英国皇家工程院院士、谢菲尔德大学诸自强教授中文版首发!《永磁同步电机无位置传感器控制》详解最新无位置传感器控制技术!

电动车千人会 2025-01-16 11:22

学习的过程就是“知行合一致良知”

《永磁同步电机无位置传感器控制》由永磁同步电机无位置传感器控制技术领域的国际著名专家诸自强教授等编写。本书系统地总结了永磁同步电机无位置传感器控制技术的基本原理和最新进展,重点介绍了近30年来该领域全球最新的研究成果和诸自强教授及其研究团队的新技术新成果,详细讨论了该领域的许多前沿问题和挑战及其解决方案,并提供了大量的工程应用成功实例。

《永磁同步电机无位置传感器控制》

978-7-111-76760-2

1998年以来,诸自强教授与其团队一直持续从事永磁同步电机的无位置传感器控制研究。2023年将25年来诸院士15位博士生在永磁同步电机无位置传感器控制这个领域的研发成果总结成书,2024年英文原著由IEEE旗下的Wiley出版。诸自强院士对于国内电机产业界和学术界都做出了非常卓越的贡献,为国内电机领域培养了大量优秀人才。为了最好地呈现英文原著的内容,中文版特别邀请诸自强院士组织编译。对于该书的出版,诸院士非常重视且倾注了大量精力,对中文翻译进行了多次校对。该书所有译者均为诸院士已毕业的博士,其中很多已是电机领域的翘楚;内容较原书也增加了不少,且修改了原书的个别错误。

对于从事电机及其驱动控制以及从事电动汽车、风力发电机、家用电器和工业自动化的研究人员来说,本书是一本不可多得的佳作。针对永磁同步电机无位置传感器控制技术领域的基本原理、实例、挑战及其实际解决方案,本书是目前最全面、最系统、最深入浅出的一本著作。

集知播识 ▪ 敢为人先

● 权威性:诸自强教授是英国皇家工程院院士,带领着永磁电机系统领域全球最大、国际领先的谢菲尔德大学电机和驱动研发团队,其中包括8名教授、3名高级讲师、3名讲师、100多名博士生和博士后,另参与创建并主管多所科研中心。除此之外担任美的集团上海电机和驱动控制研发中心主任,深耕电机相关细分领域42年,与许多国际著名企业有长期合作的经验,拥有授权发明专利100余件,发表学术论文1500多篇,包括IEEE和IET学报论文600多篇,还培养了150多名博士生和博士后。本书作者的专业背景和丰富经验,保证了书籍内容的权威性和专业性。


● 全面性:作者研发了许多创新的永磁电机和控制新技术,同时把这些新技术应用在西门子海洋风电和美的的几乎所有产品里,本书是作者25年来在永磁同步电机无位置传感器控制这个领域的全面总结。


● 实用性:最近10多年间,永磁同步电机无位置传感器控制发展非常迅速,现在已经有很多商业化的产品采用各种无位置传感器控制技术,应用的领域包括风力发电机、汽车空调压缩机、冷却水泵和油泵、电动助力自行车、无人机、通用变频器,家用电器(包括空调和冰箱压缩机与风扇、洗衣机、洗碗机、热循环泵、吸尘器等),以及在电气化交通和航空应用的容错驱动系统。尽管已经有许多成功的商业应用,不少领域采用无位置传感器控制仍有许多挑战,譬如那些需要大负载快速启动的应用场合。随着技术的不断进步,无位置传感器控制会得到更广泛的应用,为一系列工业和家用的商业需求提供更可靠、更经济、更有效的解决方案。


