多相永磁同步电动机直接转矩控制

适读人群：高等学校电气工程与自动化学科的本科生、研究生和教师，以及从事多相电动机控制策略及系统研究、设计、开发的工程技术人员。

本书是作者多年研究的心血，并对图书内容进行了精心的打磨。本书属于中国自动化学会电气自动化专业委员会和中国电工技术学会电控系统与装置专业委员会负责组织编辑的“电气自动化新技术丛书”。
本书选择多相永磁同步电动机直接转矩控制为中心内容，围绕电动机转矩控制策略、零序电流控制策略、提升负载能力控制策略、缺相容错不间断运行控制策略、多电动机串联驱动控制策略、降低转矩脉动控制策略、无位置传感器控制策略、转子磁悬浮控制策略等内容展开研究及论述。

本书围绕多相永磁同步电动机瞬时转矩及多自由度控制特点，对多相永磁同步电动机直接转矩控制系统的转矩控制策略、零序电流控制策略、提升负载能力控制策略、缺相容错不间断运行控制策略、多电动机串联驱动控制策略、降低转矩脉动控制策略、无位置传感器控制策略、转子磁悬浮控制策略等关键技术展开研究。基于理论研究成果，对关键控制技术进行了仿真及实验研究。
本书可作为高等学校电气工程与自动化学科的本科生、研究生和教师的参考用书，也可以供从事多相电动机控制策略及系统研究、设计、开发的工程技术人员参考使用。

周扬忠，男，1971年出生于江苏省淮安市。1996年7月大学毕业于南京航空航天大学自动化学院电气技术专业，2007年3月博士毕业于南京航空航天大学电力电子与电力传动专业，2015年6月于东南大学电气工程学科博士后流动站出站。现为福州大学电气工程与自动化学院教授、博士生导师、学位和学术委员会委员、应用电子系主任。福建省电源学会理事，国家和省部级基金项目通讯评审专家，国内外多种核心期刊特约审稿人。
长期从事电机及其控制系统、电力电子与电力传动系统、新能源发电系统的教学、科研工作，培养毕业研究生30余名。主持完成、省部级科研项目多项，在国内外核心期刊上发表学术论文70多篇，获批国家发明专利30多项，出版学术专著2部。

