国际电气工程先进技术译丛 先进电气驱动的分析、建模与控制.pdf

国际电气工程先进技术译丛先进电气驱动的分析、建模与控制 （比）Rik De Doncker（荷）Duco W.J.Pulle 著（荷）Andr Veltman 连晓峰 等译机 械 工 业 出 版 社本书内容包括直流电机、交流同步电机、交流异步电机和开关磁阻电机的电机驱动建模与控制，同时还包括理想旋转变压器、通用磁场定向等概念。在内容安排上，力求逻辑性强、由浅入深、循序渐进。本书立足现代电机驱动系统常用的驱动控制技术，注重理论性、系统性和先进性的有机统一，结合典型应用实例，完整体现各种电机驱动控制技术的结构和控制方式。本书可作为从事电气自动化专业的工程和研究人员的参考书，也可作为高等院校自动化、电气工程及机电一体化相关专业高年级本科生和研究生的教材。Translation from the English language edition：“Advanced Electrical Drives Analysis，Modeling，Control”by Rik De Doncker，Duco W.J.Pulle and Andr Veltman.Copyright 2011，Springer Netherlands.Springer Netherlands is a part of Springer Science+Business Media.All Rights Reserved.本书中文简体字版由 Springer 授权机械工业出版社独家出版。版权所有，侵权必究。本书版权登记号：图字 01-2012-1045 号图书在版编目（CIP）数据先进电气驱动的分析、建模与控制/（比）当克尔，（荷）泊勒，（荷）韦尔特曼著；连晓峰等译.北京：机械工业出版社，2012.10（国际电气工程先进技术译丛）书名原文：Advanced Electrical Drives：Analysis，Modeling，ControlISBN 978-7-111-39975-9.先.当泊韦连.电机-驱动机构-研究.TM303.5中国版本图书馆 CIP 数据核字（2012）第 235934 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：顾 谦 责任编辑：顾 谦版式设计：樊钟英封面设计：杨 曦霍永明 责任校对马精明 责任印制2013 年 1 月第 1 版第 1 次印刷169 239mm22.5 印张461 千字00013000 册标准书号：ISBN 978-7-111-39975-9定价：89.90 元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务社 服 务 中 心：（010）88361066销 售 一 部：（010）68326294销 售 二 部：（010）88379649读者购书热线：（010）88379203网络服务 教材网：http：/ 机工官网：http：/ 机工官博：http：/ 封面无防伪标均为盗版北京鑫海金澳胶印有限公司印刷译者序电机驱动系统特别是其驱动控制技术是 20 世纪后人类社会的重大技术进步之一，在工农业生产、国防工业、航天工业以及日常生活中都得到了广泛应用。随着现代技术的进步，驱动控制技术得到了快速发展。本书首先介绍了功率变换器的核心拓扑结构，电流调节器的两种基本方法，即滞环控制和基于模型的控制，随后介绍了直流电机、交流同步电机、交流异步电机和开关磁阻电机等先进电机驱动的概念。针对基于理想旋转变压器建模的各种电机，建立通用模块，以及相应的仿真环境。从电机建模与驱动控制两个角度分别介绍，让读者更容易理解。另外重点介绍了弱磁操作。本书阐述了通用磁场定向（UFO）概念，展现了现代矢量控制的概念，并充分体现了所谓的定子磁链与转子磁链定向控制技术之间的无缝过渡。在本书的最后一部分，重点关注开关磁阻异步电机驱动器的动态建模。