直线感应电机及系统

前言
Preface
因结构简单、电磁力直接驱动（无中间传动装置）、加减速度快、噪声低等优点，直线感应电机系统已在轨道交通、伺服系统、电磁弹射器、电磁感应泵等领域得到了广泛的应用。然而，由于端部效应影响，迄今直线感应电机系统存在推力、效率和可靠性偏低等问题，主要面临三方面技术瓶颈：等效模型不精确，电机特性分析、优化设计及高性能控制难度大；控制策略不高效，复杂工况下电机的工作效率及运行可靠性偏低；系统优化不深入，系统的功率因数和效率等性能指标难以同时达到。
在国家自然科学基金、国家海外高层次青年人才项目、徐工研究院重大项目等支持下，作者从“电机本体—控制策略—系统级优化”三方面开展技术攻关，形成了本书较为完整的体系，具有一定理论意义与工程应用价值。
本书第1章从直线感应电机的应用背景出发，综述了电机本体、控制策略和系统级优化方面的研究现状，分析了当前技术条件下存在的挑战与亟待解决的问题，并介绍了本书的主要内容。第2章从直线感应电机气隙磁通密度方程入手，推导出电机绕组函数电路模型，分析了电机中存在的主要空间谐波和时间谐波成分及其作用规律，并建立了时间谐波激励下的直线感应电机等效模型。第3章叙述了三种全面且实用的直线感应电机损耗模型，可较为准确地衡量初级漏感、纵向边端效应、横向边缘效应等因素的影响，还分别考虑了电机和逆变器时间谐波损耗等。第4章将模型预测电流控制与矢量控制相结合，对边端效应和计算延迟进行补偿，简化了算法复杂度，提高了电流跟踪性能。第5章采用双矢量调制策略来提升电压矢量的调制精度，首先求解获得参考电压矢量，快速选出电压矢量组合，有效避免了重复的枚举计算；然后实现了额定速度以下的推力电流比控制和额定速度以上的弱磁控制。第6章提出扩展全阶状态观测器速度估计方法和扰动估计补偿速度控制方法，实现了速度跟踪性能和负载扰动性能的全解耦二自由度控制。第7章对电机参数机理进行了详细分析，先后研究了直线感应电机的低复杂度高精度在线参数辨识方法、低开关频率下模型预测控制参数辨识方案和无速度传感器下励磁电感并行辨识方案。第8章研究了直线感应电机的系统级优化方法，从电机本体和控制策略等层面对直线感应电机系统进行同时优化。第9章对本书的内容进行了详细总结，并对直线感应电机系统的未来发展趋势进行了展望。
本书的书稿整理和校对工作得到了作者的博士生唐一融、董定昊、肖新宇、上官用道、郭颖聪、成思伟、葛健、胡冬、佃仁俊、邹剑桥、Mahmoud F.Elmorshedy、Mosaad M.Ali、Samir A.Hamad等的大力支持，在此一并致谢。同时，衷心感谢我的博士生导师李耀华研究员和孙广生研究员、博士后导师Jianguo Zhu教授和Xinghuo Yu教授，是他们的指导和引领，让我有幸进入直线电机领域，十八年如一日的坚守，致大尽微，博览众长。其次，真心感谢华中科技大学黄声华教授、刘毅、彭红林、杨春全等对团队平台的建设及对我的支持，喻家山下十年的坚持，厚积薄发，担当致远。再次，非常感谢爱人和孩子的长情陪伴，感谢父母的常年挂念。后，十分感谢国家自然科学基金面上项目（No.52277050和No.51377065）和国家海外高层次青年人才项目等的大力支持。
本书可供电气工程、控制工程、机械工程等相关行业科研技术人员，以及高等院校电机、电气传动、电力电子等专业的教师和学生参考。因作者学识和时间有限，且直线感应电机系统仍在不断发展之中，书中难免存在诸多问题或不当之处，敬请广大同仁和读者不吝批评指正。
徐伟谨识
2022年10月于华中大

本书从“电机本体—控制策略—系统级优化”三个维度，开展了全面深入的研究和探索，成功构建了一套适用于直线感应电机系统的理论分析体系。
针对直线感应电机“模型精度偏低、控制效果欠佳、系统优化困难”等相关技术瓶颈及难题，本书在直线感应电机的时间谐波等效电路、电机系统损耗模型、电机系统小损耗控制、多参数并行辨识策略、系统级多层次优化等方面开展了大量研究，取得了系列原创性成果，相关工作具有十分重要的理论分析及工程实践意义。
本书可供电气工程、控制工程、机械工程等相关行业科研技术人员，以及高等院校电机、电气传动、电力电子等专业的教师和学生参考。

