譯文：永磁同步電機(jī)和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)R.克里希南美國(guó) 弗吉尼亞理工大學(xué) 電氣和計(jì)算機(jī)工程系序言：永磁交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上的圖書主要集中在機(jī)械的設(shè)計(jì)，并僅按一個(gè)基本的方式敘述了這些驅(qū)動(dòng)器的控制和轉(zhuǎn)換。在過去二十年來，研究和開發(fā)的控制策略及其隨后的應(yīng)用，已被雜志刊物報(bào)導(dǎo)，并在學(xué)術(shù)會(huì)議上提出?；谶@些出版物和會(huì)議的知識(shí)尚未被系統(tǒng)地寫成書刊傳播到工業(yè)和學(xué)術(shù)界。隨著與這些驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)的電力電子技術(shù)被關(guān)注，三相橋逆變器已被用作標(biāo)準(zhǔn)使用很長(zhǎng)一段時(shí)間。隨著時(shí)間的推移，對(duì)它的理解和控制有顯著的變化。成本最小化，已成為新興的大批量應(yīng)用的主要焦點(diǎn)，因此有必要考察子系統(tǒng)成本。雖然控制器的成本已經(jīng)根據(jù)它們的應(yīng)用變得標(biāo)準(zhǔn)化，成本最小化的明顯目標(biāo)是轉(zhuǎn)換器和電機(jī)。近來，新的電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也正在考慮低成本的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本書專門為永磁交流機(jī)器并側(cè)重于控制和低成本的轉(zhuǎn)換器拓?fù)浼皶r(shí)地補(bǔ)充了這方面知識(shí)。牢記這一點(diǎn)，這本書涉及的內(nèi)容已發(fā)展了好幾年。本書的一些章節(jié)，在弗吉尼亞理工大學(xué)被廣泛用于博士生水平教學(xué)，以及丹麥的奧爾堡大學(xué)，美國(guó)和其它國(guó)家的企業(yè)進(jìn)行試點(diǎn)教學(xué)。這本書分為三個(gè)部分。第一部分涵蓋的電機(jī)、電源設(shè)備、逆變器及其控制（第1和第2章）的基礎(chǔ)。第二和第三部份分別專門討論永磁同步（第3至第8章）和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器（第9至第14章）。要了解永磁交流驅(qū)動(dòng)器必須由電機(jī)的基礎(chǔ)開始。第1章從基本介紹了同步電機(jī)的特點(diǎn)和它們的工作點(diǎn)、電機(jī)轉(zhuǎn)子配置、同步電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)之間的差異、繞組以及分布在齒和槽的磁通密度、有關(guān)于電機(jī)尺寸、磁鐵和定子勵(lì)磁、扭矩和輸出功率、寄生電感的表達(dá)式。此外，還包括了表征電機(jī)的鐵心損耗，它們的計(jì)算和測(cè)量，和建模和控制策略的方案。本書更側(cè)重于正弦波電機(jī)而不是梯形波電機(jī)，因?yàn)榍罢吲c其它交流電機(jī)無(wú)論是在運(yùn)作上還是操作和控制的法則上與其它交流電機(jī)密切相關(guān)。若只考慮變量的基本組成部分，正弦波和梯形波永磁電機(jī)的行為是一致的。盡管它們之間有一些重大的差異，適用的原則是顯而易見的。各種永磁鐵置于轉(zhuǎn)子上的電機(jī)或者置于定子上的特種電機(jī)，盡呈現(xiàn)于此，使讀者們能夠熟悉老的和新電機(jī)。第2章包含了功率器件的開關(guān)特性和開關(guān)損耗、整流器、逆變器的簡(jiǎn)要說明。逆變器部分介紹了各種換流方案、它們的優(yōu)缺點(diǎn)、它們的建模、還包括永磁交流電機(jī)的四象限運(yùn)行和適用性，還有描述和操作永磁交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的常用術(shù)語(yǔ)。以轉(zhuǎn)子為參考系，采用dqo軸，使用空間相量變量系統(tǒng)的永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)建模，將在第3章中給出。本章的方法是直觀的，并假定讀者熟悉基本電路理論和簡(jiǎn)單的三角關(guān)系的軸投影?；贛ATLAB?的仿真結(jié)果說明了各項(xiàng)建模的正確。這個(gè)動(dòng)態(tài)模型需要在隨后的不斷地補(bǔ)充擴(kuò)展。永磁同步電機(jī)控制的基礎(chǔ)是向量控制，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通分離。額外的性能要求，如恒轉(zhuǎn)矩角，功率因子，磁通常量的聯(lián)系，單位電流的最大扭矩，電流和磁通量相量的固定角，功耗常量，最大效率迭加向量控制器和針對(duì)同步機(jī)的各種控制策略出現(xiàn)。所有這些控制策略的永磁同步機(jī)和其某些方面實(shí)施的在第4章進(jìn)行了闡述。弱磁對(duì)擴(kuò)大永磁同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍是至關(guān)重要的。第5章中提供了實(shí)現(xiàn)弱磁各種控制策略，得以實(shí)現(xiàn)。更重要地，六步變頻器運(yùn)行在弱磁模式正在研究中，與其它方法的有模型和無(wú)模型弱磁控制器相競(jìng)爭(zhēng)。內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)在弱磁以及恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域的表現(xiàn)，它們之間的差異得到機(jī)械參數(shù)歸一化，并進(jìn)行了討論。驅(qū)動(dòng)器必然有轉(zhuǎn)矩控制的內(nèi)電流控制回路，而電流控制器也是他們?cè)趯?shí)踐中的設(shè)計(jì)過程必要的。這樣的過程是來自于框圖簡(jiǎn)化方法得到的傳遞函數(shù)。