同时，本书通过大量与理论中关键概念相关联的实例以及具体的仿真实现，使得读者更快、更深入地理解先进电机驱动理论。作者 Rik De Doncker 教授是 IEEE 电力电子学会主席、德国 E.ON 能源研究中心主任、IEEE 工业应用学会能量转换系统分会前主席、欧洲电力电子与驱动协会理事等，在业界具有很高的威望。本书第 1 第 4 章、第 7 章、第 9 章由连晓峰翻译，第 5 章由姚瑶、王宇龙翻译，第 6 章由唐丽娜、金成学翻译，第 8 章由马新宇、郭柯翻译，第 10 章由张晓伟、毋冬翻译。另外，贾琦、潘峰、闫峰、马新宇、盛璐、李林、赵炜、郝启文、蒋耘玮、姜恩月、刘萌、赵晓平、王磊也对本书的翻译提供了帮助。全书由连晓峰审校整理，并对原书中的错误进行批注修正。另外，需要注意的是书中涉及的矢量并未按国家标准统一为黑斜体，而是保留了原书矢量带箭头形式。至于仿真图和仿真结果，为了保持其原貌，并未译其器件名称，另外其中的物理量也保持了正体，对于仿真图中的单位“rpm”也并未与正文所述“r/min”统一，请读者阅读时注意。本书可作为从事电气自动化专业的工程和研究人员的参考书，也可作为高等院校自动化、电气工程及机电一体化相关专业高年级本科生和研究生的教材。限于译者的经验和水平，书中难免存在缺点和错误，敬请广大读者批评指正。译者原书序一本书的价值在很大程度上取决于其合理的结构安排可帮助读者掌握相关知识的深度和广度。本书的良好组织结构可帮助工程人员实现掌握先进电机驱动相关关键技术的目标。为实现该目标，结构安排显得尤为重要。首先在前几章中介绍常用背景知识，包括功率变换器的核心拓扑结构以及理解和实际应用电力电子变换器所需的关键知识。同时也为掌握和理解电流调节器的两种基本方法奠定了坚实基础，即滞环控制技术和基于模型的控制技术。在全面且详细介绍功率变换器和电流调节器相关背景知识的基础上，本书其余章节着重介绍主要类型的电机所特有的先进电机驱动概念，如直流电机、交流同步电机、交流异步电机和磁阻开关电机。常见结构往往具有很大优势。为建立用于建模和控制的通用基础，在此以洛伦兹力为主的电机，即直流电机、交流同步电机和交流异步电机等都利用理想旋转变压器进行建模。首先将其应用于直流电机，同样与交流电机的连接也非常清楚。利用通用模块使得不同类型电机的讨论保持统一，并直接与仿真建模环境兼容。类似结构也广泛用于电机模块之后的控制模块。本书将电机建模与驱动控制分别独立介绍是十分有利的。以从经典驱动方法到先进驱动方法的逻辑顺序，电机建模为上述控制奠定了基础。不论是表贴式永磁同步电机还是内置式永磁同步电机，均是尤为相关的，因为这些电机在许多应用领域逐步占主导地位。弱磁运行的特殊处理同样也很关键。包括最大电流、最大磁通、最大转矩磁通比、最大转矩电流比等在内的约束限制都使得电机驱动的操作范围非常透明。正好可利用通用磁场定向控制结构对随后介绍的间接和直接磁场定向控制方法进行统一。从基于洛伦兹力的电机到纯磁阻转矩电机的转变过程非常明显。对开关磁阻电机的详细建模和评估可使驱动工程师对每相提供的固有转矩脉动准确建模。对饱和效应及其对功率变换器的作用进行处理可对具有上述这些属性的驱动器性能进行评价，通过对经典滞环电流控制和多相直接瞬时转矩控制的严谨讨论，读者可理解开关磁阻电机驱动中高性能转矩控制所需的结构。通观全书，大量实例将包含重要理论概念的模块与仿真环境下的实现过程相结合。由此使得读者快速浏览详细过程，并对掌握先进电机驱动中的关键概念建立信心。根据本书所介绍的方法，相信先进电机驱动工程人员可取得通常并不易于达到的深度和广度。Robert D.Lorenz麦迪逊，威斯康辛州，美国原 书 序前言掌握电磁学、控制理论、电力电子学和机械理论之间的协同作用仍是一个巨大挑战。然而，需要或期望能够深入理解现代电机驱动的原理与实践的工程人员和高年级学生必须克服这个困难。本书中，驱动一词表示目前工业中大量的运动控制系统。本书是在作者所著的 Fundamentals of Electrical Drives（电机驱动基本原理）一书中所述基本概念的基础上完成的。