国际电气工程先进技术译丛 电机传动系统控制 .pdf

国际电气工程先进技术译丛电机传动系统控制（韩）Seung-Ki Sul 编著 张永昌 李正熙 等译机 械 工 业 出 版 社 基于作者的大量工业经验以及与工业界的广泛合作，本书包括了大量的经过测试、实现和验证过的方法，而这些方法又是电机控制领域工程师在日常工作中经常遇到的。本书首先介绍了电气传动系统的特性和相关技术的发展趋势，以及电机的基本结构和运行原理，然后介绍了电机的稳态特性与控制以及应用参考坐标系理论来对电机的物理变量进行变换，这些为后续内容提供了合适的基础。本书的核心部分回顾了电机与电力电子变换器的几种控制算法，解释了什么是主动阻尼以及如何以反馈的方式来调节电流、转速和位置。作者还介绍了提升电机控制性能的技巧、检测交流电源相位的算法以及控制功率变换器直流母线电压的算法。本书的实用性和与实际的紧密关联性，使本书无论对电机驱动研发领域的专家和工程师、工业传动设计者还是高年级本科生和研究生，都是一本很有价值的参考书。Copyright2011 by the Institute of Electrical and Electronics Engi-neers，Inc.All Rights Reserved.This translation published under license.Authorized translation from the English language edition，Control of E-lectric Machine Drive Systems，ISBN 978-0-470-59079-9，Seung-Ki Sul，Published by John Wiley&Sons.No Part of this book may be reproduced inany form without the written permission of the original copyrights holder.本书原版由 Wiley 公司出版，并经授权翻译出版。版权所有，侵权必究。本书中文简体翻译出版授权机械工业出版社独家出版，并限定在中国大陆地区销售。未经出版者书面许可，不得以任何方式复制或发行本书的任何部分。本书封面贴有 Wiley 公司的防伪标签，无标签者不得销售。本书版权登记号：图字 01-2012-3192 号。图书在版编目（CIP）数据 电机传动系统控制/（韩）薛承基编著；张永昌等译.北京：机械工业出版社，2013.9（2016.1 重印）（国际电气工程先进技术译丛）书名原文：Control of electric machine drive systems ISBN 978-7-111-43313-2.电.薛张.电机-电力传动.TM921 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2013）第 158431 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：张俊红 责任编辑：赵玲丽 版式设计：霍永明 责任校对：胡艳萍 责任印制：乔 宇 北京京丰印刷厂印刷2016 年 1 月第 1 版 第 3 次印刷169mm 239mm 20.25 印张 417 千字标准书号：ISBN 978-7-111-43313-2定价：89.00 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：/ Seung-Ki Sul 教授撰写的 Control Theory of Elec-tric Machinery（电机控制理论）曾经作为大学教材和工业参考书在韩国以韩语出版，获得了广泛关注和好评。经过两年的修改和扩充后，该书进一步于 2011 年 1月由 Wiley-IEEE 出版社出版，并更名为 Control of Electric Machine Drive System（电机传动系统控制），也就是本书翻译的蓝本。