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本書(shū)以繞組開(kāi)路永磁同步電機(jī)為控制對(duì)象和具體示例，綜合介紹了繞組開(kāi)路電機(jī)系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制原理與新進(jìn)展。主要包括繞組開(kāi)路永磁同步電機(jī)模型、常規(guī)模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)，以及多種繞組開(kāi)路永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方案。本書(shū)內(nèi)容不同于常規(guī)繞組開(kāi)路電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制，主要提出了模型預(yù)測(cè)全轉(zhuǎn)矩控制、四段式模型預(yù)測(cè)電流控制與時(shí)變周期的復(fù)合矢量模型預(yù)測(cè)電流控制等策略，在繼承常規(guī)模型預(yù)測(cè)控制優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)有效提升了繞組開(kāi)路電機(jī)系統(tǒng)的整體控制表現(xiàn)，豐富了交流電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制的理論體系。

本書(shū)可供電機(jī)驅(qū)動(dòng)方向的研究人員、研究生，以及高年級(jí)本科生使用，也可供從事交流電機(jī)控制技術(shù)研發(fā)的工程技術(shù)人員參考。

本書(shū)以繞組開(kāi)路永磁同步電機(jī)為具體對(duì)象，介紹了其數(shù)學(xué)模型及其基本控制理論；以此為基礎(chǔ)，重點(diǎn)討論了共直流母線拓?fù)湎驴紤]零序電流抑制的模型預(yù)測(cè)控制策略，從不同角度豐富了繞組開(kāi)路電機(jī)系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制理論體系。
從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)角度，本書(shū)針對(duì)單邊可控與雙邊可控兩類(lèi)繞組開(kāi)路電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)，給出了多種預(yù)測(cè)控制方案；從控制性能優(yōu)化角度，本書(shū)闡述了三維空間電壓矢量模型預(yù)測(cè)控制、全轉(zhuǎn)矩控制及復(fù)合矢量模型預(yù)測(cè)控制等方法，擴(kuò)展了繞組開(kāi)路電機(jī)系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制理論；從提高系統(tǒng)可靠性角度，本書(shū)分別從故障診斷、故障拓?fù)浼叭蒎e(cuò)控制三個(gè)層面給出了繞組開(kāi)路電機(jī)系統(tǒng)可靠性提升的解決方法。

前言
經(jīng)過(guò)幾十年的快速發(fā)展，交流電機(jī)控制無(wú)論是在理論方面還是工程應(yīng)用方面均獲得了長(zhǎng)足進(jìn)步，然而隨著電動(dòng)汽車(chē)與航空航天等高端制造業(yè)對(duì)交流電機(jī)控制需求的持續(xù)提升，經(jīng)典控制框架下的交流電機(jī)控制仍然面臨諸多問(wèn)題，如穩(wěn)定性與快速性的矛盾、控制與調(diào)制的割裂設(shè)計(jì)、穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)控制表現(xiàn)無(wú)法兼顧等。鑒于此，有必要在交流電機(jī)控制問(wèn)題上引入一種全新的控制框架，從而突破現(xiàn)有控制框架的理論限制與技術(shù)瓶頸。而有限集模型預(yù)測(cè)控制利用交流電機(jī)與逆變器的數(shù)學(xué)模型對(duì)系統(tǒng)未來(lái)控制行為進(jìn)行預(yù)測(cè)，并直接對(duì)電壓矢量進(jìn)行選擇，從而避免了控制與調(diào)制的相互限制，為交流電機(jī)系統(tǒng)提供了另外一種全新的控制思路。

在國(guó)家自然科學(xué)基金等的資助下，作者近年來(lái)在繞組開(kāi)路電機(jī)系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制領(lǐng)域開(kāi)展了相關(guān)研究，取得了一些科研成果，特別是突破了常規(guī)模型預(yù)測(cè)控制的默認(rèn)規(guī)則與理論局限，提出了三維空間矢量模型預(yù)測(cè)控制、全轉(zhuǎn)矩模型預(yù)測(cè)控制，以及時(shí)變周期的復(fù)合矢量模型預(yù)測(cè)電流控制等策略，在繼承常規(guī)模型預(yù)測(cè)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)。另外，從矢量選擇、權(quán)重因子、故障診斷與容錯(cuò)控制等多個(gè)維度進(jìn)一步豐富了模型預(yù)測(cè)控制的理論體系。

