本書以繞組開路永磁同步電機為控制對象和具體示例，綜合介紹了繞組開路電機系統(tǒng)模型預測控制原理與新進展。主要包括繞組開路永磁同步電機模型、常規(guī)模型預測控制技術(shù)，以及多種繞組開路永磁同步電機模型預測控制方案。本書內(nèi)容不同于常規(guī)繞組開路電機模型預測控制，主要提出了模型預測全轉(zhuǎn)矩控制、四段式模型預測電流控制與時變周期的復合矢量模型預測電流控制等策略，在繼承常規(guī)模型預測控制優(yōu)點的同時有效提升了繞組開路電機系統(tǒng)的整體控制表現(xiàn)，豐富了交流電機模型預測控制的理論體系。
本書可供電機驅(qū)動方向的研究人員、研究生，以及高年級本科生使用，也可供從事交流電機控制技術(shù)研發(fā)的工程技術(shù)人員參考。
本書以繞組開路永磁同步電機為具體對象，介紹了其數(shù)學模型及其基本控制理論；以此為基礎，重點討論了共直流母線拓撲下考慮零序電流抑制的模型預測控制策略，從不同角度豐富了繞組開路電機系統(tǒng)模型預測控制理論體系。
從拓撲結(jié)構(gòu)角度，本書針對單邊可控與雙邊可控兩類繞組開路電機系統(tǒng)的特點，給出了多種預測控制方案；從控制性能優(yōu)化角度，本書闡述了三維空間電壓矢量模型預測控制、全轉(zhuǎn)矩控制及復合矢量模型預測控制等方法，擴展了繞組開路電機系統(tǒng)模型預測控制理論；從提高系統(tǒng)可靠性角度，本書分別從故障診斷、故障拓撲及容錯控制三個層面給出了繞組開路電機系統(tǒng)可靠性提升的解決方法。
前言
經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展，交流電機控制無論是在理論方面還是工程應用方面均獲得了長足進步，然而隨著電動汽車與航空航天等高端制造業(yè)對交流電機控制需求的持續(xù)提升，經(jīng)典控制框架下的交流電機控制仍然面臨諸多問題，如穩(wěn)定性與快速性的矛盾、控制與調(diào)制的割裂設計、穩(wěn)態(tài)與動態(tài)控制表現(xiàn)無法兼顧等。鑒于此，有必要在交流電機控制問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。而有限集模型預測控制利用交流電機與逆變器的數(shù)學模型對系統(tǒng)未來控制行為進行預測，并直接對電壓矢量進行選擇，從而避免了控制與調(diào)制的相互限制，為交流電機系統(tǒng)提供了另外一種全新的控制思路。
在國家自然科學基金等的資助下，作者近年來在繞組開路電機系統(tǒng)模型預測控制領域開展了相關(guān)研究，取得了一些科研成果，特別是突破了常規(guī)模型預測控制的默認規(guī)則與理論局限，提出了三維空間矢量模型預測控制、全轉(zhuǎn)矩模型預測控制，以及時變周期的復合矢量模型預測電流控制等策略，在繼承常規(guī)模型預測控制優(yōu)點的同時有效提升了系統(tǒng)整體控制表現(xiàn)。另外，從矢量選擇、權(quán)重因子、故障診斷與容錯控制等多個維度進一步豐富了模型預測控制的理論體系。
本書是一本專門介紹繞組開路電機模型預測控制相關(guān)技術(shù)的專著，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路永磁同步電機系統(tǒng)數(shù)學模型，后八章為本書的重點，主要介紹了幾種基于零序電流抑制的模型預測控制、全轉(zhuǎn)矩模型預測控制、時變周期的復合矢量模型預測電流控制、四段式模型預測電流控制、考慮死區(qū)影響的模型預測電流控制、故障診斷、二次故障拓撲及容錯控制等核心內(nèi)容。本書由張曉光統(tǒng)籌撰寫，在作者實驗室學習與工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、徐馳、閆康、白海龍、高旭、王子維、張晨光、李霽、劉崢、張涵、吳震和張國富為本書的成稿做出了重要貢獻，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驗室學習期間的刻苦努力才有了本書的成稿。
作者希望本書能夠幫助致力于交流電機模型預測控制研究的科研工作者、技術(shù)工程師、研究生，以及高年級本科生。由于作者水平有限，并且電機模型預測控制理論正處在飛速發(fā)展的過程中，書中難免存在很多不合適甚至錯誤之處，敬請讀者朋友們批評指正。
張曉光
2024年5月6日于北京
張曉光，北方工業(yè)大學毓杰人才特聘教授，于2014年在哈爾濱工業(yè)大學獲得博士學位，2012-2013年在美國威斯康星大學麥迪遜校區(qū)進行博士聯(lián)合培養(yǎng)，合作導師為T.A.Lipo 院士；2014年加入北方工業(yè)大學電氣與控制工程學院，目前擔任電力電子與電氣傳動北京市工程技術(shù)研究中心主任。主持國家自然科學基金2項、北京市自然科學基金（優(yōu)秀結(jié)題）、北京市科技專項等省部級項目5項，以及國家重點實驗室開放課題、企業(yè)合作課題等10余項。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(2019年)、電機與系統(tǒng)國際會議（ICEMS）最佳論文獎(2018年)、北京市科學技術(shù)（自然科學）三等獎（2018年，排二）、北方工業(yè)大學科技創(chuàng)新優(yōu)秀獎；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)計劃青年拔尖人才等多項人才計劃。擔任IET-Power Electronics期刊編委與AE，《電工技術(shù)學報》模型預測控制�？匮敝骶帯�
前言
第1章概述1
1.1研究背景1
1.2繞組開路電機系統(tǒng)及其控制策略2
1.2.1繞組開路電機系統(tǒng)分類2
1.2.2繞組開路電機系統(tǒng)控制策略5
1.3本書主要內(nèi)容9
參考文獻11
第2章共直流母線型繞組開路永磁同步電機數(shù)學模型15
2.1繞組開路電機系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)及其特點15
2.2三相靜止坐標系下的數(shù)學模型16
2.3兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型17
2.4本章小結(jié)20
參考文獻20
第3章單邊可控繞組開路永磁同步電機系統(tǒng)及其控制21
