永磁无刷电机及其驱动技术

专门阐述永磁交流电机，并着重探讨其控制及低成本变流装置拓扑结构。书中内容曾广泛用于弗吉尼亚理工大学的博士生教学，并得到丹麦奥尔堡大学、美国及其他国家的业界读者的肯定。

全面阐述了现代永磁交流电机系统的驱动及控制思想，从永磁材料的基本特性讲起，详细介绍了永磁交流电机的常规结构及近年来兴起的特殊结构及其设计分析方法；对正弦波永磁同步电机和方波无刷直流电机的驱动控制策略都进行了详细描述，总结了功率器件的开关特性和损耗，整流器及逆变器的拓扑；并且从控制器的成本和可靠性的角度给予了具体设计指导。

适宜于从事电机及其控制、电力电子技术和机电一体化的工程技术人员阅读。

《国际电气工程先进技术译丛：永磁无刷电机及其驱动技术》共分14章，全面阐述了现代永磁交流电机系统的设计及驱动控制思想。本书从永磁材料的基本特性讲起，详细介绍了永磁交流电机的常规结构和近年来兴起的特殊结构及其设计分析方法；对正弦波永磁同步电机和方波无刷直流电机的驱动控制策略都进行了详尽描述，总结了功率器件的开关特性和损耗，整流器及逆变器的拓扑；并且从控制器的成本和可靠性的角度给予了具体设计指导。
《国际电气工程先进技术译丛：永磁无刷电机及其驱动技术》构思继承了国外高水平著作的一贯特色，内容由浅入深，理论翔实，分析透彻，并且引用大量高水平参考文献，能够最大程度地反映近20年国际上永磁交流电机的发展和新成果。
《国际电气工程先进技术译丛：永磁无刷电机及其驱动技术》适宜于从事电机及其控制、电力电子技术和机电一体化的工程技术人员阅读，也可作为大专院校相关教师、研究生和高年级本科学生的参考书。

R．Krishnan是弗吉尼亚理工大学的电气与计算机工程系的教授、同时他也担任快速传输系统研究中心(CRTS)的主任，该中心是全世界直线和旋转电机驱动领域的专业研究中心。Krishnan教授拥有7项美国专利，做过18家美国公司的企业顾问，曾为工业界和学术界讲授过许多有关于矢量控制的感应电机，永磁同步电机和无刷直流电机，开关磁阻电机，以及直线电机等这些电机的驱动系统的课程。Krishnan教授是IEEE的会士，IEEE工业电子协会的杰出讲师。

Krishnan教授也是(EIectric Motor Drives)和(Switched Reluctance MotorDrives)这两本书的作者。在2003年，由于在工业电子学领域杰出的技术贡献，他被授予IEEE工业电子协会尤金·米特尔曼博士成就奖。