作为现代工业的动力，电机及驱动系统一直是工业界和学术界关心和研究的课题。从早期的直流调速到现在的交流调速，从早期的开环恒压频比控制到现在的高性能矢量控制以及无传感器控制，电机传动系统经历了巨大而深刻的变化。本书深入剖析了在工业中广泛应用的直流电机、异步电机和永磁同步电机的控制系统设计，包括数学建模、坐标系变换、调节器设计、矢量控制和无位置/速度传感器设计，最后还介绍了一些工业实际问题如死区补偿、电压测量和控制延迟的解决方案，以及电机参数辨识等内容。可以说，本书较全面地涵盖了电机驱动系统设计的内容。当前我国正处于经济快速发展的时期，对电机及驱动系统的应用需求十分迫切。希望本书的翻译能够对促进我国电机传动领域的发展有所帮助。本书的翻译得到了国家自然科学基金项目（项目编号 51207003）的资助。北方工业大学北京市变频技术工程研究中心的同事樊生文、张虎、朴政国、胡长斌、王占扩、王鹏、王泽庭、陈智刚等参与了部分翻译与整理工作，在中心学习的研究生杨海涛、魏香龙、谢伟、曲昌琦、章勤、李洋、郑凯元、杜军、卢敬伟、孔令奇、李源、肖捷强、丁茂起、王立朋、杨达维、高素雨、彭玉宾、刘鹏、薛昊、张洪寅、吕冠达、刘东、蔡斌峰、安悦珩、张腾、陈诚、张宇、孙安博、田文丹、东子召等参与了部分翻译与校对工作，在此深表谢意。由于水平有限，书中难免有不当甚至错误之处，还请广大读者批评指正。张永昌2013 年夏末原 书 前 言8 年前，我的那本 Control Theory of Electric Machinery（电机控制理论）在韩国出版。在过去的 8 年间，这本书在韩国的销量已经超过了 2500 多本，其中一些作为部分韩国大学里的研究生课程教材，但是大多数是用来作为工业界的参考书。在出版了这本书以后，我收到了许多关于把这本书翻译成英文的鼓励和请求。但是我紧张的课程使我不得不一再推迟这些翻译工作。然而 4 年前，一些留学生和访问学者加入到了我的研究生课程中，他们需要一些学习资料，因此我把它翻译成了英文。辛勤工作了两年后，英文版的手稿得以出版。在翻译的过程中，书中的内容有所校正和更新。我希望对于这个领域中的学生和工程师们，本书能成为他们手中一本很好的参考书。现代技术，也就是今天所谓的信息技术，是以能源的稳定供应为前提的，尤其是最为广泛使用的电能。现代社会中的一些人认为只要我们需要，电能就可以源源不断地产出。然而，由于清洁的水和空气正在变得稀有，能供给我们的电能已经成为一种非常有限的资源。随着现代社会的发展，需要越来越多的电能。但是批量生产、输送和电能的低污染利用已经成为了一个非常困难的问题。电能要经历从生产，输送到最终使用等一系列环节。机械能的产生需要一些像石油、天然气、原子能和氢能等原始能源通过机电能量转换装置得到。更精确地说，各种能源变换为机械能后，再通过一个发电机将其转化为电能，电能的电压和频率根据适当的目的来进行控制。在发达国家，超过 60%的电能再次转化为机械能供以后使用。因此，在电能的整个生产和消费过程中，工程上最为关键的领域是电压、电流、频率的有效控制和电机的恰当控制。在过去的 30 年里，我的学术兴趣是电机控制并且一直投身于该领域的研究与开发。本书用于和我的同行们共同分享这些经历。即便一些小的研究成果也不是一个人取得的，我把本书归功于其他人的共同努力。首先，我需要提到的是我在首尔国立大学读硕士和博士时的指导老师 Min-ho Park 教授，是他打开了我通往电力电子和电机控制领域的大门。其次，是我最为尊敬的教授，同时也是我的岳父，Jongsoo Won。他教授了我电机的相关课程，我也从他那里得到了很多该领域内的非常好的日常参考书。最后，我要感谢 Thom-as Lipo 教授，是他接收我作为麦迪逊市威斯康星大学的一名访问学者。在威斯康星大学的两年里，我对电机控制的理解和学习以非常快的速度在提升。