● 美观性:全书以精装形式出版,采用全彩印刷,内容丰富、图文并茂,为读者呈现了一场视觉与知识的双重盛宴。


一、权威作者


诸自强

英国皇家工程院院士,美国IEEE学会会士,英国IET学会会士,中国电机工程学会会士,中国电工技术学会会士。担任/担任过英国工程物理与科学研究基金(EPSRC)专家组成员,中国国家自然科学基金海外特邀专家组成员,英国皇家工程院院士评选委员会委员,IEEE电力工程奖和工业应用学会杰出成就奖评选委员会委员,中国电工技术学会第6-9届理事,中国电工技术学会磁场调制电机专业委员会副主任委员,IET Electric Power Applications 主编,IEEE Energy Conversion编辑,IEEE Industry Applications副编辑和CES Transactions on Electrical Machines and Systems副主编。
荣获2024全球能源奖 (Global Energy Prize)、2021 IEEE尼古拉・特斯拉奖,2019 IEEE工业应用学会杰出成就奖,2019摩纳哥王子基金奖,2018广东省科学技术奖-科技合作奖,并获38项最佳论文奖(包括7项IEEE/IET学报最佳论文奖)。
1977年考入浙江大学电机系,1981届电机专业本科,1984届电机专业硕士,并留校任助教及讲师。1988年赴英国并加盟谢菲尔德大学电力和电子学院。1991年,获谢菲尔德大学博士学位。先后担任谢菲尔德大学英国文化委员会资助访问学者(1988-1989)、Research Associate (1989-1992)、高级研究科学家(1992-2000)、教授(2000-)。现任谢菲尔德大学顶级教授(2014-),英国皇家工程院/西门子特聘教授(2014-2023),谢菲尔德大学电机与驱动研究团队负责人(2008-),谢菲尔德西门子风电研发中心创建主任(2009-)、美的上海电机与驱动控制研发中心创建主任(2010-),谢菲尔德中国中车电气传动技术研究中心创建主任(2014-),谢菲尔德中国新能源汽车国创中心电驱动技术研究中心创建主任(2022-)。
长期从事新型永磁电机及其系统和先进控制关键技术的基础和应用研究,致力于在电气化交通(电动汽车、高铁、多电飞机)、海上风力发电、家用电器和自动化系统等领域的应用。在永磁电机建模,Halbach电机、定子永磁开关磁链电机、直驱电机、超高速电机、磁场调制磁齿轮电机,定子电励磁电机、容错电机、变磁通电机,无位置传感器技术、矢量控制、转矩直接控制、参数辨识和状态检测、电机噪声与振动等方面做出了许多原创性和突破性的贡献。主持的科研项目由英国政府EPSRC和国际著名公司资助,包括主持EPSRC资助的英国风电领域最大的“海上风电繁荣合作计划”(2017-2023)。开发的技术被英国、德国、法国、丹麦、日本、美国和中国等国家的工业界(包括劳斯莱斯、西门子、丰田、日产、法莱奥、采埃孚、Brose、Protean、中国中车和美的等)广泛采用并商业化。
拥有200多项授权和登记的发明专利;出版6本专著、5本编辑著作;发表1500多篇学术论文,其中600多篇发表于IEEE/IET期刊,被国际同行和教科书广泛引用 (Sci引用>34000, h-index=92; Google引用>56,000,h-index=116)。共独立指导44名博士后和106名已毕业博士生,其中50多位学生在中国高校和企业工作,包括3名中国杰出青年基金获得者。


吴溪蒙

2011年获合肥工业大学电气工程及其自动化学士学位,2016年和2020年分别获英国谢菲尔德大学电气工程硕士和博士学位。2020—2023年为谢菲尔德大学博士后,现在丹麦西门子歌美飒可再生能源有限公司工作,主要从事永磁同步电机控制。

以行求知 ▪ 真才实学


二、内容丰富全面



本书介绍永磁电机驱动系统的基本原理和最新无位置传感器控制技术,包括永磁BLAC和BLDC驱动系统、单三相、双三相和开绕组永磁电机。


● 对于永磁BLAC驱动系统

第2章 介绍了基波模型法,包括磁链观测器、有效磁链观测器、反电动势和扩展反电动势;
第3章 介绍了基波模型法应用时的实际问题和相应的解决方案,例如积分漂移和滤波器相位延迟、 反电动势和电流谐波、交叉饱和、参数不匹配与参数不对称等。
第4章 根据注入信号的类型 (如旋转、脉振和方波信号等),与估计位置所利用的相应电流或电压反馈,详细介绍了在不同坐标系下的高频信号注入法;
第5章 充分讨论基于转子凸极方法的常见问题,包括各种寄生效应和解决方案,如交叉饱和、多重凸极、参数不对称、逆变器非线性、信号延迟、电机设计和负载效应等;同时对于注入的高频信号,将系统地介绍选择注入信号的幅值和频率的方法;
第6章 介绍如何利用零序电压进行位置估计;
第7章 详细介绍用于双三相电机和开绕组电机的无位置传感器控制技术;