徐伟，华中科技大学教授，博士生导师。入选IET Fellow、IEEE高级会员、高层次青年人才、湖北省百人计划特聘专家、湖北省百名专利发明领军人才。研究方向为电机设计、控制及系统集成应用，在直线感应电机系统稳动态等效模型、多参数辨识、效率和推力提升、系统级优化等方向获得系列原创。研究团队为“华中科技大学能量转换系统研究组”（http://machinececs.seee.hust.edu.cn/），和中车、徐工、兰州电机、东风汽车等多家重点行业权威企业开展深入合作。
担任IEEE IES 武汉分部主席、2021年国际直线电机大会（LDIA）主席、2023年国际模型预测大会（PRECEDE）主席、IEEE TIE等期刊（副）编辑、国际直线电机大会指导委员（ISC Member）。主持国家重点研发计划（金砖国合）、国家自然科学基金、湖北省重大项目和湖北省科技支撑、四川省重大研发、淄博市创新发展重点、佛山市科技创新团队、深圳国合重点项目、徐工重大项目等。带领团队研发多个电机系统样机及产品，通过权威部门科学技术评价5次，在城轨交通、电动汽车、钢铁冶炼、石油开采等行业得到应用。
发表高水平期刊论文190余篇（IEEE汇刊论文150余篇，其中热点论文1篇，高被引论文2篇），出版中英文著作8部（以作者身份，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）。以发明人身份，获授权美国发明专利4项，授权中国发明专利71项（10余项得到应用及许可转化）、省部级奖4次、国家发改委节能产品目录1次、国际学术研究Fellowship 3次、国际期刊或会议论文奖16次。相关成果Google Scholar引用率8000余次（H指数44），（2020~2023）连续3年入选Stanford大学“世界2%科学家榜单”。

目录
Contents
序言
前言
第1章概述/
1.1研究背景及意义/
1.2直线感应电机等效分析模型研究概述/
1.2.1路的方法/
1.2.2场的方法/
1.2.3场路结合法/
1.2.4等效模型研究难点/
1.3直线感应电机控制方法研究概述/
1.3.1传统控制策略/
1.3.2小损耗控制/
1.3.3模型预测控制/
1.3.4无速度传感器控制/
1.3.5参数辨识及牵引性能提升/
1.4直线感应电机多目标优化研究概述/
1.4.1优化建模/
1.4.2降维求解/
1.5本书主要研究内容/
第2章直线感应电机等效电路/
2.1引言/
2.2绕组函数理论及分析/
2.2.1电机结构/
2.2.2绕组函数/
2.3绕组函数等效电路/
2.3.1电感计算/
2.3.2速度电压校正系数/
2.3.3电压和磁链方程/
2.3.4特性变量/
2.3.5等效电路推导/
2.4谐波成分及分析/
2.4.1空间谐波/
2.4.2时间谐波/
2.4.3总谐波/
2.5时间谐波等效电路/
2.5.1修正系数/
2.5.2等效电路/
2.6小结/
第3章直线感应电机小损耗建模分析/
3.1引言/
3.2电机损耗模型/
3.2.1数学模型/
3.2.2损耗模型/
3.3直线感应电机系统损耗模型/
3.3.1考虑逆变器的电机损耗模型/
3.3.2考虑时间谐波的电机损耗模型/
3.4直线感应电机小损耗控制/
3.4.1控制算法/
3.4.2仿真结果/
3.4.3实验结果/
3.5直线感应电机系统小损耗控制/
3.5.1考虑逆变器损耗的小损耗控制/
3.5.2考虑时间谐波影响的小损耗控制/
3.5.3仿真结果/
3.5.4实验结果/
3.6小结/
第4章直线感应电机模型预测电流控制/
4.1引言/
4.2传统模型预测电流控制/
4.2.1电流预测模型/
4.2.2传统单矢量模型预测电流控制/
4.3基于不同调制策略的模型预测电流控制/
4.3.1单矢量模型预测电流控制/
4.3.2双矢量模型预测电流控制/
4.3.3三矢量模型预测电流控制/
4.3.4实验结果/
4.4多步长连续集模型预测电流控制/
4.4.1多步长连续集模型预测控制算法/
4.4.2含约束条件的简化求解/
4.4.3实验结果/
4.5多步长有限集模型预测电流控制/
4.5.1预测步长为2的情况/
4.5.2预测步长为N的一般情况/
4.5.3实验结果/
4.6小结/
第5章直线感应电机模型预测推力控制/
5.1引言/
5.2传统模型预测推力控制/
5.3无权重系数模型预测推力控制/
5.3.1初级磁链约束法/
5.3.2统一量纲法/
5.3.3实验结果/
5.4任意双矢量模型预测推力控制/
5.4.1电压矢量组合简化搜索方法/
5.4.2含电流约束条件的简化求解方法/
5.4.3实验结果/
5.5基于参考初级磁链矢量的模型预测推力控制/
5.5.1基于MTPA的模型预测推力控制/
5.5.2参考初级磁链矢量推导/
5.5.3实验结果/
5.6小结/
第6章直线感应电机无速度传感器控制/
6.1引言/
6.2基于全阶观测器的速度估计方法/
6.2.1全阶状态观测器/
6.2.2全阶自适应速度观测器/
6.3基于扩展全阶状态观测器的速度估计方法/
6.3.1扩展状态观测器/
6.3.2扩展全阶自适应速度观测器/
6.4全解耦二自由度无速度传感器控制/
6.4.1速度控制器与观测器对动态性能的影响/
6.4.2全解耦二自由度控制器设计/
6.4.3仿真及实验结果/
6.5无速度传感器控制稳定性研究/
6.5.1稳定性与阻尼特性分析/
6.5.2自适应参数设计/
6.5.3仿真及实验结果/
6.6小结/
第7章直线感应电机参数辨识/
7.1引言/
7.2电机参数机理分析/
7.2.1参数变化机制分析/
7.2.2控制系统参数需求分析/
7.3低复杂度在线参数辨识/
7.3.1单参数在线辨识/
7.3.2双参数在线辨识/
7.3.3仿真及实验结果/
7.4低开关频率下在线参数辨识/
7.4.1低开关频率下辨识特性对比/
7.4.2参数敏感性与谐波抑制策略/
7.4.3仿真及实验结果/
7.5带参数辨识补偿的无速度传感器控制/
7.5.1全阶观测器参数敏感性分析/
7.5.2励磁电感与速度并行辨识/
7.5.3仿真及实验结果/
7.6小结/
第8章直线感应电机多目标优化/
8.1引言/
8.2参数敏感性分析/
8.3直线感应电机多层次优化模型/
8.3.1正交实验表/
8.3.2相关性分析/
8.3.3优化模型/
8.4多层次优化/
8.4.1直线感应电机优化模型及结果/
8.4.2优化方案验证/
8.5直线感应电机系统级优化/
8.5.1优化模型/
8.5.2仿真及实验结果/
8.6小结/
第9章总结与展望/
9.1全书总结/
9.2展望/
参考文献/
附录/
附录A/
附录B/
附录C/