因此，建议初学读者在学习和理解本书所介绍的更先进知识之前先了解和掌握电机驱动原理的基础知识。对于已熟悉掌握电机驱动基本原理的读者，应尽量消化和吸收，以确保完全掌握上述知识而无需在这两本书之间不断切换。在之前的工作中，引入作者提出的理想旋转变压器（Ideal Rotating Trans For-mer，IRTF）的独特概念，以利于理解电机中转矩产生的基本原理。在 Funda-mentals of Electrical Drives 一书中介绍的 IRTF 模块在现代电机中的应用将在本书中进行详细阐述，以使得读者了解一系列特殊的动态电机模型和稳态电机模型，其中包括有刷直流电机、非凸极式/凸极式同步电机和异步电机。此外，本书阐述了用于展现现代矢量控制思想的通用磁场定向（UniversalField Oriented，UFO）概念，并充分体现了所谓的定子磁链和转子磁链定向控制技术之间的无缝过渡。这种强大的工具用于建立旋转磁场电机的磁链定向电机模型。这些模型构成了 UFO 矢量控制技术的基础，并广泛涵盖了传统驱动概念。在本书的最后一部分，重点介绍开关磁阻（Switched Reluctance，SR）电机驱动的动态建模，其中包括由一组即建即用的模块所实现的整套建模工具与控制技术。与 Fundamentals of Electrical Drives 一书类似，本书继续采用基于即建即用模块的交互式学习过程。再次利用包括一组定制模块的仿真工具 CASPOC，用于体现书中介绍的电路和通用模型。该方法使得读者交互式学习并全面与直观理解书中所提出的概念。为此，在 Springer 网站上提供了允许读者观察仿真过程的实时模块，而无需软件注册（http：/）。本书可吸引工业或高校中期望或需要理解现代电机驱动复杂性的读者，同时又并没有忽略其基本原理。本书将 IRTF 和 UFO 概念相结合，从而在建模与控制方面全面和深入分析交流电机驱动。同时也重点介绍了开关磁阻电机驱动建模方法和现代控制技术。本书中广泛应用即建即用模块，这将首次为读者提供交互式体验，并理解与掌握本书中所提概念的功能。亚琛，德国 Rik De Doncker亚琛，德国 Duco W.J.Pulle屈伦博赫，荷兰 Andr Veltman前 言致谢这项工作已取得丰硕成果，这来源于坚信本书中所提出的理论方法将在教育机构和工程领域中具有整体、全面且意义深远的价值。尤其是，在实例教程中快速准确的仿真提供了一种具有高度交互性的学习新方法，由此凭借虚拟实验以激励学生和专家的创造性。本书内容是作者及其同事在学术和工程经验方面的整理汇集。同时本书中，学生和研究助理的投入也不容忽视。作者在此感谢德国亚琛工业大学（RWTH）电力电子和电机驱动（ISEA）学院的同事，尤其是要感谢（以英文字母为序）MatthiasBsing、Christian Carstensen、Martin Hennen、Knut Kasper、Markus Kunter、ChristophNeuhaus 和 Daniel van Treek 在过去三年中的贡献。另外，还要感谢荷兰屈伦博赫Piak 电子设计公司的 Paul van der Hulst 对本书的终稿编辑工作并提出许多良好建议。另外，如果没有荷兰 Alphen aan den Rijn 仿真研究组 Peter van Duijsen 的无私帮助，将不可能有支持实例的仿真工具，从而使得读者可体验所有 CASPOC 仿真。用于验证和展示算法的实验设置由德国亚琛 AixControl GmbH 提供支持。作者非常感谢阿拉伯联合酋长国的沙迦美国大学提供的在德国亚琛工业大学的访问工作。目录译者序原书序前言致谢第 1 章 现代电机驱动：概述1 1.1 引言1 1.2 驱动技术的发展趋势2 1.2.1 电机2 1.2.2 功率变换器5 1.2.3 嵌入式控制和通信链接6 1.3 驱动设计方法8 1.4 实验装置10第 2 章 电力电子变换器的调制12 2