這個(gè)方法確立了區(qū)分了勵(lì)磁的直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)之間的相似點(diǎn)和不同點(diǎn)，從而增加了讀者的理解。速度控制的實(shí)現(xiàn)依賴外部速度反饋回路。速度控制器的設(shè)計(jì)采用的是最佳對(duì)稱方法分析得出。第6章中的一個(gè)例子說明了設(shè)計(jì)過程。幾乎所有的控制策略，取決于其運(yùn)行的機(jī)器參數(shù)。由于定子電阻和轉(zhuǎn)子磁鏈對(duì)溫度和q軸電感飽和的敏感性，驅(qū)動(dòng)器性能的結(jié)果和方法，第7章研究如何克服在系統(tǒng)中在永磁同步電機(jī)的影響。位置信息對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的成功是至關(guān)重要的。位置傳感器的方法是從成本和可靠性的角度來看非常有吸引力。第8章講述無(wú)位置傳感器控制的幾種方法。第9至14章對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)作了研究。第9章詳細(xì)闡述了這類電機(jī)的建模和仿真。這一章也加入了中普遍使用的控制方案。第10章解決了換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及其計(jì)算的重要問題。弱磁研究作為一個(gè)輔助的方法，介紹了用傅立葉級(jí)數(shù)研究扭矩。半波逆變器拓?fù)涞某霈F(xiàn)，主要是迎合大批量應(yīng)用的低成本和高性能的要求。第11章研究四個(gè)這樣的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。使用非常類似的方法，為永磁同步電動(dòng)機(jī)電流和轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計(jì)出現(xiàn)于第12章的細(xì)節(jié)中。第13章中討論了電流和無(wú)位置傳感器永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)操作的各種方法。各類中課題這些電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平滑，參數(shù)敏感性在第14章中所述。這本書為本科學(xué)歷的工程師而著，特別是電氣工程師。本書的內(nèi)容還能以電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的高級(jí)課程作為某一個(gè)學(xué)期教材，如在弗吉尼亞理工大學(xué)的電子與通信工程系。這里已試圖制定一個(gè)一致分析與設(shè)計(jì)處理各種問題的第一原則的方法。而實(shí)現(xiàn)建模和分析中的流動(dòng)方式是無(wú)可避免的，像這樣的書，它的目的是為了那些每天在他們的設(shè)計(jì)和開發(fā)的工作中面臨挑戰(zhàn)的工程師們。只要適當(dāng)，程序代碼的開發(fā)，給出了模擬驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。MATLAB?是MathWorks公司的注冊(cè)商標(biāo)，公司的產(chǎn)品信息，請(qǐng)聯(lián)系：MathWorks公司蘋果連山道3美國(guó)Natick市，MA01760-2098電話：5086477000傳真：508-647-7001電子郵件：info@網(wǎng)站：我以自己的解釋都慷慨地附上發(fā)表論文的材料，尤其是GRSlemon博士和他以前的學(xué)生，最值得留意的是T.塞巴斯蒂安博士和劉博士。對(duì)教授J.霍爾茨和他伙伴的逆變器，電流控制，轉(zhuǎn)子位置傳感器控制的工作表示感謝。我的博士生過去和現(xiàn)在的大量的研究成果都納入在文本中。我承認(rèn)使用由下列材料：P.Pillay教授、G.H.Rim博士、P.Vijayraghavan博士、R.Monajemy博士、ByeongSeokLee，NimalLobo，JaeHyuckKim博士，特別是，P.Vijayraghavan,NimalLobo和BenRudolph博士的幫助與建議，對(duì)本書的編輯上的幫助，本書中難免有誤，書成后，其研究成果，而屬于所有在這一領(lǐng)域的研究人員和從業(yè)人員。我很感謝NoraKonopka，MarshaPronin和弗朗西絲周的出版社和來自SPi,ManjuChinnappan和AnithajohnyMariasusai的承包商，感謝他們的幫助、建議和這本書的編寫過程中的耐心。維賈雅，我的妻子，一直以最歡快的心情支持本書的寫作。而她，是我最愛。R.克里希南布萊克斯堡,弗吉尼亞 第二章逆變器及其控制的介紹使得永磁電機(jī)被廣泛使用的子系統(tǒng)，是標(biāo)準(zhǔn)的電力電子變流器模塊。電機(jī)要能變速，定子電流頻率可變是必需的，并通過逆變器實(shí)現(xiàn)。逆變器的輸入是直流電壓，在大多數(shù)情況下，從交流電源通過整流二極管橋獲得。交流電源的輸入是使用范圍從零點(diǎn)幾馬力至1馬力，或超過1馬力的單相電源，三相交流電源是首選。三相電機(jī)和三相逆變器在應(yīng)用中占主導(dǎo)地位。從實(shí)用電源和功率因子的要求繪制正弦交流電的線電流站到了大型電機(jī)的前列。為了滿足這些需求，AC到DC的前后端轉(zhuǎn)換器正由二極管橋式整流改變?yōu)榭煽貥蜃儞Q器，這些都將在本章介紹。其它前端轉(zhuǎn)換器，在過去四十年里，專門針對(duì)永磁電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器在電力電子這個(gè)子系統(tǒng)幾乎沒有發(fā)生任何變化。本章介紹了器件，它們的開關(guān)動(dòng)作，門電路，保護(hù)電路，交流到直流以及直流到交流電源轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)，和它們的控制。特別是重點(diǎn)放在死區(qū)時(shí)間的控制效果，也就是介紹在逆變器電壓和電流波形及其補(bǔ)償?shù)纳蠘虮酆拖聵虮壑g的開關(guān)器件的啟動(dòng)。