本書(shū)是一本專(zhuān)門(mén)介紹繞組開(kāi)路電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制相關(guān)技術(shù)的專(zhuān)著，共包含十章內(nèi)容，其中前兩章為概述和共直流母線型繞組開(kāi)路永磁同步電機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，后八章為本書(shū)的重點(diǎn)，主要介紹了幾種基于零序電流抑制的模型預(yù)測(cè)控制、全轉(zhuǎn)矩模型預(yù)測(cè)控制、時(shí)變周期的復(fù)合矢量模型預(yù)測(cè)電流控制、四段式模型預(yù)測(cè)電流控制、考慮死區(qū)影響的模型預(yù)測(cè)電流控制、故障診斷、二次故障拓?fù)浼叭蒎e(cuò)控制等核心內(nèi)容。本書(shū)由張曉光統(tǒng)籌撰寫(xiě)，在作者實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)與工作過(guò)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、徐馳、閆康、白海龍、高旭、王子維、張晨光、李霽、劉崢、張涵、吳震和張國(guó)富為本書(shū)的成稿做出了重要貢獻(xiàn)，這其中要特別感謝的是張晨光、張涵、閆康、張文涵、徐馳、李毅和王克勤，是這幾位研究生在作者實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)期間的刻苦努力才有了本書(shū)的成稿。

作者希望本書(shū)能夠幫助致力于交流電機(jī)模型預(yù)測(cè)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。由于作者水平有限，并且電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制理論正處在飛速發(fā)展的過(guò)程中，書(shū)中難免存在很多不合適甚至錯(cuò)誤之處，敬請(qǐng)讀者朋友們批評(píng)指正。




張曉光

2024年5月6日于北京

張曉光，北方工業(yè)大學(xué)毓杰人才特聘教授，于2014年在哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲得博士學(xué)位，2012-2013年在美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜校區(qū)進(jìn)行博士聯(lián)合培養(yǎng)，合作導(dǎo)師為T(mén).A.Lipo 院士；2014年加入北方工業(yè)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，目前擔(dān)任電力電子與電氣傳動(dòng)北京市工程技術(shù)研究中心主任。主持國(guó)家自然科學(xué)基金2項(xiàng)、北京市自然科學(xué)基金（優(yōu)秀結(jié)題）、北京市科技專(zhuān)項(xiàng)等省部級(jí)項(xiàng)目5項(xiàng)，以及國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題、企業(yè)合作課題等10余項(xiàng)。研究成果以第一/通信作者發(fā)表SCI/EI論文50余篇，其中SCI 期刊論文21篇（1區(qū)期刊14篇），有3篇論文入選ESI高被引論文。獲得Journal of Power Electronic 期刊最佳論文獎(jiǎng)(2019年)、電機(jī)與系統(tǒng)國(guó)際會(huì)議（ICEMS）最佳論文獎(jiǎng)(2018年)、北京市科學(xué)技術(shù)（自然科學(xué)）三等獎(jiǎng)（2018年，排二）、北方工業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新優(yōu)秀獎(jiǎng)；入選北京市科技新星、北京市委組織部青年拔尖人才、北京市高創(chuàng)計(jì)劃青年拔尖人才等多項(xiàng)人才計(jì)劃。擔(dān)任IET-Power Electronics期刊編委與AE，《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》模型預(yù)測(cè)控制專(zhuān)刊特邀副主編。