序言
前言
第1章绪论1
11多相电动机驱动系统概述1
111多相电动机驱动系统及其特点1
112多相电动机驱动系统的应用2
12多相电动机驱动系统瞬时转矩控制策略5
121多相电动机矢量控制5
122多相电动机直接转矩控制6
123多相电动机矢量控制与直接转矩控制比较6
13多相电动机直接转矩控制综述8
131多相电动机直接转矩控制结构8
132多自由度使用10
14多相电动机无位置传感器研究现状14
参考文献15
第2章多相永磁同步电动机数学模型20
21引言20
22多相交流电动机多平面分解坐标变换理论21
23对称六相永磁同步电动机数学模型24
231静止坐标系数学模型24
232旋转坐标系数学模型33
233零序轴系数学模型34
24对称五相永磁同步电动机数学模型35
241静止坐标系数学模型35
242旋转坐标系数学模型43
25双三相永磁同步电动机数学模型45
251静止坐标系数学模型46
252旋转坐标系数学模型55
26本章小结57
参考文献57
第3章单电动机单平面机电能量转换型直接转矩控制59
31引言59
32具有零序电流自调整的直接转矩控制策略59
321直接转矩控制策略59
322控制策略仿真研究72
323控制策略实验研究77
33基于三维零序空间及二维机电能量转换平面的直接转矩控制策略82
331直接转矩控制策略82
332控制策略仿真研究88
333控制策略实验研究88
34本章小结90
参考文献90
第4章单电动机双平面机电能量转换型直接转矩控制92
41引言92
42五相永磁同步电动机3次谐波注入式直接转矩控制93
421基波和3次谐波机电转换能量转换分配93
422电压矢量对双机电能量转换平面及零序轴系的控制101
423控制策略仿真研究110
424控制策略实验研究114
425转矩提升能力分析119
43双三相永磁同步电动机5次谐波注入式直接转矩控制119
431电压矢量对双机电能量转换平面及零序轴系的控制119
432控制策略仿真研究128
433控制策略实验研究130
44本章小结132
参考文献132
第5章单电动机驱动系统缺相容错型直接转矩控制134
51引言134
52多相永磁同步电动机绕组缺一相容错型直接转矩控制135
521缺一相电动机数学模型135
522缺一相容错型直接转矩控制139
523逆变器输出电压不可控部分对DTC策略的影响分析150
524电流幅值平衡型缺一相容错型直接转矩控制154
53多相永磁同步电动机绕组缺任意两相容错型直接转矩控制159
531缺相隔60°电角度两相容错型直接转矩控制159
532缺失两相的其他两种情况容错型直接转矩控制理论概括174
533缺任意两相带负载能力分析178
54多相永磁同步电动机绕组缺任意三相容错型直接转矩控制181
541缺A,B,C三相容错型直接转矩控制181
542缺其他三相绕组的相关结论188
543缺任意三相带负载能力分析194
55本章小结196
参考文献196
第6章单逆变器供电多电动机绕组串联驱动系统直接转矩控制198
61引言198
62六相串联三相永磁同步电动机驱动系统直接转矩控制199
621绕组无故障时直接转矩控制199
622绕组缺一相时直接转矩控制225
63五相串联五相永磁同步电动机驱动系统直接转矩控制243
631驱动系统解耦数学模型243
632具有谐波补偿的直接转矩控制原理248
633直接转矩控制仿真研究250
634直接转矩控制实验研究253
64本章小结256
参考文献256
第7章多相电动机直接转矩控制中的降低转矩脉动技术257
71引言257
72空间电压矢量调制型直接转矩控制257
721扇区划分型空间矢量调制257
722无扇区划分型空间矢量调制273
723四矢量SVPWM和无扇区划分SVPWM电压利用率比较283
73脉宽调制型直接转矩控制284
731脉宽调制型直接转矩控制策略284
732脉宽调制型直接转矩控制仿真研究288
733脉宽调制型直接转矩控制实验研究291
74电压矢量预测型直接转矩控制296
741电动机预测数学模型296
742具有零序电流控制的预测型直接转矩控制策略299
743控制策略仿真研究302
744控制策略实验研究304
75本章小结308
参考文献309
第8章多相电动机直接转矩控制中的无位置传感器技术310
81引言310
82绕组无故障时无位置传感器技术310
821无位置传感器理论310
822观测器稳定性证明313
823仿真研究314
83绕组缺相时无位置传感器技术316
831缺两相定子磁链观测器（以缺A，B相为例）316
832仿真研究321
833实验研究322
84双三相永磁同步电动机高频信号注入无位置传感器技术325
841电动机的高频信号数学模型325
842无位置传感器技术326
843仿真研究329
85本章小结331
参考文献331
第9章多相电动机谐波平面控制转子磁悬浮技术332
91引言332
92多相定子永磁型电动机工作原理及数学模型332
93电磁转矩及悬浮力直接控制原理335
931电磁转矩直接控制335
932悬浮力直接控制335
933电压矢量的挑选337

