永磁同步電機無位置傳感器控制

原著作者
諸自強教授
1977年考入浙江大學電機系，1982年獲學士學位，1984年獲碩士學位，並留校擔任助教及講師。 1988年赴英國雪菲爾大學電子電力系學習，1991年獲雪菲爾大學博士學位。先後擔任雪菲爾大學英國文化委員會資助訪問學者（1988—1989年）、博士後（1989—1992年）、資深研究科學家（1992—2000年）、教授（2000年—）。現任雪菲爾大學頂尖教授（2014年—），英國皇家工程院/西門子特聘教授（2014年—），謝菲爾德大學電機與驅動研究團隊負責人（2008年—），謝菲爾德西門子風電研發中心創建主任（2009年—）、美的上海和謝菲爾德電機和驅動控制研發中心創建主任（2009年—）、美的上海和謝菲爾德電機和驅動控制研發中心，謝菲爾德中國新能源汽車國創中心電力驅動技術研究中心創建主任（2022年—）。
諸自強教授為英國皇家工程院院士、美國IEEE會士、英國IET會士、中國電機工程學會會士、中國電工技術學會會士和IET EPA學報主編。榮獲2024全球能源獎（Global Energy Prize)、2021 IEEE尼古拉·特斯拉獎和2019 IEEE工業應用學會傑出成就獎，並獲得38項最佳論文獎（包括7項IEEE/IET學報最佳論文獎）。獲得200多項發明專利，發表1500多篇學術論文，其中600多篇發表在IEEE/IET學報。主要從事新型永磁電機和先進控制關鍵技術的基礎和應用研究，包括電氣化交通（電動車、高鐵、多電飛機）、離岸風力、家用電器和自動化系統。
吳溪蒙博士
2011年獲合肥工業大學電機工程及其自動化學士學位，2016年及2020年分別獲英國雪菲爾大學電機工程碩士及博士學位。 2020—2023年為謝菲爾德大學博士後，現在丹麥西門子歌美颯可再生能源有限公司工作，主要從事永磁同步電機控制。

中文版序
原著前言
原著作者
符號表
縮寫
第1章概述
1.1引言
1.2永磁電機
1.2.1拓樸結構
1.2.2驅動系統
1.3永磁無刷交流馬達（永磁同步馬達）驅動的基本原理
1.3.1數學模型
1.3.2控制策略
1.4永磁無刷直流馬達驅動的基本原理
1.4.1數學模型
1.4.2控制策略
1.5永磁無刷直流馬達與永磁無刷交流馬達驅動的比較
1.5.1方波反電動勢電機
1.5.2正弦波反電動勢電機
1.6無位置傳感器控制技術及其應用
1.6.1分類
1.6.2應用
1.7本書範圍
參考文獻
第2章基於基波模型的無位置傳感器控制
2.1引言
2.2磁鏈法
2.2.1用於非凸極永磁同步馬達的磁鏈法
2.2.2用於凸極永磁同步馬達的有效磁鏈法
2.3反電動勢法
2.3.1用於非凸極永磁同步馬達的反電動勢法
2.3.2用於凸極永磁同步馬達的擴展反電動勢法
2.4方法比較
2.4.1反電動勢法和磁鏈法
2.4.2擴展反電動勢法和有效磁鏈法
2.5位置觀測器
2.5.1反正切函數法
2.5.2鎖相環
2.5.3簡化擴展卡爾曼濾波器
2.5.4模擬結果
2.6總結
參考文獻
第3章基於基波模型的無位置傳感器控制－常見問題與解決方案
3.1引言
3.2積分和濾波
3.2.1初值
3.2.2漂移
3.2.3延遲
3.3反電動勢及電流諧波
3.3.1反電動勢諧波的影響
3.3.2電流諧波的影響
3.4交叉飽和
3.4.1對位置估計的影響
3.4.2考慮交叉飽和的無位置傳感器控制
3.5參數不匹配
3.5.1對位置估計的影響