前言
第1章概述1
1.1研究背景1
1.2繞組開(kāi)路電機(jī)系統(tǒng)及其控制策略2
1.2.1繞組開(kāi)路電機(jī)系統(tǒng)分類(lèi)2
1.2.2繞組開(kāi)路電機(jī)系統(tǒng)控制策略5
1.3本書(shū)主要內(nèi)容9
參考文獻(xiàn)11
第2章共直流母線型繞組開(kāi)路永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型15
2.1繞組開(kāi)路電機(jī)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)15
2.2三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型16
2.3兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型17
2.4本章小結(jié)20
參考文獻(xiàn)20
第3章單邊可控繞組開(kāi)路永磁同步電機(jī)系統(tǒng)及其控制21
3.1單邊可控繞組開(kāi)路永磁同步電機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)述21
3.2OW-PMSG系統(tǒng)兩側(cè)變流器空間電壓矢量分析24
3.3基于零序電流抑制的OW-PMSG矢量控制26
3.3.1矢量控制技術(shù)26
3.3.23D-SVPWM控制28
3.3.3仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果33
3.4基于零序電流抑制的OW-PMSG模型預(yù)測(cè)電流控制37
3.4.1OW-PMSG模型預(yù)測(cè)電流控制37
3.4.2仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果42
3.5共直流母線型單邊可控OW-PMSG系統(tǒng)改進(jìn)電流控制46
3.5.1基于零序電流抑制的可控變流器側(cè)三維空間矢量模型預(yù)測(cè)控制47
3.5.2基于不控整流器側(cè)電壓調(diào)整的零序電流抑制策略53
3.5.3仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果58
3.6本章小結(jié)64
參考文獻(xiàn)65
第4章雙邊可控繞組開(kāi)路永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)電流控制66
4.1基于零序電流抑制的共直流母線型雙邊可控OW-PMSG系統(tǒng)
模型預(yù)測(cè)電流控制67
4.1.1OW-PMSG模型預(yù)測(cè)電流控制68
4.1.2單矢量模型預(yù)測(cè)電流控制70
4.1.3雙矢量模型預(yù)測(cè)電流控制73
4.1.4仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果76
4.2基于三維空間矢量的OW-PMSG系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)電流控制80
4.2.1三維空間電壓矢量電流預(yù)測(cè)控制81
4.2.2基于三維空間電壓矢量的改進(jìn)電流預(yù)測(cè)控制82
4.2.3基于逆變器矢量分開(kāi)選擇的雙矢量電流預(yù)測(cè)控制86
4.2.4仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果91
4.3本章小結(jié)102
參考文獻(xiàn)103
第5章繞組開(kāi)路永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)全轉(zhuǎn)矩控制104
5.1繞組開(kāi)路永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制104
5.1.1一拍延時(shí)補(bǔ)償105
5.1.2三維空間中的候選電壓矢量105
5.1.3確定轉(zhuǎn)矩、磁鏈和零序電流的參考值105
5.1.4轉(zhuǎn)矩、磁鏈與零序電流的預(yù)測(cè)及代價(jià)函數(shù)構(gòu)建107
5.2繞組開(kāi)路永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)全轉(zhuǎn)矩控制108
5.2.1全轉(zhuǎn)矩的預(yù)測(cè)109
5.2.2轉(zhuǎn)矩參考值的確定110
5.2.3全轉(zhuǎn)矩代價(jià)函數(shù)111
5.3減少計(jì)算負(fù)荷的矢量劃分選擇方法111
5.3.1矢量分布空間的劃分和參考電壓的位置確定111
5.3.2候選電壓矢量的確定113
5.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果117
5.5本章小結(jié)122
參考文獻(xiàn)122
第6章繞組開(kāi)路永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)變周期復(fù)合矢量
模型預(yù)測(cè)電流控制124
6.1模型預(yù)測(cè)電流控制125