第8章和第9章 分别介绍转子极性判断和转子初始位置辨识的相关技术。

● 对于BLDC驱动系统

第10章 介绍基于基波反电动势过零点检测的无位置传感器控制技术;

第11章 介绍基于3次谐波反电动势的相关技术,同时该技术也适用于BLDC驱动系统。

本书所包括的范围如图所示

第12章 重点介绍一些基于现代控制理论的无位置传感器控制技术,包括MARS、SMO、EKF和MPC。

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三、章节试读


永磁电机驱动中在的一常见问题
  • 漂移问题

  • 器相位延迟问题

  • 电动及电流谐波

  • 数不匹配

  • 数不对

  • 低速位置
针对永磁电机驱动的交叉饱和效应问题展开分析相应的
析扩电动无位置传感器控制方合磁和引起的位置和效应, , dq 轴磁有限预测模 者直接由实测得)。预测值用于电机数学模型中, 改善扩电动无位置传感器控制性在电机数学模型中了交和和感后, 电动无位置传感器控制的性能以得显著改善
对位置估计的影响
基于机IPMSM-I, 在不同的dq 轴电流, 通过有限到了轴磁q 轴磁, 如图1所示

图1 不同电流下的dq 轴磁链

从图1 看出dq 轴磁取决dq 轴电流, 并且以表示为
在自感和感可以计算
接下, 通过有限计算dq 在自感和, 如图2 所示, 于磁Ld,Lq,Ldq,Lqd随着ii

图2 视在自感和视在互感的FE仿真结果

然后, 基于传统的电动模型, 和引起的位置误差

看出, 位置误差主要LLqd 导致对于轴电感的, 按文献【11】中的方进行简单补
其中Lqiq)和Lq0从有限仿真或实获得
轴电感的磁和可通过式 3.8) 很好, 则由dq 轴交合引起的位置误差以由下式
由以上, 对于传统的电动无位置传感器控制方, 果没合电感, 就会在位置中出误差因此, 介绍了和后的电动无位置传感器控制方法。
考虑交叉饱和的无位置传感器控制
需要Ldq Lqd , 首先到电机数学模型中, 电动无位置传感器控制方, 所示
与传统的电动无位置传感器控制方, 上式的电阵首先需要被转
程式 3.11) 是基于实际转子位置的, 在无位置传感器控制方, 它需要被变换的同步旋转坐标, 所示
式 3.12) , 感通常远小于自感, 并且电流微分态或低加速运行中通常远小于电流因此, 可在式 3.12) 忽略pLdq, 误差的位置误差相比, 速地, 因此该项以忽略, 的转子位置坐标系中的电被简化为
根据上简化的电, 以计算转子位置的误差, 所示
然后, 使用的转子位置和传统电动无位置传感器控制方相比, 式(3.14)了交和效应的, 进而提高了
Lqd 通过获得或者有限仿真Lqd  ii化可能是一复杂的, 成本应用中以实现, 因此可使用一似函Lqds Lqd  ii, 
κ因子
, 忽略dq 轴交和效应而导致转子位置误差通过间接补首先假设Lqd , 然后根据测误差到的转子位置误差为简化起见以近
θ是转子位置κ因子
情况下, 不需要关于Lqd 
基于IPMSM-I,了传统和进的电动无位置传感器控制方的性能对于传统方, 电感定为Lq=43mH Lqd=0mH。 然后, 对传统方同时轴电感化的工, 其中Lq=(51-2|iq|)mH,Lqd=0mH。 对于进方, 了两种。 首先是在模型中合电感的进方, 根据式3.15对交合电感进行, 其中κc =-0.002。 然后是基于位置误差进方, 其中κr≈0.9如图3 所示。 将q轴在电感L为常数在模型中忽略Lqd , 图3a 的最大误差, 如在iq=4A时为16.6º。L中的磁和效应时, 图3b 中的转子位置改善, iq=4A时为15.5º。通过Lqd, 3c 的转子位置的最大误差显著至6.2º。 在的位置误差通常是于有限预测dq 轴电感的准确, RsLqLqd 。 对于图3d 中示的基于位置误差进方, 误差与图3c 基本相同

图3 基于扩展反电动势无位置传感器控制方法的估计位置误差


彩色展示:



实 体 书






来源:机工电气


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