译者序
前言
致谢
作者简介
符号表

第一部分 永磁材料、永磁电机、逆变器及其控制的基本知识

第1章 永磁材料与永磁电机
1.1 永磁材料
1.1.1 退磁曲线
1.1.2 工作点和气隙线
1.1.3 磁能积
1.1.4 永磁体存储的能量
1.1.5 永磁体体积
1.1.6 外加磁场的影响
1.1.6.1 解析法
1.1.6.2 图解法
1.2 永磁体的布置方式
1.3 永磁体的充磁方式
1.3.1 径向和平行充磁
1.3.2 Halbach阵列
1.4 永磁交流电机
1.4.1 电机结构
1.4.2 永磁转子结构
1.4.2.1 表贴式永磁同步电机
1.4.2.2 表面嵌入式永磁同步电机
1.4.2.3 内置式永磁同步电机
1.4.2.4 异步起动永磁同步电机
1.4.3 混合励磁电机
1.4.3.1 磁通反向永磁同步电机
1.4.3.2 开关磁链电机
1.4.3.3 永磁开关磁阻电机或双凸极永磁电机
1.4.4 集中绕组永磁同步电机
1.4.5 永磁同步电机的分类
1.5 同步电机的基本理论
1.5.1 工作原理
1.5.2 单匝线圈的磁动势
1.5.3 正弦磁动势分布
1.5.3.1 同心绕组
1.5.3.2 分布绕组
1.5.4 感应电动势
1.5.4.1 绕组的分布因数
1.5.4.2 绕组的节距因数
1.5.4.3 绕组的斜槽因数
1.5.4.4 绕组因数
1.5.5 绕组形式
1.5.5.1 单层绕组
1.5.5.2 双层绕组
1.5.6 旋转磁场
1.5.6.1 正弦磁动势分布
1.5.6.2 方波磁动势分布
1.6 同步电机的基本关系
1.6.1 有效气隙
1.6.2 永磁体对感应电动势的作用
1.6.3 电磁功率和电磁转矩
1.6.4 电磁转矩的基本表达式
1.6.5 电机输出方程
1.6.6 永磁体的面电流等效
1.6.7 定子电流阈值
1.6.8 电感
1.6.8.1 每相自感
1.6.8.2 励磁电感
1.6.8.3 同步电感
1.6.8.4 直、交轴电感
1.6.9 定子励磁对气隙磁通密度的影响
1.7 铁心损耗
1.7.1 定子铁心损耗
1.7.2 涡流损耗
1.7.2.1 齿部涡流损耗
1.7.2.2 轭部涡流损耗
1.7.3 齿部和轭部的磁通密度幅值
1.7.4 磁滞损耗
1.7.5 电机中铁心损耗的测量
1.8 电阻损耗
1.9 电机的初步设计
1.10 齿槽转矩
1.10.1 齿槽转矩成因及幅值
1.10.2 齿槽转矩的基本理论
1.10.3 分析和计算
1.10.4 影响齿槽转矩的因素
1.10.5 削弱方法
1.10.5.1 斜槽
1.10.5.2 改变永磁体宽度
1.10.5.3 改变槽宽
1.10.5.4 采用不同的极弧系数
1.10.5.5 齿顶开辅助槽
1.11 永磁同步电机基于磁通路径的分类
1.12 振动与噪声
参考文献

第2章 逆变器及其控制导论
2.1 功率器件
2.1.1 功率器件与开关电源
2.1.1.1 电力二极管
2.1.1.2 MOSFET
2.1.1.3 绝缘栅双极型晶体管
2.1.2 功率器件的开关
2.1.3 器件损耗
2.1.3.1 通态损耗
2.1.3.2 开关损耗
2.2  直流输入电源
2.3  直流到交流的功率变换
2.3.1 单相半波逆变器
2.3.2 单相全波逆变器
2.3.3 三相逆变器
2.4 有功功率
2.5 无功功率
2.6 逆变器控制的必要性
2.7 脉冲宽度调制技术
2.8 滞环电流控制
2.9 空间矢量调制技术
2.9.1 逆变器的开关状态
2.9.2 空间矢量调制的原理
2.9.3 空间矢量调制的实现
2.9.4 空间矢量调制的开关纹波
2.10 逆变器的开关延时
2.11 输入功率因数校正电路
2.11.1 单相功率因数校正电路
2.11.2 三相功率因数校正电路
2.12 四象限运行
2.13 变换器的要求
参考文献

第二部分 永磁同步电机及其控制

第3章 永磁同步电机的动态模型
3.1 两相永磁同步电机的实时模型
3.2 静止坐标系到转子参考坐标系的变换
3.3 三相坐标系到两相坐标系的变换
3.4 零序电感的推导
3.5 功率等效
3.6 电磁转矩
3.7 稳态转矩特性
3.8 磁链模型
3.9 等效电路
3.1 0归一化模型
3.11 动态仿真
3.12 永磁同步电机的小信号方程
3.13 永磁同步电机的控制特性
3.14 时间响应的计算
3.15 空间相量模型
3.15.1 原理
3.15.2 模型的推导
参考文献