在低轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，包括在零轉(zhuǎn)速運(yùn)行，逆變器出現(xiàn)非線性由于死區(qū)以及其它方面，如設(shè)備電壓下降影響的電能質(zhì)量，特別是在無(wú)位置傳感器的控制系統(tǒng)。有鑒于此，逆變器死區(qū)補(bǔ)償和器件電壓下降獲得的線性特性，在此詳細(xì)介紹。這種逆變器電壓和電流的控制的做法，流行的方案之一：脈沖寬度調(diào)制（PWM），滯環(huán)控制，空間向量調(diào)制。這些計(jì)劃的詳細(xì)基本面。PWM控制需要對(duì)控制信號(hào)采樣。闡明兩個(gè)采樣方案，并在實(shí)踐中鑒定。逆變器控制的最重要方面是空間向量調(diào)制。據(jù)詳細(xì)描述使工程師能夠制定一個(gè)實(shí)施方案，以適應(yīng)各種應(yīng)用的迫切需要。結(jié)合脈沖寬度和空間向量調(diào)制的混合方案，本章給出了實(shí)施控制變頻器損耗帶來了極大的靈活性。逆變器控制模型在傳遞函數(shù)和控制器的設(shè)計(jì)中得到發(fā)展。諧振，多層次，矩陣變換器本章沒有涉及，因?yàn)樗鼈冊(cè)谟来磐诫姍C(jī)和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中并不流行。2.1電源設(shè)備2.1.1電力裝置和開關(guān)自半功率導(dǎo)體開關(guān)問世以來，電壓、電流、功率和頻率的控制已變得成本低效益高[1-5]。在控制電路里使用了集成電路、微處理器、VLSI電路，控制精度已得到提升。下面介紹一些主流的功率器件，如二極管，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管（MOSFET），絕緣柵雙極晶體管（IGBT），和它們的符號(hào)和功能。這些器件常在永磁同步電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)中。超出本章的范圍以外的器件的物理性質(zhì)及其運(yùn)作細(xì)節(jié)有興趣的讀者可查閱其它來源。功率二極管這是一個(gè)有兩個(gè)端子PN結(jié)。其陽(yáng)極電位高于陰極電位時(shí)其通態(tài)壓降，稱為正偏壓，器件的開啟和電流流通。器件通態(tài)壓降通常是0.7V，當(dāng)器件被反向偏置，即陽(yáng)極電位小于陰極，器件關(guān)閉和成阻斷模式。通過二極管的電流變?yōu)榱?，然后反向關(guān)斷[5]模式，如在圖2.1所示。反向電流的發(fā)生是因?yàn)榉聪蚱珘簩?dǎo)致在器件存在反向恢復(fù)電荷。器件恢復(fù)達(dá)到其反向電壓阻斷能力所用最短的時(shí)間是Trr和反向電流的面積是二極管的反向恢復(fù)中的電荷Qrr。超過其上的通態(tài)壓降二極管便失去正向電壓阻斷能力。關(guān)閉導(dǎo)導(dǎo)通中的二極管唯一途徑是通過反向偏置，即在其陽(yáng)極和陰極間加反向電壓。請(qǐng)注意，二極管像其它器件一樣，低電平信號(hào)是不可控的。二極管的反向恢復(fù)時(shí)間從數(shù)微秒到數(shù)十微秒，因而被認(rèn)為是慢開關(guān)器件。然而實(shí)際應(yīng)用時(shí)，二極管開關(guān)時(shí)間：開啟和關(guān)閉時(shí)間的總和，相對(duì)于應(yīng)用中的傳輸時(shí)間是微不足道的。因此，這些二極管應(yīng)用于交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源整流器中。這樣的二極管被稱為功率二極管。功率二極管規(guī)格可達(dá)數(shù)千安培和數(shù)千伏特，而開關(guān)頻率通常受到使用頻率的限制。圖2.1對(duì)于快速開關(guān)應(yīng)用，快恢復(fù)二極管反向恢復(fù)時(shí)間在幾百安培幾百伏特時(shí)只有幾十納秒數(shù)，但卻有較高的通態(tài)壓降2-3V。它們通常用于電壓高于60-100伏的快速開關(guān)整流和逆變器中。小于60-100伏特的低壓開關(guān)應(yīng)用情況下，使用肖特基二極管。它們對(duì)僅有0.3V的通態(tài)壓降，從而在電源轉(zhuǎn)換中比快恢復(fù)二極管和功率二極管具有更高的效率。功率場(chǎng)效應(yīng)管該器件是一類只需要低電壓打開和關(guān)閉的場(chǎng)控型晶體管，并能達(dá)到高達(dá)30千赫到1兆赫的范圍開關(guān)頻率[5]。該器件開關(guān)功率可達(dá)100A、100-200V時(shí)，10A、1000V，該器件在導(dǎo)通時(shí)的特點(diǎn)是像電阻，因此可以作為電流變換的電阻使用，從而省略了一個(gè)單獨(dú)的電流傳感器件，如霍爾效應(yīng)電流傳感器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以節(jié)約成本使電子封裝上更緊湊。器件總是反向并聯(lián)體二極管有時(shí)被稱為寄生二極管，并具有較高的電壓降。由于體二極管存在，這樣的器件沒有反向電壓阻斷能力。一個(gè)N溝道MOSFET符號(hào)和其特點(diǎn)，漏電流iD，與漏源電壓VDS對(duì)應(yīng)不同的柵源電壓VGS，如圖2.2所示。柵源電壓上限值通常是20V，為了抵抗噪聲干擾，向柵源極反向偏壓，如?5伏是可取的。這確保噪聲電壓必須克服這個(gè)負(fù)偏差的屏障，才能夠開啟開關(guān)。低成本驅(qū)動(dòng)器沒有給器件提供柵極反偏置的一個(gè)額外的負(fù)邏輯電源。許多工業(yè)級(jí)裝置需要這種保護(hù)。圖2.2示意圖（一）N溝道MOSFET和（二）特點(diǎn)。閘門信號(hào)產(chǎn)生參考的是源極。門信號(hào)由一個(gè)微型或數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)生，在一般情況下，處理器并無(wú)足以產(chǎn)生所需的電壓等級(jí)和電流強(qiáng)度去推動(dòng)門的能力。因此，處理器輸出的和柵極輸入電路之間需要將處理器的輸出電壓為轉(zhuǎn)移5-15V，大電流的能力（幾毫秒，依不同的應(yīng)用而定）的電平轉(zhuǎn)換電路，被稱為柵極驅(qū)動(dòng)放大器電路。