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本书将理论和实践结合在一起，一方面先从理论上阐明基本原理，然后结合实际应用介绍理论实现的过程和方法，比如电流环控制器、电流控制策略与滤波器相关设计部分。另一方面，选取一些实际生产中常用的问题，然后推导其中蕴含的理论知识，进一步加深理解，比如主动发电原理分析、主动短路分析等。除此之外，本书还详细介绍了参数辨识和观测器在电机控制中的实际应用，包括电阻、电感、磁链等参数的辨识，负载转矩观测器、电压扰动观测器以及旋变的软件解码等。本书中的所有问题都来源于电机产品开发实战，具有较好的应用价值和实践指导意义。并且可以提供相关源代码和仿真模型。

第1章 电流检测与电流控制  / 1
1.1 电流采样  / 1
1.1.1 电流采样点的选择  / 1
1.1.2 电流计算与标幺化  / 3
1.2 电流PI 控制器设计   / 4
1.2.1 基础设计  / 4
1.2.2 进阶设计  / 11
1.3 实战案例  / 18
1.3.1 反电势谐波补偿  / 18
1.3.2 注入谐波电流  / 22
第2章 电流控制策略与标定  / 24
2.1 电流控制策略  / 25
2.1.1 MTPA 控制  / 26
2.1.2 MTPV 控制  / 28
2.1.3 最小铜耗控制  / 31
2.1.4 最小铁耗控制  / 32
2.1.5 最高效率控制  / 34
2.2 实战案例  / 34
2.2.1 基于转速标定电机  / 34
2.2.2 基于磁链标定电机  / 35
第3章 数字滤波算法及实践  / 38
3.1 常用IIR 滤波器  / 38
3.1.1 模拟原型  / 39
3.1.2 实现结构  / 42
3.1.3 一阶低通滤波器  / 44
3.1.4 二阶低通滤波器  / 47
3.1.5 陷波器  / 48
3.1.6 高阶低通滤波器  / 49
3.2 常用FIR 滤波器  / 50
3.2.1 低通滤波  / 50
3.2.2 滑动平均滤波器  / 51
3.2.3 中值滤波  / 55
3.3 数字滤波器独有的特点  / 57
3.3.1 频响周期性  / 57
3.3.2 频响纹波  / 58
3.3.3 混叠问题  / 59
3.3.4 输出静差问题  / 59
3.4 参数取舍  / 60
3.4.1 响应时间与超调  / 60
3.4.2 相位滞后  / 61
3.5 实战案例 / 62
3.5.1 三阶低通滤波器汇编实现  / 62
3.5.2 电机转速滤波    / 66
3.5.3 温度变结构滤波  / 68
3.5.4 母线电流滤波    / 69
第4章 估计观测算法及实践  / 71
4.1 预备知识 / 71
4.1.1 状态反馈    / 71
4.1.2 状态观测    / 72
4.2 龙伯格观测器     / 74
4.2.1 电机速度观测    / 74
4.2.2 观测器离散化    / 76
4.2.3 估计过程    / 77
4.3 实战之扰动观测补偿    / 78
4.4 实战之机械谐振抑制    / 81
4.4.1 谐振建模分析    / 81
4.4.2 实践案例    / 82
4.4.3 系统校正    / 83
4.4.4 等效惯量    / 84
4.4.5 主动阻尼    / 86
4.5 实战之旋变软件解算    / 88
4.5.1 激励信号的生成  / 89
4.5.2 输出信号的解调  / 94
4.5.3 反正切解算     / 99
4.5.4 PLL 跟踪环路解算    / 101
4.5.5 性能测试   / 110
4.6 实战之IGBT 的PN 结结温估算  / 114
4.6.1 热传导原理与建模    / 115
4.6.2 导通损耗的计算  / 117
4.6.3 开关损耗的计算  / 119
4.6.4 离散化建模仿真  / 121
第5章 参数辨识算法及实践   / 124
5.1 电阻辨识   / 124
5.1.1 原理分析   / 124
5.1.2 实现过程   / 125
5.1.3 数据处理   / 126
5.1.4 实际计算   / 127
5.2 电感辨识   / 129
5.2.1 原理分析   / 129
5.2.2 脉宽调整   / 130
5.2.3 采样计算   / 131
5.3 反电势辨识    / 133
5.3.1 原理分析   / 133
5.3.2 实现过程   / 134
5.3.3 实际计算   / 135
5.4 PMSM 初始角辨识    / 136
5.4.1 原理分析   / 136
5.4.2 电压脉宽   / 137
5.4.3 电流检测   / 139
5.4.4 辨识结果   / 142
5.5 旋变初始角辨识   / 143
5.5.1 原理分析   / 143
5.5.2 实现过程   / 144
5.5.3 实际计算   / 144
第6章 实际应用分析   / 146
6.1 功率流图的应用   / 146
6.2 同步电机不可控发电分析    / 148
6.3 同步电机可控发电分析  / 149
6.3.1 发电时空矢量图  / 149
6.3.2 电流回馈细节   / 150
6.4 同步电机短路制动    / 153
6.5 同步电机缺相运行    / 155
6.6 低频热保护    / 157
6.7 过载保护   / 158
6.8 PWM 供电实践要点    / 158
6.8.1 PWM 电压波形  / 158
6.8.2 PWM 实测波形  / 161
6.8.3 电流纹波  /  164
6.8.4 窄脉冲消除  /  165
6.8.5 死区补偿  / 165