第4章 永磁同步电机的控制策略
4.1 矢量控制
4.2 矢量控制的推导
4.2.1 电磁转矩
4.2.2 定子参考坐标系下d轴与q轴电流
4.2.3 共磁链
4.2.4 转矩角在电机运行中的作用
4.2.5 关键的结论
4.3 驱动系统原理图
4.3.1 转矩控制型驱动系统
4.3.2 转矩控制型驱动系统的仿真及结果
4.3.3 速度控制型驱动系统
4.3.3.1 共磁链的控制原则
4.3.3.2 弱磁区域的转矩控制原则
4.3.4 速度控制型驱动系统的仿真及结果
4.4 控制策略
4.4.1 恒转矩角（δ=90°）控制
4.4.2 单位功率因数控制
4.4.3 恒共磁链控制
4.4.4 气隙磁通与电流相量角控制
4.4.5 单位电流最优转矩控制
4.4.6 恒功率损耗控制
4.4.7 最大效率控制
参考文献

第5章 弱磁控制
5.1 最大转速
5.2 弱磁算法
5.2.1 间接控制策略
5.2.2 恒转矩模式控制器
5.2.3 弱磁控制器
5.2.4 系统性能
5.3 直接弱磁
5.3.1 最大容许转矩限制
5.3.2 转速控制方案
5.3.3 实施策略
5.3.4 系统性能
5.4 参数敏感性
5.4.1 定子绕组电阻变化
5.4.2 转子磁链变化
5.4.3 q轴电感变化
5.5 无模型（参数不敏感）弱磁方法
5.6 永磁同步电机的六步电压和恒反电动势控制策略
5.6.1 恒反电动势控制策略
5.6.1.1 基本原理
5.6.1.2 弱磁区域内的最大电流
5.6.1.3 运行边界
5.6.1.4 弱磁区域内的最大转速
5.6.2 六步电压控制策略
5.6.2.1 基本原理分析
5.6.2.2 SSV模式下的稳态电流
5.6.2.3 SSV控制策略的运行边界
5.6.2.4 比较
5.7 直接稳态评价
5.7.1 输入电压
5.7.2 状态空间形式的电机方程
5.7.3 边界匹配条件及方程解
5.7.4 MATLAB程序
5.8 表面式与内置式永磁同步电机的弱磁控制
参考文献

第6章 电流和转速控制器的设计
6.1 电流控制器
6.1.1 基于转子参考坐标系的电流控制器
6.1.2 基于定子参考坐标系的电流控制器
6.1.3 最小拍电流控制器
6.1.3.1 最小拍控制器
6.1.3.2 最小拍预测控制器
6.1.3.3 改进的最小拍预测控制器
6.2 转速控制器
6.2.1 原理框图的推导
6.2.2 简化的电流环传递函数
6.2.3 转速控制器
参考文献

第7章 参数敏感性及补偿
7.1 引言
7.1.1 转矩与其参考值之比
7.1.2 共磁链与其参考值之比
7.2 基于电磁功率反馈控制的参数补偿
7.2.1 补偿算法
7.2.2 性能仿真
7.3 基于无功功率反馈控制的参数补偿
7.3.1 无功功率反馈补偿策略的原理
7.3.2 驱动器的原理
7.3.3 仿真结果
7.3.4 与电磁功率反馈控制的比较
参考文献

第8章 转子位置估算及无位置传感器控制
8.1 电流模型自适应策略
8.2 外加信号注入法
8.2.1 旋转电压相量注入策略
8.2.2 在旋转的q轴上注入磁链
8.2.2.1 算法
8.2.2.2 解调
8.2.2.3 观测器
8.2.2.4 实施
8.2.2.5 策略的优缺点
8.2.3 交流电压相量注入法
8.2.3.1 无传感器算法
8.2.3.2 实施
8.3 基于电流模型的注入策略
8.4 基于PWM载波成分的位置估算
8.4.1 谐波电压和电流矢量
8.4.2 转子位置估算
8.4.3 性能
参考文献

