8 SVPWM波形生成38
3.8.1 數(shù)字PWM比較38
3.8.2 定制七段式SVPWM38
3.8.3 定制五段式SVPWM40
3.8.4 不定制矢量排序（繼承法）44
3.8.5 小結(jié)47
3.9 時(shí)間片組合PWM47
3.10 本章數(shù)學(xué)基礎(chǔ)48
3.10.1 最佳三矢量的數(shù)學(xué)證明48
3.10.2 正弦脈寬調(diào)制法的最高線性基波幅值51
3.10.3 方波輸出基波幅值的推導(dǎo)53
3.10.4 空間矢量法與諧波注入法的等效性證明53
3.10.5 SPWM與SVPWM電壓矢量軌跡比較58
3.10.6 逆變器相電壓矢量與線電壓矢量的關(guān)系58
3.10.7 逆變器—星形負(fù)載中性點(diǎn)電壓表達(dá)式59
3.10.8 五段式無損最小脈沖限制法59
第4章 中性點(diǎn)鉗位三電平空間矢量PWM方法67
4.1 NPC三電平逆變器主電路拓?fù)�、邏輯及空間矢量67
4.2 d-q坐標(biāo)變換及矢量合成70
4.3 d-q/g-h坐標(biāo)系矢量合成及占空比初解71
4.4 小區(qū)判別及占空比終解73
4.5 PWM輸出開關(guān)邏輯77
4.6 主電路數(shù)學(xué)模型86
4.7 實(shí)驗(yàn)87
4.8 三電平虛擬矢量PWM方法90
第5章 異步電機(jī)模型99
5.1 直流電機(jī)與異步電機(jī)一體化99
5.1.1 直流電機(jī)99
5.1.2 異步電機(jī)100
5.2 復(fù)數(shù)與矢量100
5.3 任意坐標(biāo)系下的電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)方程103
5.4 電磁轉(zhuǎn)矩105
5.5 電機(jī)模型與仿真105
5.5.1 靜止坐標(biāo)系電機(jī)動(dòng)態(tài)模型105
5.5.2 定子施加直流電壓的特性109
5.5.3 定子注入直流電流時(shí)的特性112
5.5.4 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向注入定子電流115
5.5.5 逆變器封鎖后電機(jī)狀態(tài)分析116
5.6 按定子電壓矢量定向的電機(jī)模型118
5.7 電機(jī)轉(zhuǎn)差與有功電流的關(guān)系120
5.8 電機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩特性121
第6章 矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)124
6.1 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的電機(jī)方程124
6.2 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測125
6.2.1 電壓模型125
6.2.2 電動(dòng)勢模型（閉環(huán)法）126
6.2.3 速度-轉(zhuǎn)差電流模型126
6.2.4 狀態(tài)方程電流模型法127
6.2.5 電流型矢量閉環(huán)控制系統(tǒng)128
6.2.6 電壓型矢量閉環(huán)控制系統(tǒng)128
6.3 有速度傳感器矢量控制130
6.3.1 速度反饋130
6.3.2 磁鏈觀測器131
6.3.3 有速度傳感器飛車起動(dòng)132
6.3.4 矢量控制系統(tǒng)仿真133
6.3.5 實(shí)驗(yàn)波形137
6.4 勵(lì)磁特性與控制138
6.4.1 靜態(tài)勵(lì)磁特性138
6.4.2 最佳磁場控制141
6.4.3 電流軌跡分析145
6.4.4 弱磁區(qū)的動(dòng)態(tài)磁場飽和146
6.4.5 勵(lì)磁特性系統(tǒng)仿真147
6.5 位置控制（懸停）149
6.6 力矩控制149
6.7 無速度傳感器矢量控制（SVC）150
6.7.1 模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)（MRAS）磁鏈觀測器152
6.7.2 觀測器防“陷死”功能158
6.7.3 正反轉(zhuǎn)切換158
6.7.4 直流母線電壓抑制158
6.7.5 無速度傳感器飛車起動(dòng)159
6.7.6 電感非線性（磁化曲線）161
6.7.7 SVC系統(tǒng)仿真162
6.8 PWM有源前端及功率因數(shù)控制163
6.9 本章數(shù)學(xué)基礎(chǔ)171
第7章 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)180
7.1 轉(zhuǎn)矩、磁鏈比較器181
7.2 最優(yōu)開關(guān)邏輯183
7.3 自適應(yīng)電機(jī)模型188
7.4 轉(zhuǎn)矩生成188
7.5 轉(zhuǎn)矩表達(dá)式189
7.6 磁鏈觀測器189
7.7 DTC特殊功能的實(shí)現(xiàn)196
7.7.1 有速度傳感器飛車起動(dòng)196
7.7.2 無速度傳感器飛車起動(dòng)196
7.7.3 直流電壓抑制197
7.7.4 閉環(huán)最優(yōu)磁場控制198
7.7.5 轉(zhuǎn)矩限幅特性200
7.7.6 電感非線性201
7.7.7 DTC標(biāo)量模式201
7.8 DTC仿真研究201
7.9 DTC的優(yōu)化策略203
7.10 定子電流動(dòng)態(tài)跟蹤法215
7.11 三電平逆變器DTC221
7.12 PI型直接轉(zhuǎn)矩控制（PI-DTC）229
第8章 級聯(lián)多電平高壓變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)231
8.1 主電路拓?fù)?31
8.1.1 移相隔離變壓器232
8.1.2 子單元（cell）拓?fù)?32
8.2 子單元PWM驅(qū)動(dòng)與輸出233
8.3 載波移相控制與單元奇偶數(shù)235