直線感應電機及系統 徐偉 9787111724469 【台灣高等教育出版社】

內容簡介
本書從「電機本體—控制策略—系統級優化」三個維度，開展了全面深入的研究和探索，成功構建了一套適用於直線感應電機系統的理論分析體系。
針對直線感應電機「模型精度偏低、控制效果欠佳、系統優化困難」等相關技術瓶頸及難題，本書在直線感應電機的時間諧波等效電路、電機系統損耗模型、電機系統小損耗控制、多參數并行辨識策略、系統級多層次優化等方面開展了大量研究，取得了系列原創性成果，相關工作具有十分重要的理論分析及工程實踐意義。
本書可供電氣工程、控制工程、機械工程等相關行業科研技術人員，以及高等院校電機、電氣傳動、電力電子等專業的教師和學生參考。

作者簡介
徐偉，華中科技大學教授，博士生導師。入選IET Fellow、IEEE高級會員、國家級高層次青年人才、湖北省百人計劃特聘專家、湖北省百名專利發明領軍人才。研究方向為電機設計、控制及系統集成應用，在直線感應電機系統穩動態等效模型、多參數辨識、效率和推力提升、系統級優化等方向獲得系列原創。研究團隊為「華中科技大學能量轉換系統研究組」（http://machinececs seee hust edu cn/），和中車、徐工、蘭州電機、東風汽車等多家重點行業權威企業開展深入合作。
擔任IEEE IES 武漢分部主席、2021年國際直線電機大會（LDIA）主席、2023年國際模型預測大會（PRECEDE）主席、IEEE TIE等期刊（副）編輯、國際直線電機大會指導委員（ISC Member）。主持國家重點研發計劃（金磚國合）、國家自然科學基金、湖北省重大項目和湖北省科技支撐、四川省重大研發、淄博市創新發展重點、佛山市科技創新團隊、深圳國合重點項目、徐工重大項目等。帶領團隊研發多個電機系統樣機及產品，通過權威部門科學技術評價5次，在城軌交通、電動汽車、鋼鐵冶鍊、石油開採等行業得到應用。
發表高水平期刊論文190餘篇（IEEE彙刊論文150餘篇，其中熱點論文1篇，高被引論文2篇），出版中英文著作8部（以第一作者身份，2019年在Springer出版《Advanced Linear Machines and Drive Systems》，2023年在CRC出版《Permanent Magnet Synchronous Machines and Drives: Flux Weakening Advanced Control Techniques》等）。以第一發明人身份，獲授權美國發明專利4項，授權中國發明專利71項（10餘項得到應用及許可轉化）、省部級獎4次、國家發改委節能產品目錄1次、國際學術研究Fellowship 3次、國際期刊或會議最佳論文獎16次。相關成果Google Scholar引用率8000餘次（H指數44），（2020~2023）連續3年入選Stanford大學「世界2%科學家榜單」。