3.1單邊可控繞組開路永磁同步電機系統(tǒng)簡述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仿真和實驗結(jié)果33
3.4基于零序電流抑制的OW-PMSG模型預測電流控制37
3.4.1OW-PMSG模型預測電流控制37
3.4.2仿真和實驗結(jié)果42
3.5共直流母線型單邊可控OW-PMSG系統(tǒng)改進電流控制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測控制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仿真和實驗結(jié)果58
3.6本章小結(jié)64
參考文獻65
第4章雙邊可控繞組開路永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)模型預測電流控制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)
模型預測電流控制67
4.1.1OW-PMSG模型預測電流控制68
4.1.2單矢量模型預測電流控制70
4.1.3雙矢量模型預測電流控制73
4.1.4仿真和實驗結(jié)果76
4.2基于三維空間矢量的OW-PMSG系統(tǒng)模型預測電流控制80
4.2.1三維空間電壓矢量電流預測控制81
4.2.2基于三維空間電壓矢量的改進電流預測控制82
4.2.3基于逆變器矢量分開選擇的雙矢量電流預測控制86
4.2.4仿真和實驗結(jié)果91
4.3本章小結(jié)102
參考文獻103
第5章繞組開路永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)模型預測全轉(zhuǎn)矩控制104
5.1繞組開路永磁同步電機模型預測轉(zhuǎn)矩控制104
5.1.1一拍延時補償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測及代價函數(shù)構(gòu)建107
5.2繞組開路永磁同步電機模型預測全轉(zhuǎn)矩控制108
5.2.1全轉(zhuǎn)矩的預測109
5.2.2轉(zhuǎn)矩參考值的確定110
5.2.3全轉(zhuǎn)矩代價函數(shù)111
5.3減少計算負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實驗結(jié)果117
5.5本章小結(jié)122
參考文獻122
第6章繞組開路永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)時變周期復合矢量
模型預測電流控制124
6.1模型預測電流控制125
6.2多矢量模型預測電流控制127
6.2.1雙矢量模型預測電流控制129
6.2.2三矢量模型預測電流控制129
6.3時變周期的復合矢量模型預測電流控制131
6.3.1參考電壓矢量計算和扇區(qū)確定132
6.3.2最優(yōu)電壓矢量確定132
6.3.3最優(yōu)電壓矢量的作用時間計算和時變控制周期的確定133
6.4實驗結(jié)果134
6.5本章小結(jié)139
參考文獻139
第7章繞組開路永磁同步電機四段式模型預測電流控制與改進
無差拍預測電流控制140
7.1單邊四段式模型預測電流控制方法140
7.1.1逆變器INV2的非零矢量選擇和作用時間分配141
7.1.2降低開關(guān)頻率的矢量優(yōu)化排序144
7.1.3基于零序電流抑制的零矢量作用時間再分配146
7.2雙邊四段式模型預測電流控制方法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間分配150
7.3改進無差拍預測電流控制方法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實驗驗證162
7.4.1穩(wěn)態(tài)性能實驗162
7.4.2開關(guān)頻率對比實驗164
7.4.3動態(tài)性能分析166
7.5本章小結(jié)167
參考文獻167
第8章考慮死區(qū)影響的繞組開路永磁同步電機系統(tǒng)模型預測電流控制169
8.1OW-PMSM傳統(tǒng)單矢量模型預測電流控制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)時間影響分析175
8.3考慮死區(qū)影響的繞組開路永磁同步電機模型預測電流控制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)時間計算177
8.4實驗驗證180
8.4.1穩(wěn)態(tài)性能評估181
8.4.2動態(tài)性能評估183
8.4.3平均開關(guān)頻率評估185
8.5本章小結(jié)186
參考文獻186
第9章繞組開路永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)故障診斷策略188
9.1雙逆變器拓撲在開關(guān)器件開路故障后的工作特性189
9.2開關(guān)器件開路故障診斷策略193
9.2.1故障開關(guān)器件對的判斷194
9.2.2具體故障開關(guān)器件的判斷195
9.2.3開關(guān)器件開路故障的整體診斷策略計算199
9.2.4實驗驗證200
9.3本章小結(jié)206
參考文獻206
第10章繞組開路永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)二次故障拓撲及其容錯控制208
10.1傳統(tǒng)一次容錯拓撲及其電壓矢量209
10.2二次容錯拓撲及其電壓矢量210
10.3容錯控制策略212
10.3.1幅值和相位均重新設計的參考電流213
10.3.2轉(zhuǎn)矩優(yōu)化策略214
10.3.3無差拍電流容錯控制215
10.4二次容錯系統(tǒng)輸出能力分析217
10.4.1逆變器輸出容量分析217
10.4.2繞組開路永磁同步電機輸出容量分析218
10.5實驗結(jié)果221
10.5.1穩(wěn)態(tài)對比221
10.5.2動態(tài)對比223
10.6本章小結(jié)225
參考文獻225
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