柵極驅(qū)動(dòng)放大器電路的輸入與其邏輯電平信號(hào)是隔離的，因?yàn)檫壿嬰娖捷斎胄盘?hào)有一個(gè)共同的電源，而不同的柵極有不同的MOSFET源極，它們可能有不同電平值。對(duì)于隔離電路，低電壓（<300V）時(shí)，使用單芯片光隔離器，或由DC-DC轉(zhuǎn)換電路，高頻變壓器進(jìn)行鏈接（<1000V），或高壓光纖的光纖鏈接（>1000V）。在實(shí)踐中可以發(fā)現(xiàn)、劃分為不同類型的隔離電壓。加入柵極驅(qū)動(dòng)電路過流，欠壓，過壓保護(hù)是常見的。電流檢測(cè)從漏源兩側(cè)的電壓降獲得而電壓的保護(hù)則是通過檢測(cè)直流輸入電壓轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行。他們可以用廉價(jià)的電阻檢測(cè)。其中一個(gè)典型的柵極驅(qū)動(dòng)電路可表示為圖2.3。在許多的柵極驅(qū)動(dòng)電路，電壓和電流保護(hù)信號(hào)可與柵極輸入信號(hào)相與，也就是在門信號(hào)放大之前先經(jīng)過與門。在這種情況下，與門電路和放大電路之間的時(shí)間延遲需要關(guān)注，使瞬時(shí)保護(hù)必須在這個(gè)時(shí)間延遲之內(nèi)。柵極驅(qū)動(dòng)電路的單芯片封裝，它們通常是在低電壓（<350V直流鏈路）轉(zhuǎn)換器電路中使用。對(duì)于其它電壓，柵極驅(qū)動(dòng)電路從適應(yīng)一個(gè)電路到另一個(gè)不同特點(diǎn)的應(yīng)用特定地開發(fā)出來。絕緣柵雙極晶體管這是一個(gè)從澆注的觀點(diǎn)可取的特點(diǎn)的MOSFET晶體管在反向電壓阻斷能力的傳導(dǎo)三元的裝置。其通用符號(hào)為圖2.4。圖2.4這些器件當(dāng)前可使用的電流范圍是1.2kA、3.3千伏和0.6kA、6.6千伏時(shí)導(dǎo)通壓降5V，如果降低導(dǎo)通狀態(tài)壓降，器件高電流承受能力可進(jìn)一步提高。據(jù)預(yù)計(jì)，在不久的將來商業(yè)上將出現(xiàn)在的最大電流（1kA）和電壓（15千伏）的等級(jí)的器件。由于開關(guān)損耗和電磁干擾（EMI）的關(guān)注，許多器件高功率場(chǎng)合的利用都在低頻段內(nèi)，而通常認(rèn)為開關(guān)頻率在20kHz左右。2.1.2功率開關(guān)器件在設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)換器的器件的瞬態(tài)開關(guān)理解是重要性，因?yàn)樗婕暗狡鋼p耗，轉(zhuǎn)換器的效率和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，此外就是在電源轉(zhuǎn)換器封裝的散熱管理上。本節(jié)考慮設(shè)備通用性[5]上說明了器件開啟和關(guān)閉的瞬態(tài)。一個(gè)裝置，用于供給負(fù)載的電壓，建立、維持或減少流通電流。因此，電源電壓可以理想化為一個(gè)電壓源。而負(fù)載，認(rèn)為它是感性的。這是在交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的情況下，機(jī)器本質(zhì)上是感性的。對(duì)于一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通期間，在幾十微秒到幾毫秒內(nèi)，負(fù)載電流可以近似一個(gè)理想電流源。因此，開關(guān)電路可以看作理想電壓源和電流源，如圖2.5所示。電壓和電流源的大小分別是Vs和Is。圖2.5a圖2.5b最初的電力開關(guān)是關(guān)閉（不導(dǎo)電或阻塞狀態(tài)）條件和它兩端的電壓等于電壓源。源電流Is的路徑，由與它并聯(lián)的二極管提供?？紤]開關(guān)器件上施加一個(gè)正電壓VG門被打開。其中有一段時(shí)間器件上電壓或電流沒有發(fā)生變化，被稱為延遲時(shí)間TD1。在這個(gè)延遲時(shí)間結(jié)束時(shí)，電流除了流過續(xù)流二極管外產(chǎn)生了另一個(gè)附加路徑。在TRC這個(gè)時(shí)間內(nèi)開關(guān)器件中電流從零開始線性增加到Is，這個(gè)時(shí)間稱為電流上升時(shí)間。在此期間，注意到二極管是導(dǎo)通的（它兩端的電壓幾乎是零或?qū)ǎ?，因此整個(gè)裝置的電壓等于電源電壓。此電壓源迫使電流從二極管向開關(guān)器件轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致在開關(guān)器件產(chǎn)生電流。開關(guān)器件的電流上升受到電流源Is的限制。二極管的電流降為零時(shí)，器件的電流達(dá)到的Is的最大值。整個(gè)器件的電壓從VS線性下降導(dǎo)通壓降，這個(gè)時(shí)間，TFV（電壓下降時(shí)間），由相同的道理，二極管兩端的電壓從零上升到源極電壓。電流上升和電壓下降時(shí)間的總和，是開關(guān)開通瞬態(tài)時(shí)間，并注意在此期間，器件損耗是非常高的。當(dāng)它在一個(gè)周期平均起來，開關(guān)損耗通常是很小的。導(dǎo)通期間，整個(gè)器件的電壓是其導(dǎo)通壓降（即通常在1-3V，取決于器件的本身），在導(dǎo)通時(shí)間，注意，功率損失較小。當(dāng)他們?cè)诒竟?jié)被量化，開關(guān)和傳導(dǎo)損耗程度變得比較清晰。對(duì)于大多數(shù)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，傳導(dǎo)損耗是主要的，比開關(guān)損耗高得多。當(dāng)門控信號(hào)進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，開關(guān)器件關(guān)閉的響應(yīng)存在td2延遲時(shí)間。然后在trv時(shí)間里，器件的電壓線性上升到Vs，電流開始從開關(guān)器件轉(zhuǎn)移到正向偏置的二極管。