3.5.2參數不匹配下的位置校正方法
3.6參數不對稱
3.6.1不對稱數學建模
3.6.2對位置估計的影響
ⅩⅪ
ⅩⅫ
3.6.3諧波的抑制策略
3.7適用於低速位置估計的電壓和電流模型
3.7.1基於反電動勢模型的無位置傳感器控制
3.7.2基於磁鏈的無位置傳感器控制
3.8總結
參考文獻
第4章基於凸極的無位置傳感器控制
4.1引言
4.2永磁馬達高頻模型
4.2.1同步旋轉座標系
4.2.2估計同步旋轉座標系
4.2.3靜止座標系
4.3基於估計同步旋轉座標系的高頻訊號註入
4.3.1脈振正弦訊號
4.3.2脈振方波訊號
4.4基於靜止座標系的高頻訊號註入
4.4.1旋轉正弦波訊號註入
4.4.2脈振正弦訊號
4.4.3脈振方波訊號
4.5位置觀測器
4.5.1基本結構
4.5.2低通濾波器的影響
4.5.3誤差收斂分析
4.6其他方法
4.6.1瞬時電壓向量註入法
4.6.2PWM激勵法
4.7總結
參考文獻
第5章基於凸極的無位置傳感器控制－常見問題與解決方案
5.1引言
5.2交叉飽和
5.2.1對位置估計的影響
5.2.2補償策略
5.3馬達凸極特性與負載效應
5.3.1馬達凸極特性
5.3.2馬達凸極圓
5.4多重凸極效應
5.5參數不對稱
5.5.1基於電感不對稱的高頻模型
5.5.2電感不對稱所導致的位置誤差抑制
5.5.3實驗結果
5.6逆變器非線性效應
5.6.1產生機理
5.6.2高頻電壓畸變
5.6.3高頻電流畸變
5.6.4補償策略
5.7訊號處理延遲
5.8註入電壓幅值與頻率的選取
5.8.1A/D轉換量化誤差
5.8.2無位置感知器控制安全工作區
5.8.3實驗結果
5.8.4無位置傳感器控制效果
5.8.5偽隨機訊號註入選取
5.9高低速切換策略
5.10總結
參考文獻
第6章基於零序電壓凸極追蹤的無位置傳感器控制
6.1引言
6.2旋轉正弦波訊號註入
6.2.1零序電壓模型
6.2.2訊號解耦
6.3傳統脈振正弦波訊號註入
6.4反向旋轉脈振正弦波訊號註入
6.4.1反向旋轉訊號註入
6.4.2訊號解耦
6.4.3交叉飽和效應
6.4.4實驗結果
6.5傳統脈振方波訊號註入
6.6反向旋轉脈振方波訊號註入
Ⅹ
ⅩⅩⅣ
6.6.1反向旋轉訊號註入
6.6.2訊號解耦
6.6.3交叉飽和效應
6.6.4實驗結果
6.7總結
參考文獻
第7章雙三相永磁同步馬達與開繞組永磁同步馬達無位置感知器控制
7.1引言
7.2雙三相永磁同步電機
7.2.1數學模型
7.2.2基於電流響應的高頻註入無位置傳感器控制
7.2.3基於電壓響應的高頻註入無位置傳感器控制
7.2.4基於基波模型的無位置傳感器控制
7.2.5基於3次諧波反電動勢的無位置傳感器控制
7.3開繞組永磁同步電機
7.3.1數學模型
7.3.2基於相移的開繞組永磁同步馬達SVPWM
7.3.3基於零序電流的無位置傳感器控制策略
7.3.4基於零序電壓的非參數化無位置傳感器控制策略
7.4總結
參考文獻
第8章轉子極性判斷
8.1引言
8.2雙電壓脈衝註入法
8.3d軸電流註入法
8.3.1高頻電流響應
8.3.2高頻零序電壓響應
8.42次諧波法
8.4.1數學模型
8.4.2高頻電流響應
8.4.3高頻零序電壓響應
8.4.4實驗結果
8.5總結
參考文獻
第9章轉子初始位置估計
9.1引言
9.2磁飽和效應
9.3基於三相電流檢測的電壓脈衝註入法
9.3.1脈衝激勵策略