目錄

目錄
Contents
序言
前言
第1章概述/
1 1研究背景及意義/
1 2直線感應電機等效分析模型研究概述/
1 2 1路的方法/
1 2 2場的方法/
1 2 3場路結合法/
1 2 4等效模型研究難點/
1 3直線感應電機控制方法研究概述/
1 3 1傳統控制策略/
1 3 2最小損耗控制/
1 3 3模型預測控制/
1 3 4無速度傳感器控制/
1 3 5參數辨識及牽引性能提升/
1 4直線感應電機多目標優化研究概述/
1 4 1優化建模/
1 4 2降維求解/
1 5本書主要研究內容/
第2章直線感應電機等效電路/
2 1引言/
2 2繞組函數理論及分析/
2 2 1電機結構/
2 2 2繞組函數/
2 3繞組函數等效電路/
2 3 1電感計算/
2 3 2速度電壓校正係數/
2 3 3電壓和磁鏈方程/
2 3 4特性變數/
2 3 5等效電路推導/
2 4諧波成分及分析/
2 4 1空間諧波/
2 4 2時間諧波/
2 4 3總諧波/
2 5時間諧波等效電路/
2 5 1修正係數/
2 5 2等效電路/
2 6小結/
第3章直線感應電機最小損耗建模分析/
3 1引言/
3 2電機損耗模型/
3 2 1數學模型/
3 2 2損耗模型/
3 3直線感應電機系統損耗模型/
3 3 1考慮逆變器的電機損耗模型/
3 3 2考慮時間諧波的電機損耗模型/
3 4直線感應電機最小損耗控制/
3 4 1控制演算法/
3 4 2模擬結果/
3 4 3實驗結果/
3 5直線感應電機系統最小損耗控制/
3 5 1考慮逆變器損耗的最小損耗控制/
3 5 2考慮時間諧波影響的最小損耗控制/
3 5 3模擬結果/
3 5 4實驗結果/
3 6小結/
第4章直線感應電機模型預測電流控制/
4 1引言/
4 2傳統模型預測電流控制/
4 2 1電流預測模型/
4 2 2傳統單矢量模型預測電流控制/
4 3基於不同調製策略的模型預測電流控制/
4 3 1單矢量模型預測電流控制/
4 3 2雙矢量模型預測電流控制/
4 3 3三矢量模型預測電流控制/
4 3 4實驗結果/
4 4多步長連續集模型預測電流控制/
4 4 1多步長連續集模型預測控制演算法/
4 4 2含約束條件的簡化求解/
4 4 3實驗結果/
4 5多步長有限集模型預測電流控制/
4 5 1預測步長為2的情況/
4 5 2預測步長為N的一般情況/
4 5 3實驗結果/
4 6小結/
第5章直線感應電機模型預測推力控制/
5 1引言/
5 2傳統模型預測推力控制/
5 3無權重係數模型預測推力控制/
5 3 1初級磁鏈約束法/
5 3 2統一量綱法/
5 3 3實驗結果/
5 4任意雙矢量模型預測推力控制/
5 4 1最優電壓矢量組合簡化搜索方法/
5 4 2含電流約束條件的簡化求解方法/
5 4 3實驗結果/
5 5基於參考初級磁鏈矢量的模型預測推力控制/
5 5 1基於MTPA的模型預測推力控制/
5 5 2參考初級磁鏈矢量推導/
5 5 3實驗結果/
5 6小結/
第6章直線感應電機無速度傳感器控制/
6 1引言/
6 2基於全階觀測器的速度估計方法/
6 2 1全階狀態觀測器/
6 2 2全階自適應速度觀測器/
6 3基於擴展全階狀態觀測器的速度估計方法/
6 3 1擴展狀態觀測器/
6 3 2擴展全階自適應速度觀測器/
6 4全解耦二自由度無速度傳感器控制/
6 4 1速度控制器與觀測器對動態性能的影響/
6 4 2全解耦二自由度控制器設計/
6 4 3模擬及實驗結果/
6 5無速度傳感器控制穩定性研究/
6 5 1穩定性與阻尼特性分析/
6 5 2自適應參數設計/
6 5 3模擬及實驗結果/
6 6小結/
第7章直線感應電機參數辨識/
7 1引言/
7 2電機參數機理分析/
7 2 1參數變化機制分析/
7 2 2控制系統參數需求分析/
7 3低複雜度在線參數辨識/
7 3 1單參數在線辨識/
7 3 2雙參數在線辨識/
7 3 3模擬及實驗結果/
7 4低開關頻率下在線參數辨識/
7 4 1低開關頻率下辨識特性對比/
7 4 2參數敏感性與諧波抑制策略/
7 4 3模擬及實驗結果/
7 5帶參數辨識補償的無速度傳感器控制/
7 5 1全階觀測器參數敏感性分析/
7 5 2勵磁電感與速度并行辨識/
7 5 3模擬及實驗結果/
7 6小結/
第8章直線感應電機多目標優化/
8 1引言/
8 2參數敏感性分析/
8 3直線感應電機多層次優化模型/
8 3 1正交實驗表/
8 3 2相關性分析/
8 3 3優化模型/
8 4多層次優化/
8 4 1直線感應電機優化模型及結果/
8 4 2優化方案驗證/
8 5直線感應電機系統級優化/
8 5 1優化模型/
8 5 2模擬及實驗結果/
8 6小結/
第9章總結與展望/
9 1全書總結/
9 2展望/
參考文獻/
附錄/
附錄A/
附錄B/
附錄C/