器件的電壓上升期間其電流保持恒定的。經(jīng)過TFC也就是電流下降時(shí)間，電流的轉(zhuǎn)移完成。整個(gè)開關(guān)器件的電壓上升和電流下降時(shí)間的總和，是器件關(guān)斷的瞬時(shí)時(shí)間，在此期間，器件的損耗是非常高的。這樣一個(gè)過程描述，同樣是適用于一個(gè)二極管，因?yàn)槎O管也是開關(guān)設(shè)備。它的開啟了取決于陽(yáng)極與陰極的正向偏置。二極管和任何其它的可控開關(guān)器件之間的主要區(qū)別是，后者是連接，并通過其門極（或基極）的邏輯電平的低電壓信號(hào)控制。另外一個(gè)區(qū)別是，當(dāng)二極管被關(guān)閉，在二極管的電流將通過零點(diǎn)存在稱為反向恢復(fù)的很短的時(shí)間，然后再回到零。在此反向恢復(fù)期間，電壓源是由二極管和可控開關(guān)器件短路。在快速開關(guān)（或快速恢復(fù)）二極管這只將持續(xù)幾納秒。如此高的電流脈沖，在可容忍程度一般的工業(yè)系統(tǒng)，對(duì)這些信號(hào)可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的EMI和源識(shí)別系統(tǒng)問題。電感緩解了此問題。考慮電壓源和電流源、電流源和可控開關(guān)、可控開關(guān)和電壓源之間的連接線（電纜）。它們相應(yīng)地構(gòu)成了輸電線路，每個(gè)部分都有一個(gè)電阻、電感、電容的分布。如在圖2.6所示，一個(gè)合理的非理想連接電路的集中參數(shù)模型是可視化。連接電纜的元素是寄生的，它們不是設(shè)計(jì)師打算和設(shè)計(jì)所需的，在討論時(shí)它們以不利的方式影響電路性能。電纜的電感和電容儲(chǔ)存的能量和電阻消耗造成電路的運(yùn)作效率較低。當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，在電感儲(chǔ)存的能量需要其它路徑替代。應(yīng)該避免與它相連的載流電感開路的不利影響對(duì)器件造成故障。電感減緩了在器件開通時(shí)的電流上升速度，更重要的是產(chǎn)生一個(gè)電流的變化率確定的比源電壓高的電壓，從而創(chuàng)造一個(gè)在關(guān)閉實(shí)時(shí)和間隔過電壓。實(shí)際上，它要求開關(guān)電壓比源電壓較高，導(dǎo)致器件電壓的利用率較差。另一種觀點(diǎn)是本設(shè)備伏安評(píng)級(jí)是比什么是有效使用權(quán)力的轉(zhuǎn)移，從源頭上負(fù)載更多。為了減少寄生電感的影響，設(shè)備，電流源，電壓源之間的連接電纜的長(zhǎng)度應(yīng)盡量減少。還放置電容兩端的電壓源，但在側(cè)面接近設(shè)備（在端子P和O在圖2.6）也將大大給付這種努力。不同的觀點(diǎn)，這是該裝置伏安額定值從電源到負(fù)載大大超過了有效地用于電力傳輸值。為了減少寄生電感的影響，設(shè)備，電流源，電壓源之間的連接電纜的長(zhǎng)度應(yīng)盡量減少。還放置電容兩端的電壓源，但在側(cè)面接近設(shè)備（在端子P和O在圖2.6），也將大大有利于這種努力。圖2.6特別是跨設(shè)備的寄生電容放電時(shí)，他們正在開啟的設(shè)備儲(chǔ)存的能量。在那一瞬間，有效的設(shè)備兩端的寄生電容的電壓，短路，從而迫使期間的電流浪涌設(shè)備打開。這可能只持續(xù)很短的時(shí)間，因?yàn)樯婕暗哪芰糠浅Ｐ?，但?qiáng)調(diào)過流保護(hù)裝置。寄生電容也減緩整個(gè)設(shè)備的電壓變化率時(shí)，該設(shè)備被關(guān)閉，從而保持在安全的dv/dt限制設(shè)備。有一個(gè)大的dv/dt能力與現(xiàn)代設(shè)備，寄生電容的作用是不限制在關(guān)閉時(shí)的電壓變化率的關(guān)鍵。所示開關(guān)被稱為硬開關(guān)電流和電壓的轉(zhuǎn)換，在完整的源電壓和電流發(fā)生裝置，分別在開啟和關(guān)閉期間。諧振和軟開關(guān)電路，使開關(guān)在零電壓和電流轉(zhuǎn)換，減少或幾乎消除了開關(guān)損失。稍后顯示，開關(guān)損耗不是大多數(shù)工業(yè)和商業(yè)的永磁同步無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此計(jì)劃和電路中的主導(dǎo)，以減少開關(guān)損耗不考慮這些驅(qū)動(dòng)器在一般。但許多這些電路是不經(jīng)濟(jì)的，目前在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用程序中一般不考慮，因此，在這個(gè)文本也進(jìn)一步說明。9永磁無(wú)刷直流電機(jī)具有梯形感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的永磁同步電機(jī)被稱為永磁無(wú)刷直流電機(jī)（PMBDCM）。第1章中已經(jīng)討論過這種機(jī)器比較優(yōu)勢(shì)的永磁同步電動(dòng)機(jī)。這些機(jī)器超過其對(duì)應(yīng)的普及的主要原因是因?yàn)槠淇刂坪?jiǎn)單。要啟動(dòng)在一機(jī)多階段的啟動(dòng)和換相電流，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)常數(shù)平坦部分的開頭和結(jié)尾有被跟蹤。這僅相當(dāng)于六個(gè)離散位置為三相電機(jī)在每個(gè)電周期。使用三個(gè)霍爾傳感器,這些信號(hào)可以很容易地生成，相互差120電度。面臨著一個(gè)小磁鐵輪永磁無(wú)刷直流電機(jī)或額外的磁輪的轉(zhuǎn)子的極有相同數(shù)量的固定轉(zhuǎn)子可免除延長(zhǎng)堆棧長(zhǎng)度超出定子轉(zhuǎn)子，并使用霍爾傳感器安裝轉(zhuǎn)子磁體提供的位置信息。這樣的安排，跟蹤轉(zhuǎn)子磁鐵的絕對(duì)位置，因此在所有的機(jī)器階段的誘導(dǎo)電磁場(chǎng)的形狀和位置。