内容简介
本书系统阐述了永磁同步电机先进控制技术体系，涵盖基础理论、核心算法与工程应用三个维度。内容以矢量控制策略为理论基石，深入探讨无模型预测控制、转矩脉动抑制、在线参数辨识等关键技术，重点解析弱磁区转矩优化控制、抗负载扰动转速环设计、无位置传感器复合控制等前沿方法。技术体系包含动态预测补偿机制、超局部模型扰动观测、递推最小二乘参数辨识等创新方法，并通过扩展卡尔曼滤波、滑模观测器等多模态算法实现控制精度提升。全书采用“建模-仿真-验证”闭环验证架构，结合MATLAB/Simulink数值仿真与实物实验，构建覆盖参数敏感性分析、系统延迟补偿、多工况动态响应的完整验证体系。本书适用于新能源汽车电驱系统、工业伺服控制等领域研发人员，以及电气工程、自动化专业师生阅读参考，为高精度电机控制提供从理论推导到工程落地的系统性解决方案。
目录
从书序
前言
第1章 概述1
1.1 研究背景与意义1
1.1.1 新能源汽车产业发展趋势1
1.1.2 车用永磁同步电机的应用特点与技术挑战1
1.1.3 高性能驱动控制技术的研究意义2
1.2 永磁同步电机控制技术概述2
1.2.1 磁场定向矢量控制（FOC）技术2
1.2.2 直接转矩控制（DTC）技术2
1.2.3 宽调速范围转矩控制策略（MTPA与弱磁）3
1.2.4 先进控制策略及应用4
第2章 永磁同步电机数学模型和预测控制基本原理6
2.1 坐标变换原理6
2.2 三相永磁同步电机基本结构7
2.3 三相永磁同步电机数学模型8
2.4 空间脉宽矢量调制（SVPWM）9
2.5 MPCC 基本原理11
2.5.1 代价函数12
2.5.2 预测模型12
2.5.3 系统延迟补偿13
2.6 抑制模型参数不确定性引起的扰动的永磁同步电机的MPCC方法13
2.6.1 参数敏感性分析14
2.6.2 实现流程15
2.6.3 仿真验证与分析19
2.7 增强鲁棒性的表贴式永磁同步电机的MPCC方法25
2.7.1 三相永磁同步电机在旋转坐标系下的数学模型25
2.7.2 在旋转坐标系下的MPCC方法25
2.7.3 实现流程26
2.8 小结31
第3章 转矩脉动抑制方法32
3.1 转矩脉动和转矩控制精度影响因素分析32
3.1.1 无差拍电流预测控制原理32
3.1.2 电机参数对转矩脉动的影响33
3.1.3 电机参数对转矩控制精度的影响35
3.1.4 仿真验证与分析35
3.2 超局部模型原理37
3.2.1 超局部模型的数学描述37
3.2.2 基于超局部模型的传统方法的设计流程38
3.3 基于超局部模型和无参数龙贝格观测器的参数不确定性抑制方法39
3.3.1 表贴式永磁同步电机的超局部模型方程39
3.3.2 改进的无参数龙贝格扰动观测器设计40
3.3.3 基于超局部模型的超前一拍电流预测控制42
第4章 参数辨识与转矩精确控制方法45
4.1 永磁同步电机参数辨识方法45
4.1.1 参数辨识原理45
4.1.2 常用的参数辨识方法46
4.2 基于递推最小二乘法的弱磁区转矩脉动抑制和精确控制协同优化方法49
4.2.1 电机参数解耦50
4.2.2 带遗忘因子的递推最小二乘法原理51
4.2.3 基于带遗忘因子的递推最小二乘法在线辨识电感和磁链52
4.2.4 仿真验证与分析53
第5章 弱磁区转矩控制66
5.1 永磁同步电机弱磁控制理论66
5.1.1 电压极限圆66
5.1.2 电流极限圆67
5.1.3 弱磁运行区域分析67