前言/序言
前言
Preface
因結構簡單、電磁力直接驅動（無中間傳動裝置）、加減速度快、雜訊低等優點，直線感應電機系統已在軌道交通、伺服系統、電磁彈射器、電磁感應泵等領域得到了廣泛的應用。然而，由於端部效應影響，迄今直線感應電機系統存在推力、效率和可靠性偏低等問題，主要面臨三方面技術瓶頸：等效模型不精確，電機特性分析、優化設計及高性能控制難度大；控制策略不高效，複雜工況下電機的工作效率及運行可靠性偏低；系統優化不深入，系統的功率因數和效率等性能指標難以同時達到最優。
在國家自然科學基金、國家海外高層次青年人才項目、徐工研究院重大項目等支持下，作者從「電機本體—控制策略—系統級優化」三方面開展技術攻關，形成了本書較為完整的體系，具有一定理論意義與工程應用價值。
本書第1章從直線感應電機的應用背景出發，綜述了電機本體、控制策略和系統級優化方面的研究現狀，分析了當前技術條件下存在的挑戰與亟待解決的問題，並介紹了本書的主要內容。第2章從直線感應電機氣隙磁通密度方程入手，推導出電機繞組函數電路模型，分析了電機中存在的主要空間諧波和時間諧波成分及其作用規律，並建立了時間諧波激勵下的直線感應電機等效模型。第3章敘述了三種全面且實用的直線感應電機損耗模型，可較為準確地衡量初級漏感、縱向邊端效應、橫向邊緣效應等因素的影響，還分別考慮了電機和逆變器時間諧波損耗等。第4章將模型預測電流控制與矢量控制相結合，對邊端效應和計算延遲進行補償，簡化了演算法複雜度，提高了電流跟蹤性能。第5章採用雙矢量調製策略來提升電壓矢量的調製精度，首先求解獲得參考電壓矢量，快速選出最優電壓矢量組合，有效避免了重複的枚舉計算；然後實現了額定速度以下的最大推力電流比控制和額定速度以上的弱磁控制。第6章提出擴展全階狀態觀測器速度估計方法和擾動估計補償速度控制方法，實現了速度跟蹤性能和負載擾動性能的全解耦二自由度控制。第7章對電機參數機理進行了詳細分析，先後研究了直線感應電機的低複雜度高精度在線參數辨識方法、低開關頻率下模型預測控制參數辨識方案和無速度傳感器下勵磁電感并行辨識方案。第8章研究了直線感應電機的系統級優化方法，從電機本體和控制策略等層面對直線感應電機系統進行同時優化。第9章對本書的內容進行了詳細總結，並對直線感應電機系統的未來發展趨勢進行了展望。
本書的書稿整理和校對工作得到了作者的博士生唐一融、董定昊、肖新宇、上官用道、郭穎聰、成思偉、葛健、胡冬、佃仁俊、鄒劍橋、Mahmoud F Elmorshedy、Mosaad M Ali、Samir A Hamad等的大力支持，在此一併致謝。同時，衷心感謝我的博士生導師李耀華研究員和孫廣生研究員、博士后導師Jianguo Zhu教授和Xinghuo Yu教授，是他們的指導和引領，讓我有幸進入直線電機領域，十八年如一日的堅守，致大盡微，博覽眾長。其次，真心感謝華中科技大學黃聲華教授、劉毅、彭紅林、楊春全等對團隊平台的建設及對我的支持，喻家山下十年的堅持，厚積薄發，擔當致遠。再次，非常感謝愛人和孩子的長情陪伴，感謝父母的常年挂念。最後，十分感謝國家自然科學基金面上項目（No 52277050和No 51377065）和國家海外高層次青年人才項目等的大力支持。
本書可供電氣工程、控制工程、機械工程等相關行業科研技術人員，以及高等院校電機、電氣傳動、電力電子等專業的教師和學生參考。因作者學識和時間有限，且直線感應電機系統仍在不斷發展之中，書中難免存在諸多問題或不當之處，敬請廣大同仁和讀者不吝批評指正。
徐偉謹識
2022年10月于華中大