相反的永磁同步電動(dòng)機(jī)，這就需要持續(xù)和瞬時(shí)絕對(duì)轉(zhuǎn)子位置，永磁無(wú)刷直流電機(jī)的位置回饋的要求簡(jiǎn)單得多，因?yàn)樗枰挥辛鶄€(gè)離散為三相機(jī)器的絕對(duì)位置回饋傳感器的主要節(jié)省成本。進(jìn)一步控制涉及在永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的顯著性的向量運(yùn)算，而這些操作都不會(huì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的操作要求。永磁無(wú)刷直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)建模及其控制方案在這一章中提及。遵循動(dòng)態(tài)建模仿真和分析。MATLAB?的動(dòng)態(tài)仿真代碼的樣本，給出了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)性能的插圖。建模和控制[1-20]，模擬一些參考[21-25]，性能和改善[26-33]電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也包括在內(nèi)。9.1永磁無(wú)刷直流電機(jī)模型永磁無(wú)刷直流電機(jī)的磁通分布是梯形的，因此是不適用的d-Q的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子參考幀模型開發(fā)。鑒于非正弦磁通分布，這是審慎的派生永磁無(wú)刷直流電機(jī)模型相變量?；谠撃Ｐ偷耐茖?dǎo)[17A]由于轉(zhuǎn)子定子諧波連接，電致發(fā)光的感應(yīng)電流被忽視，鐵和雜散損耗也被忽視的假設(shè)。阻尼繞組通常不永磁無(wú)刷直流電機(jī)和阻尼的一部分是由變頻器控制。電機(jī)被認(rèn)為有三個(gè)階段，即使對(duì)于任何階段的推導(dǎo)過程是有效的。電機(jī)電氣常數(shù)定子繞組的耦合電路方程為(9.1)其中Rs為每相定子電阻，它被認(rèn)為是所有三個(gè)階段的相等的。感生電磁場(chǎng)EAS，EBS，和ECS都假定是梯形。

EP是推導(dǎo)出的峰值，如：(9.2)N是每相導(dǎo)體的序號(hào)v是速度，米/秒l是導(dǎo)體長(zhǎng)度，Mr是轉(zhuǎn)子孔，米半徑ΩM是角速度，為rad/sB是被放置在其中的導(dǎo)體領(lǐng)域的磁通密度這磁通密度，完全是由于轉(zhuǎn)子磁鐵。產(chǎn)品（BLR），這是ΦA(chǔ)，具有通量尺寸和氣隙磁通成正比，φg，如:(9.3)請(qǐng)注意，產(chǎn)品具有通量和串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)維磁鏈和λP表示。因?yàn)檫@是唯一的比例由1/π的一個(gè)因素逐步磁通聯(lián)系，它被簡(jiǎn)稱為修改后的磁鏈。如果有沒有角轉(zhuǎn)子磁阻的變化，并假設(shè)對(duì)稱三個(gè)階段，各個(gè)階段的自我電感平等和之間的相互感彼此是相等的，他們都表示為以及(9.4)代方程9.1方程9.3和9.4，PMBDCM模型得到(9.5)定子相電流限制是平衡的，即IAS+IBS+ICS=0，從而導(dǎo)致在該模型的電感矩陣簡(jiǎn)化為(9.6)據(jù)觀察，相電壓方程是相同的直流電機(jī)的電樞電壓方程。相似的直流機(jī)并沒有電刷和換向器，永磁無(wú)刷直流電機(jī)在工業(yè)界被稱為“機(jī)器背后的原因。

電磁轉(zhuǎn)矩(9.7)瞬時(shí)引起的的電磁場(chǎng)可以寫成(9.8)(9.9)(9.10)功能FAS（比θr），F(xiàn)BS（比θr），F(xiàn)CS（比θr）EAS，EBS的形狀相同，并與最大震級(jí)為±1精英。引起的電磁場(chǎng)沒有尖角所示梯形的功能，但圓滑的邊緣。這是因?yàn)殡姶艌?chǎng)是光通量聯(lián)系衍生物和FLUX聯(lián)系是連續(xù)函數(shù)，也使得邊緣與沒有突發(fā)邊緣的順利光通量密度函數(shù)。電磁轉(zhuǎn)矩可以寫成(9.11)慣量J，摩擦系數(shù)cientB和負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl的一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程(9.12)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置有關(guān)(9.13)這里P為極數(shù)ΩM是轉(zhuǎn)子機(jī)械為rad/s的速度比θr是RAD轉(zhuǎn)子的位置結(jié)合所有相關(guān)方程，系統(tǒng)的狀態(tài)空間形式如(9.14)這里(9.15)(9.16)(9.17)(9.18)(9.19)狀態(tài)變量比θr，轉(zhuǎn)子的位置，是必需的，這樣才能有功能FAS（比θr），F(xiàn)BS（比θr），F(xiàn)CS（比θr），它可以實(shí)現(xiàn)從一個(gè)存儲(chǔ)表。這就完成了PMBDCM的模型。9.2標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)方程永磁無(wú)刷直流電機(jī)方程可以采用基準(zhǔn)電壓VB，基極電流IB，基地通量聯(lián)系λB，電源鉛基地，和基頻ΩB正?；？紤]到只有逐步正?；瑢?shí)現(xiàn)如下[17a]：(9.20)但基極電壓可以寫成(9.21)在電壓方程代，相歸一化電壓的表達(dá)式得到(9.22)而(9.23)(9.24)(9.25)(9.26)(9.27)(9.28)(9.29)同樣，其它兩相方程可以得出。機(jī)電方程推導(dǎo)出(9.30)于是規(guī)范化的形式給出的電磁轉(zhuǎn)矩(9.31)即(9.32)(9.33)(9.34)在磁鏈和電機(jī)電流的電磁轉(zhuǎn)矩推導(dǎo)出(9.35)歸一化單位，得出(9.36)9.3PMBDCM驅(qū)動(dòng)方案基速以下恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，此驅(qū)動(dòng)器需要六個(gè)離散位置的信息。