5.2 传统负反馈弱磁控制策略70
5.3 分区间弱磁控制策略71
5.4 仿真分析72
第6章 转速环抗负载扰动控制策略研究77
6.1 永磁同步电机转速环闭环控制策略研究现状77
6.2 负载转矩观测器研究78
6.2.1 非奇异终端滑模负载转矩观测器设计78
6.2.2 观测器稳定性分析79
6.2.3 基于负载转矩观测器的转速环控制策略80
6.3 转速环控制器性能仿真分析81
6.3.1 仿真平台搭建82
6.3.2 负载转矩观测器仿真结果分析82
6.3.3 引入观测器补偿前后仿真结果对比分析83
6.4 小结88
第7章 无位置传感器控制方法及参数辨识89
7.1 模型参考自适应方法89
7.1.1 方法原理89
7.1.2 MARS仿真分析93
7.2 基于扩展卡尔曼滤波观测器的无位置传感器控制方法96
7.2.1 卡尔曼滤波观测器97
7.2.2 仿真分析99
7.3 基于滑模观测器的无位置传感器控制方法104
7.3.1 滑模控制方法的原理104
7.3.2 滑模观测器的应用105
7.3.3 仿真分析108
7.4 参数失配的影响114
7.5 在线参数辨识方法116
7.5.1 最小二乘法理论117
7.5.2 递推最小二乘法118
7.5.3 递推最小二乘辨识电机参数119
7.6 无位置传感器控制结合参数辨识的控制策略120
7.7 仿真分析121
7.8 小结127
第8章 电机驱动系统高压对低压系统串扰耦合128
8.1 电机驱动系统高压对低压串扰耦合路径128
8.2 电机驱动系统高低压耦合路径建模130
8.2.1 控制器内部高低压耦合路径建模131
8.2.2 线缆高低压串扰耦合路径建模132
8.2.3 系统高低压耦合路径建模134
8.3 电机驱动系统高低压串扰耦合试验与抑制方法136
8.3.1 试验分析136
8.3.2 串扰耦合抑制方法138
8.4 小结141
参考文献142
前言/序言
随着现代工业的飞速发展，电力驱动技术已成为各类自动化和智能化系统的核心技术之一。永磁同步电机（PMSM）因其高效能、高功率密度和良好的控制特性，在多个领域中得到了广泛应用，尤其是在电动汽车、机器人、航空航天及工业自动化等领域。随着对电机性能要求的日益提升，如何实现永磁同步电机的精确控制与高效驱动，已成为学术界和工业界共同关注的研究热点。
本书的主要目标是详细介绍永磁同步电机驱动系统的控制策略与方法，重点探讨在电机控制过程中，如何通过不同的控制算法提高系统的稳定性、响应速度以及精度。本书旨在从基础理论到前沿技术，对永磁同步电机驱动的控制技术进行系统化的讲解，具体内容涵盖了电机的数学建模、控制策略以及调速方法。本书共分8章，各章的主要内容如下。
第1章主要介绍了本课题的研究背景、意义及永磁同步电机控制技术的发展现状。首先，结合新能源汽车产业的发展趋势，深入分析了车用永磁同步电机的应用特点与面临的技术挑战，从而确立了高性能驱动控制技术研究的重要学术价值与工程意义；随后，对现有的控制技术进行了系统综述，重点涵盖了磁场定向矢量控制（FOC）与直接转矩控制（DTC）的基本原理，探讨了包括最大转矩电流比（MTPA）及弱磁控制在内的宽调速范围策略，并对各类先进控制策略的实际应用情况进行了总结。
