本书综合介绍了模型预测控制的原理与新进展及其在永磁同步电机控制中的应用。主要包括永磁同步电机模型及基础、常规模型预测控制技术，以及多种永磁同步电机模型预测控制方案。本书打破了常规交流电机模型预测控制的默认规则与理论局限，提出基于死区电压矢量的模型预测控制、多级串联模型预测控制等系统思想，在继承常规模型预测控制优点的同时有效提升了系统整体控制表现，丰富了模型预测控制的理论体系。
模型预测控制具有非线性约束与多变量同时控制的能力，并且结构简单易实现年来获得研究人员的广泛关注。在电机控制领域，相对于经典的矢量控制，模型预测控制不用考虑电流环及其PI参数整定，不存在带宽限制问题，同时不需行脉冲宽度调制，可直接发出开关驱动信号；另一方面，模型预测控制根据当前测量值对电机未来状态变行预测，以实现优电压矢量的选择，相比于直接转矩控制，所选的电压矢量更为可靠。并且模型预测控制可以将开关变换次数、零序变量等问题作为约束条件或控制目标，以优化电压矢量选择，相比于矢量控制与直接转矩控制具有一定的原理性优势。
在国家自然科学（51877002）和中国博士后科学（2021M69060pan>）等项目的资助下，作年来在永磁同步电机模型预测控制领域开展了深入的研究，取得了一些原创科研成果，是突破了常规模型预测控制的默认规则与理论局限，提出了基于死区电压矢量的模型预测控制与多级串联模型预测控制的系统思想与框架，在继承常规模型预测控制优点的同时有效提升了系统整表现，丰富了模型预测控制的理论体系；另外，从鲁棒性提升、矢量选择、权重因子等多个维一步完善了模型预测控制的理论框架。
本书是国内本介绍永磁同步电机模型预测控制相关技术的专著。前三章为概述和模型预测控制基础理论，后五章为本书的，主要介绍了鲁棒模型预测控制、模型预测电压控制、直接速度模型预测控制、基于死区电压矢量的模型预测控制及多级串联模型预测控制等核心内容。本书由张晓光统筹撰写，在作者实验室学作过的研究生侯本帅、张亮、王克勤、何一康、李毅、程昱、张文涵、赵志豪与徐驰为本书的成稿做出了很大贡献；另外，研究生闫康、白海龙、高旭、王子维、张晨光、李霁与刘峥协助作行了全书的校对，在此一并感谢。
作者希望本书能够对致力于交流电机模型预测控制研究的科研工作者、技术工程师、研究生以及高年级本科生有所帮助。由于作者有限，并且电机模型预测控制理论正在经历飞速的发展过程，书中难免存在很多不甚至错误之处，敬请读者朋友们批评指正。
张晓光，博士，北方工业大学“毓杰人才”特聘教授，现为电力电子与电气传动北京市工程研究中心主任。曾先后入选北京市“科技新星”、北京市“青年拔尖人才”、北京市高创计划“青年拔尖人才”；担任国际电气传动与电力电子预测控制会议（PRECEDE19）技术委员会共、IET Power Electronics期刊编委及Associate Editor、《电工技术学报》交流电机模型预测控制专刊特邀副主编，国家自然科学通信评审专家。主要从事交流电机控制及其应用方面的研究工作，主持国家自然科学、北京市自然科学、企业合作开发项目等20余项，截至2022年2月以/通讯作者发表或录用SCI/EI论文70余篇，其中SCI一区Top期刊20余篇，先后6篇入选ESI高被引论文或ESI热点论文；入选福大学全球前2%科学家榜单（202pan>），获得北京市科学技术、国际学术期刊Journal of Power Electronics佳论文奖、国际会议佳论文励5项。
目录序
前言
第1章概述1
1.1研究背景及意义1
1.2永磁同步电机控制技术概述2
1.3模型预测控制研究现状2
1.4本书主要内容4
参考文献6
第2章三相永磁同步电机数学模型9
2.1三相标系下的数学模型10
2.2两相标系下的数学模型11
2.3两相旋转坐标系下的数学模型12
2.4本章小结13
参考文献13
第3章传统模型预测控制14
3.1模型预测控制简述14
3.2模型预测电流控制15
3.2.1基本工作原理16
3.2.2控制延时补偿16
3.2.3结果17
3.3模型预测转矩控制19
3.3.1基本控制原理20
3.3.2优矢量遴选21
3.3.3结果22
3.3.4实验结果24
3.4本章小结27
参考文献27
第4章鲁棒模型预测控制30
4.1鲁棒模型预测控制策略简述30
4.2模型参数失配对模型预测控制的影响31
4.3基于参数扰动估计的鲁棒模型预测控制34
4.3.1滑模扰动观测器设计34
4.3.2基于滑模观测器的模型预测电流控制系统37
4.3.3和实验结果39
4.4基于增量式模型的鲁棒模型预测控制45
4.4.1增量式预测模型45
4.4.2增量式MPCC的参数敏感性分析47