它們所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)三個(gè)定子相電每60度。這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制在第1.4.5進(jìn)行了簡(jiǎn)要論述。強(qiáng)烈建議審查參考閱讀本節(jié)之前，圖1.35。這種電機(jī)弱磁略有不同，將在以后討論。簡(jiǎn)單的為PMBDM驅(qū)動(dòng)器的控制方案，并在圖9.1所示。解析器提供絕對(duì)的轉(zhuǎn)子位置，并通過信號(hào)處理器，它轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子的速度相比，其參考和轉(zhuǎn)子速度誤差放大器海關(guān)通過速度控制器。輸出速度控制器提供參考扭矩，特*。電流的大小命令，IP*，獲得的扭矩表達(dá)(9.37)作為只有兩臺(tái)機(jī)器的階段隨時(shí)進(jìn)行系列全波逆變器操作兩個(gè)階段的當(dāng)前，相電流的幅度，但符號(hào)相反的是平等的。轉(zhuǎn)子位置相關(guān)的功能有相同的標(biāo)志作為在駕駛模式下的定子相電流和永磁無(wú)刷直流電機(jī)有相反的跡象圖9.1在再生的電流。這樣的符號(hào)關(guān)系的結(jié)果是簡(jiǎn)化為轉(zhuǎn)矩命(9.38)定子電流命令是來自方程9.37(9.39)單個(gè)定子相電流命令產(chǎn)生的電流大小命令和絕對(duì)的轉(zhuǎn)子位置。通過變頻器與他們各自在定子相電流，這些電流命令被放大。只有兩相電流是平衡的三相系統(tǒng)中獲得的第三階段，因?yàn)樗械娜嚯娏鞯目偤褪橇汶娏?。電流誤差放大器版和使用脈沖寬度調(diào)制或生產(chǎn)逆變器的開關(guān)切換的邏輯信號(hào)的滯后邏輯，在第2章解釋。10換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和相位推進(jìn)永磁無(wú)刷直流電機(jī)具有理想的梯形矩形電電流120°的持續(xù)喂養(yǎng)誘導(dǎo)電磁場(chǎng)與恒轉(zhuǎn)矩?zé)o轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。偏離理想的條件下引入轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[1-4]，主要有兩種：1.機(jī)階段的電流啟動(dòng)和關(guān)閉當(dāng)前命令所需的恒定幅度偏離的幅度非常顯不能生產(chǎn)減刑扭矩2.開關(guān)逆變器輸出電壓的諧波反過來產(chǎn)生諧波電流開關(guān)諧波轉(zhuǎn)矩的結(jié)果這是由于磁鐵的其它種類和裝配不對(duì)稱，氣隙偏心和齒槽，僅舉幾例。本章分析中可能出現(xiàn)的偏差通量分布和電流給定的機(jī)器參數(shù)和分析結(jié)果[3]得到換向換相轉(zhuǎn)矩。在永磁無(wú)刷直流電機(jī)的磁通減弱[5-8]在通過電流推進(jìn)發(fā)病的PMSMs有點(diǎn)類似。啟動(dòng)時(shí)，機(jī)器感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于或超過最大可用機(jī)器相電壓的逆變器輸出。在這種模式下，注意有沒有瞬時(shí)電流控制電流控制的機(jī)器相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)飽和，超過或等于最大應(yīng)用相電壓從變頻器的輸出。那么唯一的選擇是推進(jìn)發(fā)作時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)低于施加電壓的電壓，有電壓控制。這種情況發(fā)生時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的梯形正在上升，從佛羅里達(dá)州或恒定最高值區(qū)下降。那么目前的發(fā)病是先進(jìn)的，在當(dāng)前階段推進(jìn)。在這里再次得到分析結(jié)果對(duì)概念的理解和應(yīng)用。穩(wěn)態(tài)預(yù)測(cè)來自理想的梯形波形和光通量密度分布的輸入電流的基本考慮。但在現(xiàn)實(shí)中的電流施加電壓的響應(yīng)，因此，他們需要獲得的扭矩進(jìn)行評(píng)估，不應(yīng)假定，特別是在第一階段推進(jìn)模式。需要提供編程所需的電壓，使學(xué)習(xí)機(jī)的性能在任何設(shè)定速度的瞬時(shí)扭矩和電流的形式輸入的PMBDC機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)模型。電機(jī)驅(qū)動(dòng)來完成這個(gè)模型是在本章介紹。需要注意的是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)須評(píng)估在特定應(yīng)用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此其計(jì)算需要的所有條件包括目前階段推進(jìn)模式的適用性。10.1換相轉(zhuǎn)矩所需的電流波形為矩形和120°寬的永磁無(wú)刷直流電機(jī)（PMBDCM）驅(qū)動(dòng)器在每個(gè)半周期。由于漏感，LL，定子電流采取有限時(shí)間，上升和下降，從而扭曲成梯形的理想矩形波形。這樣做的效果是在當(dāng)前的過渡產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。對(duì)于三相機(jī)，將有六每360度電角度的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，有6個(gè)電流轉(zhuǎn)換。如果保持在電氣120°，即恒流地區(qū)減少電氣120°以下的傳導(dǎo)時(shí)間，他們也將減少，平均轉(zhuǎn)矩。一套PMBDCM驅(qū)動(dòng)器的性能上的實(shí)際電流的后果可以使用傅里葉級(jí)數(shù)的方法如下分析。