本书从“电机本体—控制策略—系统级优化”三个维度，开展了全面深入的研究和探索，成功构建了一套适用于直线感应电机系统的理论分析体系。
针对直线感应电机“模型精度偏低、控制效果欠佳、系统优化困难”等相关技术瓶颈及难题，本书在直线感应电机的时间谐波等效电路、电机系统损耗模型、电机系统小损耗控制、多参数并行辨识策略、系统级多层次优化等方面开展了大量研究，取得了系列原创性成果，相关工作具有十分重要的理论分析及工程实践意义。
本书可供电气工程、控制工程、机械工程等相关行业科研技术人员，以及高等院校电机、电气传动、电力电子等专业的教师和学生参考。

徐伟，华中科技大学教授，博士生导师。入选IET Fellow、IEEE高级会员、高层次青年人才、湖北省百人计划特聘专家、湖北省百名专利发明领军人才。研究方向为电机设计、控制及系统集成应用，在直线感应电机系统稳动态等效模型、多参数辨识、效率和推力提升、系统级优化等方向获得系列原创。研究团队为“华中科技大学能量转换系统研究组”（http://machinececs.seee.hust.edu.cn/），和中车、徐工、兰州电机、东风汽车等多家重点行业权威企业开展深入合作。
担任IEEE IES 武汉分部主席、2021年国际直线电机大会（LDIA）主席、2023年国际模型预测大会（PRECEDE）主席、IEEE TIE等期刊（副）编辑、国际直线电机大会指导委员（ISC Member）。主持国家重点研发计划（金砖国合）、国家自然科学基金、湖北省重大项目和湖北省科技支撑、四川省重大研发、淄博市创新发展重点、佛山市科技创新团队、深圳国合重点项目、徐工重大项目等。带领团队研发多个电机系统样机及产品，通过权威部门科学技术评价5次，在城轨交通、电动汽车、钢铁冶炼、石油开采等行业得到应用。
发表高水平期刊论文190余篇（IEEE汇刊论文150余篇，其中热点论文1篇，高被引论文2篇），出版中英文著作8部（以作者身份，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）。以发明人身份，获授权美国发明专利4项，授权中国发明专利71项（10余项得到应用及许可转化）、省部级奖4次、国家发改委节能产品目录1次、国际学术研究Fellowship 3次、国际期刊或会议论文奖16次。相关成果Google Scholar引用率8000余次（H指数44），（2020~2023）连续3年入选Stanford大学“世界2%科学家榜单”。