6.2多矢量模型預(yù)測(cè)電流控制127
6.2.1雙矢量模型預(yù)測(cè)電流控制129
6.2.2三矢量模型預(yù)測(cè)電流控制129
6.3時(shí)變周期的復(fù)合矢量模型預(yù)測(cè)電流控制131
6.3.1參考電壓矢量計(jì)算和扇區(qū)確定132
6.3.2最優(yōu)電壓矢量確定132
6.3.3最優(yōu)電壓矢量的作用時(shí)間計(jì)算和時(shí)變控制周期的確定133
6.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果134
6.5本章小結(jié)139
參考文獻(xiàn)139
第7章繞組開(kāi)路永磁同步電機(jī)四段式模型預(yù)測(cè)電流控制與改進(jìn)
無(wú)差拍預(yù)測(cè)電流控制140
7.1單邊四段式模型預(yù)測(cè)電流控制方法140
7.1.1逆變器INV2的非零矢量選擇和作用時(shí)間分配141
7.1.2降低開(kāi)關(guān)頻率的矢量?jī)?yōu)化排序144
7.1.3基于零序電流抑制的零矢量作用時(shí)間再分配146
7.2雙邊四段式模型預(yù)測(cè)電流控制方法149
7.2.1雙逆變器電壓參考值分配150
7.2.2雙逆變器四段式矢量選擇與作用時(shí)間分配150
7.3改進(jìn)無(wú)差拍預(yù)測(cè)電流控制方法153
7.3.1基于參考電壓再分配的零序電流抑制153
7.3.2開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化調(diào)制158
7.3.3線性調(diào)制范圍分析158
7.4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證162
7.4.1穩(wěn)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)162
7.4.2開(kāi)關(guān)頻率對(duì)比實(shí)驗(yàn)164
7.4.3動(dòng)態(tài)性能分析166
7.5本章小結(jié)167
參考文獻(xiàn)167
第8章考慮死區(qū)影響的繞組開(kāi)路永磁同步電機(jī)系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)電流控制169
8.1OW-PMSM傳統(tǒng)單矢量模型預(yù)測(cè)電流控制169
8.2死區(qū)影響分析及死區(qū)電壓矢量判斷171
8.2.1死區(qū)影響分析171
8.2.2死區(qū)電壓矢量判斷174
8.2.3死區(qū)時(shí)間影響分析175
8.3考慮死區(qū)影響的繞組開(kāi)路永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)電流控制176
8.3.1雙逆變器最優(yōu)電壓矢量選擇及死區(qū)電壓矢量判斷176
8.3.2死區(qū)時(shí)間計(jì)算177
8.4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證180
8.4.1穩(wěn)態(tài)性能評(píng)估181
8.4.2動(dòng)態(tài)性能評(píng)估183
8.4.3平均開(kāi)關(guān)頻率評(píng)估185
8.5本章小結(jié)186
參考文獻(xiàn)186
第9章繞組開(kāi)路永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障診斷策略188
9.1雙逆變器拓?fù)湓陂_(kāi)關(guān)器件開(kāi)路故障后的工作特性189
9.2開(kāi)關(guān)器件開(kāi)路故障診斷策略193
9.2.1故障開(kāi)關(guān)器件對(duì)的判斷194
9.2.2具體故障開(kāi)關(guān)器件的判斷195
9.2.3開(kāi)關(guān)器件開(kāi)路故障的整體診斷策略計(jì)算199
9.2.4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證200
9.3本章小結(jié)206
參考文獻(xiàn)206
第10章繞組開(kāi)路永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)二次故障拓?fù)浼捌淙蒎e(cuò)控制208
10.1傳統(tǒng)一次容錯(cuò)拓?fù)浼捌潆妷菏噶?09
10.2二次容錯(cuò)拓?fù)浼捌潆妷菏噶?10
10.3容錯(cuò)控制策略212
10.3.1幅值和相位均重新設(shè)計(jì)的參考電流213
10.3.2轉(zhuǎn)矩優(yōu)化策略214
10.3.3無(wú)差拍電流容錯(cuò)控制215
10.4二次容錯(cuò)系統(tǒng)輸出能力分析217
10.4.1逆變器輸出容量分析217
10.4.2繞組開(kāi)路永磁同步電機(jī)輸出容量分析218
10.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果221
10.5.1穩(wěn)態(tài)對(duì)比221
10.5.2動(dòng)態(tài)對(duì)比223
10.6本章小結(jié)225
參考文獻(xiàn)225