科学技术的发展，对于改变社会的生产面貌，推动人类文明向前发展，具有极其重要的意义。电气自动化技术是多种学科的交叉综合，特别是在电力电子、微电子及计算机技术迅速发展的今天，电气自动化技术更是日新月异。毫无疑问，电气自动化技术必将在国家建设、提高国民经济水平中发挥重要的作用。
为了帮助在经济建设线工作的工程技术人员能够及时熟悉和掌握电气自动化领域中的新技术，中国自动化学会电气自动化专业委员会和中国电工技术学会电控系统与装置专业委员会联合成立了电气自动化新技术丛书编辑委员会，负责组织编辑“电气自动化新技术丛书”。丛书将由机械工业出版社出版。
本丛书有如下特色：
一、本丛书专题论著，选题内容新颖，反映电气自动化新技术的成就和应用经验，适应我国经济建设急需。
二、理论联系实际，重点在于指导如何正确运用理论解决实际问题。
三、内容深入浅出，条理清晰，语言通俗，文笔流畅，便于自学。
本丛书以工程技术人员为主要读者，也可供科研人员及大专院校师生参考。
编写出版“电气自动化新技术丛书”，对于我们是一种尝试，难免存在不少问题和缺点，希望广大读者给予支持和帮助，并欢迎大家批评指正。