9.3.2電流響應模型
9.3.3初始位置估計
9.4改進的基於三相電流檢測的電壓脈衝註入法
9.4.1三相電流響應的利用
9.4.2脈衝註入序列
9.4.3邊界偵測策略
9.4.4實驗結果
9.5基於直流母線電壓的脈衝註入方法
9.5.1直流母線電壓波動的利用
9.5.2脈衝註入
9.5.3實驗結果
9.6電壓脈衝的選取
9.6.1持續時間的選取
9.6.2幅值的選取
9.6.3實驗結果
9.7高頻訊號註入法
9.7.1三相高頻電流幅值
9.7.2扇區檢測
9.7.3實驗結果
9.8總結
參考文獻
第10章永磁無刷直流馬達的過零點偵測法無位置傳感器控制
10.1引言
10.2過零點偵測原理
10.2.1數學模型
10.2.2典型電流波形
10.2.3永磁無刷直流馬達的無位置感知器控制
10.3基於PWM的過零點偵測
ⅩⅩⅤ
ⅩⅩⅥ
10.3.1PWM方法
10.3.2反電動勢的測量
10.4過零點偏差及解決方案
10.4.1馬達參數不對稱所造成的水平偏差
10.4.2RVD電阻容差引起的垂直偏差
10.4.3自適應閾值校正策略
10.4.4實驗結果
10.5續流角
10.5.1PWM方法
10.5.2無位置感知器控制安全工作區
10.5.3電阻和電感
10.5.4直流母線電壓
10.5.5PWM佔空比
10.6馬達設計的影響
10.7總結
參考文獻
第11章基於3次諧波反電動勢的無位置傳感器控制
11.1引言
11.2檢測方法
11.2.13次諧波反電動勢
11.2.2虛擬3次諧波反電動勢
11.3永磁無刷直流馬達控制
11.3.1無PWM
11.3.2有PWM
11.4永磁無刷交流馬達（永磁同步馬達）控制
11.4.1基於積分法的轉子位置估計方法
11.4.2基於過零點校正的轉子位置估計方法
11.4.3基於連續訊號的轉子位置估計方法
11.4.4實驗結果
11.5雙三相永磁同步馬達的位置估計
11.5.1基於3次諧波磁鏈的位置估計
11.5.2基於3次諧波反電動勢的位置估計
11.5.3實驗結果
11.63次諧波反電動勢檢測法的常見問題
11.6.1中性線的要求
11.6.23次諧波反電動勢的缺失
11.6.3轉子凸極性
11.6.4三相不平衡
11.7虛擬3次諧波反電動勢偵測法的常見問題
11.7.1參數不對稱下的過零點檢測
11.7.2參數不對稱下的換向誤差
11.7.3換向誤差的相位補償
11.7.4實驗結果
11.8總結
參考文獻
第12章現代控制理論的應用
12.1引言
12.2模型參考自適應系統
12.2.1基本原理
12.2.2基於電流模型的觀測器
12.2.3基於電壓模型的觀測器
12.2.4簡化電壓模型觀測器
12.3滑模觀測器
12.3.1基本原理
12.3.2傳統滑模觀測器
12.3.3抖動問題及解決方案
12.4擴展卡爾曼濾波器
12.4.1基本原理
12.4.2永磁同步馬達的簡化模型
12.4.3全階擴展卡爾曼濾波器
12.4.4降階擴展卡爾曼濾波器
12.4.5參數調節
12.5模型預測控制
12.5.1電流預測控制
12.5.2基於無差拍求解的電流預測控制
12.5.3高頻註入無位置傳感器控制
12.6總結
參考文獻
ⅩⅩⅦ
ⅩⅩⅧ
附錄
附錄A轉速估計
A.1基於轉子位置的轉速估計
A.2基於馬達模型的轉速估計
A.3混合轉速估計
參考文獻
附錄B樣機與實驗平臺
B.1永磁無刷交流馬達驅動系統
B.2永磁無刷直流馬達驅動系統