第三部分 永磁无刷直流电机及其控制

第9章 永磁无刷直流电机
9.1 永磁无刷直流电机的数学模型
9.2 归一化的系统方程
9.3 永磁无刷直流电机驱动系统框图
9.4 动态模拟
参考文献

第10章 换相转矩脉动和相位超前
10.1 换相转矩脉动
10.2 相位超前
10.3 动态模型
参考文献

第11章 永磁无刷直流电机的半波驱动
11.1 分裂式电源变换器拓扑结构
11.1.1 永磁无刷直流电机在分裂式电源变换器下的运行
11.1.2 变换器的工作模式
11.1.3 采用分裂式电源变换器拓扑的永磁无刷直流电机驱动器的优缺点
11.1.4 永磁无刷直流电机的设计要点
11.1.5 电机电感对动态性能的影响
11.1.6 绕组连接
11.1.7 驱动系统描述
11.1.8 永磁无刷直流电机驱动系统的建模、仿真和分析
11.1.8.1 永磁无刷直流电机在不同变换器模式下的建模
11.1.8.2 转速控制器的建模
11.1.8.3 控制电路
11.1.8.4 电流环的建模
11.1.8.5 仿真与分析
11.1.8.6 电流换相角
11.1.8.7 半桥整流和全桥整流永磁无刷直流电机驱动器的比较
11.2 C-dump变换器拓扑结构
11.2.1 基于C-dump变换器的永磁无刷直流电机驱动系统的运行原理
11.2.1.1 电动运行
11.2.1.2 再生制动运行
11.2.2 C-dump变换器的永磁无刷直流电机驱动系统分析
11.2.2.1 最大转速
11.2.2.2 反向峰值电流
11.2.2.3 储能电容
11.2.2.4 能量释放斩波器
11.2.3 与基于全波逆变器控制的永磁无刷直流电机驱动系统的比较
11.2.4 建模、仿真及动态性能
11.2.4.1 建模
11.2.4.2 系统性能
11.3 可变直流母线变换器拓扑结构
11.3.1 工作原理
11.3.2 电动运行
11.3.3 系统性能
11.3.3.1 转矩驱动器特性
11.3.3.2 速度控制型驱动器性能
11.3.4 优缺点
11.4 前端buck-boost可变电压变换器拓扑结构
11.4.1 变换器电路
11.4.2 永磁无刷直流电机驱动系统的运行模式和建模
11.4.3 优缺点
11.4.4 与全桥逆变驱动的比较
11.4.5 前端buck-boost电路电感和输出电容的设计
11.4.6 控制策略及性能
11.4.6.1 策略Ⅰ——电压开环控制
11.4.6.2 策略Ⅱ——电压闭环控制
11.4.6.3 策略Ⅲ——直接相电流控制
参考文献

第12章 电流和转速控制器的设计
12.1 电机和负载的传递函数
12.2 逆变器的传递函数
12.3 电流和转速控制器的传递函数
12.4 电流反馈
12.5 转速反馈
12.6 控制器的设计
12.6.1 电流控制器
12.6.2 电流内环的一阶近似
12.6.3 转速控制器
参考文献

第13章 永磁无刷直流电机驱动的无传感器控制
13.1 电流检测
13.2 位置估计
参考文献

第14章 特殊问题
14.1 转矩平滑
14.2 永磁无刷直流电机驱动的参数敏感性
14.3 故障和诊断
14.4 振动和噪声
参考文献

前  言

    已有的关于永磁（PM）交流电机传动方面的书籍主要集中在介绍电机本体设计方法，同时涵盖一些与之相匹配的基本控制变流装置。在过去20年间，对于控制算法的研究、开发及其应用的文献在杂志和各类会议中逐渐涌现。如今，由这些杂志和会议论文集提供的资料足以整合成书，以飨业界及高校读者。多年来，作为电力电子技术在这些驱动系统中的应用，三相桥式逆变器已成经典。但对其的理解和控制仍发生了巨大变化。成本最小化已成为当今批量化生产所关注的主要问题，这就迫使人们重新考虑子系统的成本。由于控制器成本已根据其用途标准化，显然如何降低变流装置和电机的成本就成了问题的关键。最近，人们还考虑如何采用新的电能变换器拓扑结构来降低驱动系统的成本。这样，能够出版一本专门阐述永磁交流电机、并着重探讨其控制及低成本变流装置拓扑结构的书就显得十分必要。以此为出发点，本书已构思多年。书中内容曾广泛用于弗吉尼亚理工大学的博士生教学，并得到丹麦奥尔堡大学、美国及其他国家的业界读者的肯定。