4.4.3基本控制原理49
4.4.4和实验结果52
4.5基于电流预测误差的鲁棒模型预测控制57
4.5.1电流预测误差与模型参数间的关系57
4.5.2鲁棒双矢量模型预测电流控制方法62
4.5.3实验结果67
4.6本章小结70
参考文献70
第5章模型预测电压控制72
5.1基于电流无差拍的模型预测电压控制与电流控制的关系72
5.2基于转矩磁链无差拍的模型预测电压控制(基于参考电压追踪的单
矢量MPTC)74
5.2.1转矩磁链无差拍的基本原理74
5.2.2基于转矩磁链无差拍的模型预测电压控制76
5.2.3实验结果78
5.3基于转矩磁链无差拍的模型预测电压控制(基于参考电压追踪的双
矢量MPTC)81
5.3.1双矢量MPTC基本原理82
5.3.2基于参考电压追踪误差的双矢量MPTC方法84
5.3.3和实验结果87
5.4本章小结94
参考文献95
第6章直接速度模型预测控制96
6.1常规模型预测直接速度控制96
6.1.1基本原理97
6.1.2实际应用的问题97
6.2基于电压选择的无权重模型预测直接速度控制98
6.2.1基本原理98
6.2.2基于电压限制圆的模型预测直接速度控制电流限制方法106
6.2.3实验结果109
6.3基于全参数及负载观测器的鲁棒模型预测直接速度控制116
6.3.1模型预测直接速度控制的基本原理及参数敏感性分析116
6.3.2全参数及负载转矩观测器120
6.3.3实验结果125
6.4本章小结129
参考文献129
第7章基于死区电压矢量的模型预测控制131
7.1死区的影响131
7.1.1死区对逆变器输出电压的影响131
7.1.2死区电压矢量及其对模型预测控制的影响132
7.2基于死区电压矢量的模型预测电流控制方法136
7.2.1优电压矢量选择136
7.2.2死区电压矢量判别137
7.2.3死区持续时间的计算138
7.2.4实验结果140
7.3基于死区电压矢量的双矢量模型预测控制142
7.3.1传统双矢量模型预测控制143
7.3.2死区效应分析和死区电压矢量判断143
7.3.3基于死区电压矢量的双矢量模型预测控制148
7.3.4实验结果156
7.4本章小结160
参考文献161
第8章两级和多级串联模型预测控制162
8.1概述162
8.2两级串联模型预测控制163
8.2.1级预测和评估163
8.2.2第二级预测和评估164
8.3多级串联模型预测控制167
8.3.1每级候选电压矢量的确定168
8.3.2第m级的预测与评估169
8.4实验结果170
8.5两级串联模型预测转矩控制176
8.5.1数学模型177
8.5.2模型预测双转矩控制177
8.5.3两级串联模型预测转矩控制180
8.5.4实验结果184
8.6本章小结190
参考文献190译者序
原书序言
关于作者
第1章磁路和磁耦合电路1
1.1引言1
1.2相量分析1
1.3磁路7
1.4磁材料的属性12
1.5静态磁耦合电路16
1.6静态磁耦合电路的开路和短路特性23
1.含机械运动的磁系统27
1.8小结33
1.9参考文献34
1.104
第2章机电能量转换37
2.1引言37
2.2能量守恒关系37
2.3耦合场中的能量42
2.4能量转换图解48
2.5电磁力与静电力50
2.6基本电磁铁的工作特性55
2.7单相磁阻电机60
2.8相对运动中的绕组65
2.9小结67
2.108
第3章直流电机72
3.1引言72
3.2基本直流电机72
3.3电压和转矩方程80
3.4永磁直流电机82
3.5永磁直流电机的动态特性85
3.6恒转矩率运行的介绍87
3.7永磁直流电机的时域框图和状态方程94
3.8电压控制简介97
3.9小结104
3.10参考文献104
3.1104
第4章绕组和旋转磁动势106
4.1引言106
4.2绕组106
4.3正弦分布绕组的气隙磁动势108
4.4两极电机的旋转气隙磁动势114
4.5P极电机119
4.6几种机电传动装置简介124
4.7小结130
4.831
第5章参考坐标系理论简介134
5.1引言134
5.2背景135
5.3变换方程和变量转换136
5.4静止电路变量到任意速参考坐标系的变换138
5.衡组合和稳衡运行的变量转换142
5.6几种参考坐标系下的变量观察146
5.相系统的变换方程150
5.8小结152
5.9参考文献153
5.1053
第6章对称感应电机155
6.1引言155
6.2两相感应电机155
6.3电压方程与绕组电感160
6.4转矩165
6.5任意参考坐标系下的电压方程166