我也非常感激在威斯康星大学的同志和同事们，以及首尔大学的一些教授和学生们，还有我访问过的一些学校。正是由于与这些人的交流探讨，才会有今天这本书。通过交谈和讨论，我现在能够更加深刻地理解电机控制中的一些问题和解决方案。还有，要是没有我以前硕士生和博士生的辛勤工作，也就不会有这本书。他们宝贵的时间和付出都凝结在了这本书中，本书也总结和整理了我们在过去 20 年中的科研成果。值得一提的是，很多博士和硕士论文就是这本书的基础。第 1、4、5、6 和 7 章中的习题和附录 A 来源于我和工业界大量合作的研究成果，为此我要感谢这些公司和人员。本书将以下面的顺序展开：第 1 章论述了电气传动系统的特点和相关技术的发展趋势，并且第 1 章解释了一些贯穿全书的电机基础知识，也有对典型电机驱动负载特性的描述。在许多章节末尾的问题中，有一些我设计和测试过的电机系统实例。在解决这些问题的同时，也可以了解一些实际工业中的知识。在第 2 章中，探讨了电机的基本结构和运行原理，包括把电能转化为机械能的电动机和把机械能转化为电能的发电机。通过引入了一些电机的稳态等效电路来理解电机的稳态特性和稳态控制。也就是说，这里讨论的是一些从电动机角度来看的电机控制特性。另外，也将对基于功率半导体器件的功率变换器进行电路等效模型的建模。在第 3 章中，介绍了使用参考坐标理论进行交流电机中物理变量的变换。通过把时变微分方程变为时不变微分方程，使得交流电机的理解和分析变得容易。三相系统中 a、b、c 三相的电压、电流和磁通等电量可以转换为 d-q-n 正交坐标下的变量，这里坐标轴之间的磁耦合为零。这样一来，在三相平衡运行时，三相系统可以仅通过 d-q 坐标下的参数容易地表达出来。彼此相互正交的 d-q 轴参数可以通过一个复数容易地表示出来，并且复数的实部代表 d 轴参数，虚部代表 q 轴参数。从 a、b、c 三相到直角坐标下的变换可以通过复矢量代数来实现。本书中将会用到复矢量的概念。第 4 章中将论述电机和功率变换器的一些控制算法，因此本章是本书的精华。首先，将介绍有源阻尼的概念，它是一种状态反馈控制。接下来将描述在反馈方式中如何调节电流环、速度环和位置环。为了去调节这些物理量，会介绍用于变量测量的传感器，如电流传感器、位置/速度传感器。如果变量是不可测量的，那么为了调节电机的速度就会涉及状态观测器的相关知识。此外，还会介绍一些提高电机控制性能的技巧。最后，会介绍检测交流电源相角的算法和控制功率变换器直流电压的算法。本章最后的大多数问题是来源于工业合作，解答这些问题会极大地提高对本章内容的理解和掌握。第 5 章讲述矢量控制的概念。基本上电机在励磁的情况下，可以把电流（转矩）转换为转矩（电流）。在一些高精度的运动控制系统中，加速度、速度、位置都需要根据它们的参考值来进行瞬时调节，而瞬时的转矩控制是先决条件。一台电机的瞬时转矩是磁链矢量和线矢量（电流）的矢量积。因此，为了实时地控制转矩，应该实时地控制磁链和电流矢量。相应地，不仅仅是磁链和电流的幅值，两个矢量之间的角度也应该被实时地控制。这也是“矢量控制”名字的来源。本章将介绍几种不同类型电机的瞬时转矩控制的原理。在第 6 章中，将介绍应用于实际工业上的交流电机无速度/位置传感器驱动系统的控制算法。基于反电动势的无传感原 书 前 言器控制算法被广泛地研究，并且其中一些已经商业化。这一章会讨论它们的优缺点。因为反电动势的幅值随着速度的减小而减小，因此基于反电动势无传感器控制方法的性能在低速情况下将明显下降。在零速度或者零频率情况下，为了保持转矩的可控性，交流电机不能运行在无传感器控制情况下。为了从根本上避开这个问题，在本章中，将介绍利用交流电机凸极特性的无传感器控制算法。通过给交流电机加一些激励信号，根据转子磁通位置就可以测量出电感的变化。根据电感的变换就可以估计转子磁链的位置或者转子位置本身。对于永磁同步电机，配备有这种加脉动高频电压信号算法的