    《国际电气工程先进技术译丛：永磁无刷电机及其驱动技术》分为三部分，第一部分讲述电机的基本原理，电力设备、变换器及其控制（第1、2章）；第二部分和第三部分分别阐述永磁同步电机（第3～8章）和无刷直流电机驱动（第9～14章）。

    要想了解永磁交流电机的驱动，必须从这类电机的基础知识开始进行。第1章主要介绍了永磁材料的特性及其工作点，介绍了永磁同步电机转子结构，永磁同步电机与无刷直流电机的区别，绕组，齿部、轭部磁密分布，电机相关尺寸的表达式，输出转矩、功率与永磁体及定子励磁的关系，电感等相关的基本知识，而后介绍了铁心损耗的计算与测量方法以便建立电机的模型及控制策略。由于正弦波永磁同步电机无论在运行原理、控制及功能上都比方波永磁同步电机更接近其他的交流电机，因此以介绍正弦波永磁同步电机为主。同时既向读者介绍了永磁体位于转子上不同磁路结构的传统永磁电机又介绍了新结构的永磁电机，如永磁体位于定子上的特殊结构电机以及Halbach阵列布置的电机等。

    第2章简要介绍了功率器件和它们的开关特性与损耗，整流器及逆变器。逆变器主要介绍了其模型，开关方案及其优缺点。同时介绍了四象限运行常用的学术用语及其在永磁交流电机中的应用。

    第3章系统地介绍了转子dq轴坐标系和空间矢量变换下的永磁同步电机的动态模型。本章忽略了一些基本的推导过程，认为读者对基本的电路定理和简单的坐标投影关系有所了解。本章数学模型的建立和分析通过MATLAB软件进行。永磁同步电机的动态模型在随后的研究中还会用到。

    永磁同步电机最基本的控制方式是矢量控制，这需要对电机的转矩和磁通进行解耦。诸多种需要实现的控制特性，如功率角、功率因数、恒磁链、最大单位电流转矩、功率和磁通的相位角，恒功率损耗以及最大效率都需要通过矢量控制器得以实现，因此相应的出现了多种控制策略。所有的这些控制策略以及他们的特点在第4章中都进行了详细阐述。

    弱磁控制是永磁同步电机控制中扩大转速范围的重要方法。第5章中详细介绍了许多弱磁控制的方法。重点介绍了六拍逆变器在弱磁状态下的运行，并且与其他基于参数和非参数模型的控制器中的弱磁控制方法进行了比较。

比较并讨论了参数相同的表面式和内置式永磁电机在弱磁控制和恒功率区域运行时的特性。

    为了转矩控制，驱动电路中设置有不变的内置电流环，因此在控制器的设计中，电流控制器的设计是极为必要的。电流控制器的设计可以从传递函数中推导得到，传递函数可以用框图还原法获得。这种方法建立起了自励直流电机和永磁同步电机驱动之间的相似性，使读者更易理解。速度控制由外部的速度反馈环实现。速度控制器的设计方法可以通过对称最优法得到。第6章通过一个例子具体讲述了控制器的设计过程。

    几乎所有的控制策略都依赖于电机参数的给定，电机中的定子电阻和转子磁链的敏感性都受到温度的影响，而q轴电感则受到饱和的影响，第7章分析了这些因素对永磁同步电机驱动性能造成的影响，并给出了消除这些影响的方法。