6.6
第pan>章概述
1.pan>研究背景及意义
2pan>世纪工业发展的新阶段，为了适应世界工业新的发展趋势，我国部署了全面制造强国的战略计划——《中国制造2025》，这是我国工业发展转型为制造强国的个十年行动纲领[1-3]。因此，为了实现工业制造与现代科技的深度融合发展，使工业发展更具创新性、互联化和智能化，高端设备制造领域将成为工业发展新阶段的之一。而电机作为将电能转换为机械能的载体，被广泛应用于制造业中，在机电能量转换中发挥着至关重要的作用[4]。
若对电行宏观分类，根据供电电源种类的不同可分类为交流电机和直流电机[5，6]。在20世纪中期，直流电机由于其简单的调速方式被广泛应用于各类工业领域，然而由于含换向器和电刷，使得直流电机维护难度较高，可靠性差，这成为制约直流电机发展的主要因素[7]。相对比而言，交流电机在20世纪80年始被学者们逐渐重视。与直流电机相比，交流电机不需要换向器和电刷等复杂结构，并且制造简单、价格低廉，系统具有更强的可靠性，随之得到了快速发展并在现代工业领域中应用得越来越广泛。
随着高性能汝铁硼等永磁材料的发展，以永磁体作为转子的永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）问世并在20世纪末期得到了长足发展[8]。对比而言，永磁同步电机不需要换向器和电刷，并且利用永磁体代替了交流电机中的转子励磁绕组，具有可靠性高、结构简单、体积小、调速范围率密度大、效率高等诸多优点[9-11]。因此，与永磁同步电机本体一样，其驱动控制方法也受到了国内外广大学者的高度关注。此外，电力电子技术的迅速发展更是了永磁同步电机控制系统的普及，使得永磁同步电机能够被广泛地应用于、车床、交通运输等各个领域[12]。
我国稀土永磁材料资源储量丰富，作为永磁同步电机制造的关键材料，在高性能永磁同步电机的研发与应用方面具有得天独厚的条件。然而，在高性能应用领域，国内电机控制技术的发展相对于国外仍然存在一定的差距，因此有必要深入研究PMSM的高性能电机控制技术，提升我国在高性能电机控制领域的技术以及核心竞争力。
1.2永磁同步电机控制技术概述
电力电子技术与电机控制技术互相使二者都得到了长足的发展，作为该领域的研究热点，多种适用于永磁同步电机的控制方式已经被广泛应用到工业领域，例如矢量控制(也称为磁场定向控制）（Field Oriented Control,FOC)[13]和直接转矩控制（Direct Torque Control,DTC)[14]。
在19世纪70年代，FOC被提出并用于交流电机调速控制，该控制方式参照直流电机的控制模式，将定子电流分解到直轴和交轴上，对行解耦，等效于直流电机中的励磁电流和电枢电流；然后对交直轴上的电流分行控制而达到控制电机磁通和转矩的效果，实现磁场定向控制[15]。FOC一般分别对交直轴上的电流和电机转行控制，构成双闭环的控制结构，控制度高，稳态性能好，但动态响应稍慢。随后FOC被引入到PMSM的调速控制中，对PMSM控制技术的发展具有重要的意义，目前已经成为工业领域应用广泛的控制技术之一[16]。
在FOC被提出的十几年后，DTC这一项新的电机控制技术出现在研究者的视野中[17]。不同于FOC，DTC通过磁链与转矩之间的关系，采用滞环比较器直接对电机转行控制。因为DTC不涉及坐标变换和动态解耦的过程，结构和算法更为简单，并且能够获得良好的动态性能，但控制过程中转矩脉动较大，稳态性能不如FOC[18,19]。
由于PMSM控制系统是一个强耦合的非线性系统，以上方法并不能满足一些高性能特殊场合的控制要求。因此在FOC和DTC的基础上，一些控制策略被提出并应用于高性能PMSM驱动系统，例如滑模控制、自抗扰控制、自适应控制、模糊控制、模型预测控制（Model Predictive Control,MPC）等。
1.3模型预测控制研究现状
模型预测控制（MPC）技术是一种针对优控制理论应用问题提出的控制技术，其主要特点是使用系统模型来预测控制变量未来的变化，根据预先设定的优准则选择优的操作。因此，通过设定合适的优准则，MPC可以灵活控制多个重要参数（如电机转矩脉动、开关频率损耗、大输出电流等），实现多目标优化控制。相比于传统电机控制方法，MPC概念直观且易于理解，可针对具领域和控制目标修改方案。
交流电机MPC的核心思想是根据逆变器和电机的离散模型，以及电机当前时刻的状态，预测性地计算出电机未来时刻的状态而通过预先设计的评价指……
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