电气自动化新技术丛书编辑委员会定子绕组流过电流，在气隙中产生的以圆形轨迹旋转的磁动势是交流电动机转子旋转工作的基础。为了产生该旋转磁动势，可以采用三相绕组结构，也可以采用相数大于三的多相绕组结构。三相绕组若无中心点引出，则只有两个可控自由度，这两个自由度恰好能满足转子旋转的需要。但当某相绕组故障，或逆变桥臂故障后，只有通过电路拓扑结构的变化才能实现三相电动机容错运行。多相电动机相数通常大于三，若设多相电动机相数为n且无中心点引出，扣除用于控制转子旋转的两个自由度外，则还有n-3个自由度需要控制。正是这n-3个多余的自由度，使得多相电动机驱动系统可以获得比三相电动机驱动系统更加优越的性能，从而满足一些特殊应用场合对于某些特殊性能的需要。
对单台多相电动机构成的驱动系统而言，可以在多个平面上实现机电能量转换，从而增强电动机的带负载能力。例如反电动势为非正弦的多相电动机可以采用定子绕组注入谐波电流方法来增强电动机的带负载能力，或在负载一定的情况下减小功率开关器件的电流峰值。若反电动势为正弦波，则可以利用多余的自由度实现定子绕组故障或逆变桥臂故障后，定子绕组缺相容错运行，从而提高电动机驱动系统的可靠性。为了满足某些应用场合对驱动器体积限制的特殊要求，还可以利用多相电动机多自由度带来的多平面可控特点，构建单逆变器供电多个电动机定子绕组的串联驱动系统，把各个电动机机电能量转换动作置于不同的控制平面上，实现不同电动机机电能量的解耦控制。n相电动机定子绕组通常采用n相逆变器供电，各相承担了电动机总功率的1/n。显然随着相数的增多，各相承担的功率下降，各逆变桥臂承担的功率也随之减小。所以，若电动机每相额定电压不变，则每个绕组及功率开关额定电流幅值降低；若电动机每相额定电流不变，则每个绕组及功率开关额定电压幅值降低，满足某些低压大电流供电场合的需要。正是以上多相电动机驱动系统的特殊性能，使得多相电动机驱动系统在轨道交通、电动汽车、新能源发电、航空航天、军事装备等应用领域得到高度的重视和深入的研究。
与三相电动机控制类似，在多相电动机驱动系统中也存在两种瞬时转矩控制策略：一种是基于电流控制电动机磁场和转矩的矢量控制策略，另一种是基于电压控制电动机磁场和转矩的直接转矩控制策略。多相逆变器可以输出比三相逆变器更多的电压矢量，如何利用这些数量庞大的电压矢量实现多相电动机驱动系统磁场和转矩的瞬时精确控制是亟待解决的现实问题。本书选择多相永磁同步电动机直接转矩控制为中心内容，围绕电动机转矩控制策略、零序电流控制策略、提升负载能力控制策略、缺相容错不间断运行控制策略、多电动机串联驱动控制策略、降低转矩脉动控制策略、无位置传感器控制策略、转子磁悬浮控制策略等内容展开研究及论述。全书共包括九章，内容具体安排如下：
第1章对多相电动机种类、多相电动机驱动系统应用、多相电动机直接转矩控制、多相电动机多自由度应用、多相电动机无位置传感器研究等内容进行综述。
第2章基于多相交流电动机多平面分解坐标变换理论，研究单平面机电能量转换多相电动机、双平面机电能量转换多相电动机数学模型以及多套绕组多相电动机数学模型，为全书控制策略奠定了研究对象数学模型基础。
第3章以反电动势为正弦波的六相对称绕组永磁同步电动机为例，研究具有零序电流自调整的直接转矩控制策略及基于多维立体空间的直接转矩控制策略，以解决多相逆变器输出电压矢量的优化选择和多相电动机驱动系统零序电流的抑制问题。同时也讲解了基于电路模式的多相电动机仿真模型建立及直接转矩控制系统的硬件结构。
第4章以反电动势为梯形波的五相永磁同步电动机为例，研究了具有转矩电流比（Maximum Torgue Per Ampere，MTPA）策略的基波和3次谐波双平面的直接转矩控制策略，进一步增强了多相电动机直接转矩控制系统的带负载能力。
第5章以六相永磁同步电动机为研究对象，从产生圆形磁动势旋转轨迹角度，分别研究基于虚拟变量定义的定子绕组缺一相、缺两相、缺三相直接转矩控制策略，同时为了提升缺相后电动机绕组电流的平衡，还研究了对应的定子电流平衡控制策略。
第6章研究单逆变器供电双永磁同步电动机定子绕组串联驱动系统的直接转矩控制策略，重点研究两种类型的串联驱动系统，即反电动势为正弦波的两个电动机串联驱动和反电动势为非正弦波的两个电动机串联驱动，从理论上建立两台电动机解耦型直接转矩控制策略。
第7章研究基于多相逆变器空间电压矢量调制及逆变器功率桥臂占空比直接计算型直接转矩控制策略；同时为了选择到的开关电压矢量，研究了多相电动机的预测型直接转矩控制策略。采用上述控制策略后，驱动系统的转矩脉动进一步减小，增强了直接转矩控制系统的运行平稳性。
第8章研究多相电动机直接转矩控制系统定子磁链的观测方法及驱动系统无位置传感器控制策略，同时解决了电动机缺相后，不对称绕组的定子磁链观测难题。
第9章简要研究多相电动机利用其多自由度实现转子磁悬浮运行直接转矩和直接悬浮力控制策略，实现了定子永磁型多相电动机转子悬浮控制的快速响应。
本书的研究内容得到江苏省博士后科研资助计划（项目编号：1301010A，项目名称：多相永磁同步电动机容错型直接转矩控制系统）、中国博士后科学基金（项目编号：2013M541583，项目名称：无轴承磁通切换永磁电动机设计及其动态解耦控制策略）等项目的资助，对这些项目的资助表示衷心的感谢！作者希望通过本书内容，能够较为全面地解决多相永磁同步电动机直接转矩控制系统关键技术难点，若能对从事多相电动机驱动控制研究、设计、开发等相关领域人员具有启发作用将是作者的欣慰！
本书有关章节的内容主要由作者指导的研究生：闫震、熊先云、陈小剑、林晓刚、黄志坡、陈光团、王祖靖、段庆涛、俞海良、陈相、毛洁、黄政凯、钟技、许海军、郑梦飞、王凌波等参与研究而成，部分内容由课题组老师钟天云、屈艾文、陈艳慧协助研究完成。本书部分文字的编辑及排版由作者指导的研究生：陈垚、俞海良、吴鑫、周谋捷、庄恒泉、黄政凯、吴京周等完成。对这些研究生及课题组老师对本书内容的贡献表示衷心的感谢！为了全书内容的完整，本书第1章综述了多位学者研究成果，并加以恰当地引用，对他们的研究成果对本书的贡献表示衷心的感谢！
由于作者个人认识水平、研究能力有限，书中难免会出现问题解决不全面、错漏等，希望读者及时批评指正。