    转子位置信息在永磁同步电机的控制中十分重要。从控制器的成本和可靠性的角度来看，无位置传感器控制方法的研究是很有意义的。第8章介绍了一些无位置传感器的控制方法。

    第9～14章讲述永磁无刷直流电机驱动的相关内容。第9章详尽阐述了驱动系统的模型及仿真，并介绍了一种广泛应用的控制策略。

第10章研究了换相转矩脉动及其计算的重要问题。利用傅里叶级数分析了转矩产生的机理，利用该机理介绍了电机的弱磁方法。

半波逆变器拓扑结构是低成本、高性能、大容量设备的首要选择，第11章分析了4种用于永磁无刷直流电机驱动系统的半波逆变器拓扑结构。

    利用与永磁同步电机驱动系统相似的分析方法，第12章详尽分析了电流和转速控制器的设计方法。第13章探讨了永磁无刷直流电机的无电流传感器及无位置传感器控制的各种方法。第14章概述了驱动系统中转矩平滑、参数敏感性等相关问题。

    《国际电气工程先进技术译丛：永磁无刷电机及其驱动技术》为电气工程专业的工程技术人员编写。本书的内容也应用于弗吉尼亚理工电子与通信工程系一学期电机驱动领域的高级课程教学。

 R.Krishnan

译者序

    由于稀土钕铁硼永磁材料的问世，使得永磁电机成为高功率密度和高效率电机的代表。永磁电机结构简单，控制灵活，转子形式多样易于实现最优化设计，因此在过去的20年，围绕永磁电机的本体设计，控制算法的研究、开发和应用一直是业界和高校师生关注的热点。在21世纪迈入的第二个10年里，永磁电机已经不可避免地在许多高精度应用场合取代了传统交流感应电机。唯一的制约因素就是其略高的电机和控制器制造成本。近年来，人们也在考虑如何采用新的电能变换器拓扑结构来降低驱动器的成本。已有的关于永磁交流电机传动方面的书籍主要集中在介绍电机本体设计方法，同时涵盖一些与之相匹配的基本控制变流装置。因此，出版一本专门阐述永磁交流电机，并着重讨论其控制器及低成本变流装置拓扑结构的书就显得十分必要。

    《国际电气工程先进技术译丛：永磁无刷电机及其驱动技术》作者R.Krishnan是美国弗吉尼亚州弗吉尼亚理工大学的电气与计算机工程系的教授，同时他也担任快速传输系统研究中心（CRTS）主任，该中心是全世界直线和旋转电机驱动领域的专业研究中心。

     R.Krishnan教授在电机和工业电子应用领域具有非常高的知名度。他的论文多次获得过IEEE工业应用协会的最佳论文，他的专著《电机驱动》（Electric Motor Drives）一书，在多个国家出版发行，销量非常大，成为电机驱动领域科研工作者的手册书籍。本书延续了他著作的一贯特色，内容由浅入深，理论翔实，分析透彻，并且引用大量高水平参考文献，能够最大程度反映近20年国际上永磁交流电机的发展和最新成果，是一本非常值得深入研究体会的永磁交流电机书籍。

    《国际电气工程先进技术译丛：永磁无刷电机及其驱动技术》共分为三部分，第一部分讲述电机的基本原理、逆变器及其控制（第1、2章）；第二部分和第三部分分别阐述永磁同步电机（第3～8章）和无刷直流电机驱动（第9～14章）。

    《国际电气工程先进技术译丛：永磁无刷电机及其驱动技术》的主要翻译工作由哈尔滨工业大学柴凤教授统稿，柴凤教授、博士生倪荣刚和包敬超负责本书的第一部分翻译工作，裴宇龙博士和于艳君博士负责本书的第二部分翻译工作，陈磊博士和程丹松博士负责本书的第三部分翻译工作。顾磊同学协助整理文稿。

    译者所在的科研小组从事永磁电机研究多年，对国内外永磁电机的研究进展一直非常关注，也一直有将国外的研究成果引入国内的愿望。感谢机械工业出版社给了译者一次翻译国外高水平著作的机会，使我们能在进行该项翻译工作的同时，对永磁交流电机驱动和控制技术有了更加深刻的认知。也希望我们的工作能给国内的科技工作者带来方便，共同发展我国的高性能电机设计和控制技术。

    由于译者学识和能力有限，书中翻译内容难免会出现不能准确反映作者思想之处，敬请有关专家和读者给予批评指正。

译者