电机控制是一种既传统又新颖的技术。20 世纪70 年代，从德国学者提出矢量控制算法以来，虽说不断有新的算法推出，如直接转矩控制、模型预测控制等，但是最主流的始终是矢量控制技术。另外，因为市场上不断有新的应用出现，从传统的变频器到电动汽车驱动器，再到无人机、机器人伺服控制等，都对电机控制器的性能、成本、可靠性提出了新的需求。所以，可以说电机控制是先进制造的基础技术，在国家从制造大国到制造强国的进程中，它仍然是值得人们不断进入和深耕钻研的领域。
在大多时候，理论与实践之间横亘着一条鸿沟。很多一线工程人员使用成熟的代码，基于经验参数调试控制回路，完成项目应用。他们大多依赖时域实际的调试结果来确定参数，对其背后的原理与指标缺少深入的了解。而前沿研究人员则更倾向于展示先进成果，将重点放在数学上的稳定性证明方面等，对于如何低成本、可靠地实现，他们往往并不关心。本书试图建立起理论与实践之间的桥梁，并示范如何在实践中规范地使用理论知识，希望能够帮助电机控制相关专业学生和后来者更快地进入这个领域。

本书内容

第1章介绍电机矢量控制最为核心的电流环。首先，详细介绍了电机电流的采样、计算及标幺化；然后，讨论了电流PI 控制器的原理、实现和进阶，PI 控制器参数的生成，以及参数大小在控制和抗扰动两方面所起的作用；最后，作为对常规电流环的改进，介绍了一个反电势谐波补偿的实战案例，此补偿方案对提升电动汽车驱动系统NVH 性能有较为明显的作用。
第2章介绍电机电流的上层控制策略与实用标定方法。这里的电流控制策略特指根据转矩指令生成电流给定值的方法。永磁同步电机比较常用的有MTPA、MTPV 控制策略，在电流平面上，满足对应条件的工作点构成MTPA 和MTPV 曲线。由于受到实际条件的限制，MTPA 和MTPV 曲线上的工作点并不总是有效的。在这种情形下，仍然可以追求次优工作点，相关讨论引出了最小铜耗控制和最小铁耗控制。目前，电机控制效率问题在各种场合都广受关注，为达到效率最优，需要综合运用上述电流控制策略。但此方案直接实现比较困难，相对行之有效的方式是首先对电机进行标定，然后使用查表法实现。
第3章介绍常用数字滤波器的原理及实现细节。滤波器在噪声抑制、信号提取及系统校正等方面有着不可或缺的作用。数字滤波器与模拟滤波器相比又有着其独有的特点，如周期性的频响特性、混叠效应及稳态响应的静差问题等。低通滤波器在电机控制中的应用最为广泛，本章着重介绍了其在频域的特点，并在具体的代码编写过程中给出了频域指标的工程计算方法。本章末介绍了几个比较典型的实战案例，读者可以看到滤波器在实践中是怎样使用的。
第4章介绍电机控制系统中典型的状态观测器。20 世纪60 年代，为解决状态不能直接测量的问题，有学者提出了状态观测器的概念和构造方法。此后，状态观测器技术蓬勃发展，各种理论不断涌现，并且在实际应用场合取得成功。本章以电机控制领域常用的龙伯格观测器和锁相环为例，简要地讨论了状态观测器的基本原理与结构。除此之外，本章还详细地介绍了几个和状态观测器相关的实战案例。其中，机械谐振抑制是工业控制和电动汽车等领域常见的问题；旋变软件解算技术可以替代旋变解算芯片，降低系统成本，具有重要的经济价值；IGBT 的PN 结结温估算技术可最大限度地发挥IGBT 模块的性能，提高其可靠性。
第5章介绍电机关键参数的辨识算法及实现细节。参数辨识算法属于电机控制中比较独立的算法分支，也是近年来国内外学者一直研究的领域。本章介绍了永磁同步电机的电阻、电感、反电势、初始角的辨识。本章介绍的算法在电机未工作状态下运行，属于离线辨识算法。
第6章对实际中常见的一些应用和做法进行理论上的分析与探讨。这些应用和做法对于工程人员可能是司空见惯的，但是他们对于其背后的原理可能没有那么清楚。例如，电机低频或堵转运行时为什么要降载频运行？电机发电运行时的输出电压远低于母线电压，为什么反而能将能量回馈到母线上？同步电机缺相后能否继续运行？

致谢

本书的编写经历了漫长而艰苦的过程，得到了很多人的支持。首先感谢我们的家人，是你们的无私支持才让本书得以问世；其次感谢一起合作的伙伴，你们给了我们很多灵感。

编著者
2023 年于中国深圳

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