第2章主要阐述了永磁同步电机的基础控制理论及无模型预测控制方法。首先,分析了电机的工作原理与分类，构建了动态数学模型，并详细探讨了矢量控制技术及其解耦特性，同时介绍了空间脉宽矢量调制（SVPWM）在优化载波与抑制谐波方面的应用。在此基础上，针对传统模型预测控制高度依赖精确模型且易受参数不确定性限制的问题，本章进一步引入了无模型预测控制理论。该方法通过实时反馈与优化算法进行自适应调节，在无需精确系统模型的前提下实现了高效控制，有效克服了系统动态不稳定及参数难以估计的难题，显著提升了控制系统的鲁棒性。
第3章探讨了转矩脉动抑制方法。转矩脉动是永磁同步电机运行中常见的现象，特别是在低速运行时，转矩脉动不仅影响电机的平稳性，还会增加系统的噪声和损耗。本章介绍了几种转矩脉动抑制的有效方法，其中包括通过超局部模型来进行补偿，通过优化控制策略减少脉动的幅度。此外，本章还讨论了转矩脉动的产生机制，并针对不同工况提出了相应的抑制方法，以保证电机的高效运行。
第4章详细介绍了电机参数辨识与转矩精确控制方法。在电机运行过程中，系统的参数往往随着温度、负载及其他外部条件的变化而波动，因此准确辨识电机的参数对实现转矩精确控制至关重要。本章分析了常见的在线参数辨识技术，并探讨了如何利用这些技术实时获取电机的实际参数，结合精确的转矩控制策略，提高电机在各种工况下的控制精度和响应速度。
第5章讲解了弱磁区转矩控制技术。在某些应用场景下，如低速或低功率运行时，永磁同步电机可能会面临效率较低的问题。弱磁控制方法通过调节电机内部的磁场强度，降低电机的磁饱和程度，从而在低转速下仍能保持较高的效率。本章介绍了弱磁控制的基本原理，并分析了其在降低能量消耗、提高电机性能方面的应用。
第6章分析了转速环抗负载扰动控制。转速环是电机控制系统中的重要组成部分，负责维持电机在不同负载条件下的稳定转速。转速控制策略的优劣直接影响到电机系统的动态响应性和稳定性。本章重点讨论了转速环控制的设计方法，分析了如何通过优化控制算法提高转速的跟踪精度，降低超调量和稳态误差，从而提升系统的整体性能。
第7章介绍了无位置传感器控制技术。在许多应用中，传统的电机控制方法需要依赖位置传感器来实时反馈电机的转子位置，但这种方法不仅增加了系统的复杂性，还可能降低系统的可靠性。无位置传感器控制技术通过估算转子位置，省去了传统传感器，降低了系统成本并提高了系统的鲁棒性。本章详细讲解了无位置传感器控制的工作原理、实现方法以及在实际应用中的挑战与解决方案。
第8章重点围绕电动汽车用电机驱动系统，系统分析高压回路对低压回路的串扰耦合问题。首先，从耦合路径出发，详细阐述干扰通过电机控制器内部结构耦合与外部线缆耦合两类路径传递的机制，具体表现为感性耦合、容性耦合与传导耦合3种形式。在此基础上，基于散射参数建立了描述高低压系统间耦合强度的双端口网络模型，并分别针对控制器内部、外部线缆以及整个驱动系统进行了建模与试验验证。研究结果表明，控制器内部耦合是系统干扰的主要来源，其耦合强度显著高于外部线缆耦合，且耦合特性主要由对地寄生电容以及高低压部件间的互感所主导。
通过对上述各章节内容的详细阐述，本书将帮助读者深入了解永磁同步电机驱动系统的先进控制技术，并为从事相关研究与工程应用的人员提供理论支持与实践指导。
本书由北京理工大学张硕、张承宁、翟丽、杨波、董玉刚共同著写，另外，课题组余涵、姚舜禹、吴忌等研究生参与了大量的资料收集、整理、校稿等工作，课题组的周莹、杨楠、雷凌顶、刘恬、孙永禄、滕继晖等人在本书撰写过程中提供了重要的资料支持，在此对他们表示衷心的感谢。
鉴于作者水平有限，书中难免存在错误和不当之处，恳请读者提出批评和修改建议，以便本书再版修订时参考。
著 者