下面給出的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式[3A]只考慮兩桿機(jī)的P-極機(jī)，表達(dá)式必須乘以極對(duì)。相電流是廣義的，并在圖10.1所示。三相電流可以分解成傅立葉級(jí)數(shù)(10.1)同樣的磁通相聯(lián)系的傅立葉一系列假設(shè)梯形在每個(gè)半周期波形和常數(shù)（π-2H）電角度是(10.2)λP是修飾磁鏈的峰值和磁鏈波形，如圖10.2所示。同樣，B相和C相電流和，可以推導(dǎo)出改進(jìn)的磁鏈。圖10.2基本電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算考慮產(chǎn)品相氣隙磁鏈和各自的定子相量的基本條款電流兩極機(jī)的(10.3)代入的基本條件和擴(kuò)展的表達(dá)式(10.4)由H=π/6，三個(gè)階段的電磁轉(zhuǎn)矩被分解成(10.5)歸基本轉(zhuǎn)矩標(biāo)么值作為一個(gè)θ2θ1和H等于30°的功能，如圖10.3所示，1p.u.電流。這表明，當(dāng)前日益興起的時(shí)間降低了根本的扭矩。在更高的速度，在相同的電流上升時(shí)間，注意θ2增加，因此會(huì)有更大的減少在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的基本扭矩。由矩形電流的電氣120°的時(shí)間，基本扭矩是(10.6)近似可用的扭矩，在第1章計(jì)算。圖10.3換相轉(zhuǎn)矩是基本頻率的6倍。它可以被看作是第五和第七的諧波電流和諧波轉(zhuǎn)子磁通聯(lián)系第五和第七的電流相互作用的基本相互作用的基本轉(zhuǎn)子磁通聯(lián)系的總和。推導(dǎo)如下：(10.7)在一般情況下，頻率m次諧波轉(zhuǎn)矩基波給出m=6,12,18,24…(10.8)原文：PermanentMagnetSynchronousandBrushlessDCMotorDrivesR.KrishnanElectricalandComputerEngineeringDepartmentVirginiaTechBlacksburg,Virginia,U.S.A.PrefaceBooksonpermanentmagnet(PM)acmachinedriveshavefocusedprimarilyonthedesignofthemachinesandhavecoveredthecontrolandconvertersforthesedrivesonlyinanelementarymanner.Inthelasttwodecades,researchanddevelopmentoncontrolstrategiesandtheirsubsequentimplementationhavebeenreportedinjournalpublicationsandpresentedatconferences.Theknowledgebaseofthesepublicationsandconferenceproceedingsisyettobecohesivelymadeavailableinabookthroughasystematicdisseminationtobothindustrialandacademicaudiences.Withregardtopowerelectronicsassociatedwiththesedrivesystems,thethree-phasebridgeinverterhasbeenusedasthestandardforaverylongtime.Itsunderstandingandcontrolhavechangedsignificantlyovertime.Costminimizationhasbeenthemainfocusofemerginghigh-volumeapplicationsandhasthereforenecessitatedareviewofthesubsystemcosts.Whilecontrollercostshavebeenstandardizedaccordingtotheirapplications,theobvioustargetsforcostminimizationaretheconvertersandthemachines.Oflate,newpowerconvertertopologiesarealsobeingconsideredforlow-costdrivesystems.AbookdedicatedexclusivelytoPMacmachineswithamajoremphasisonthecontrolandlow-costconvertertopologieswouldbetimely.Keepingthisinmind,thisbookhasbeenunderdevelopmentforseveralyears.ThecontentsofthisbookwerewidelyusedforteachingatthedoctorallevelatVirginiaTechandtestedattheUniversityofAalborg,Denmark,andindustrialaudiencesintheUnitedStatesandothercountries.Thisbookisdividedintothreeparts.PartIcoversthefundamentalsofthemachines,powerdevices,inverters,andtheircontrol(Chapters1and2).PartsIIandIIIaredevotedtothePMsynchronous(Chapters3through8)andbrushlessdcmotordrives(Chapters9through14),respectively.TounderstandPMacdrivesonemuststartwiththefundamentalsofthemachine.Chapter1providesanelementaryintroductiontothecharacteristicsofPMsandtheiroperatingpoints,machinerotorconfigurations,differencesbetweensynchronousandbrushlessdcmachines,windings,fluxdensitydistributioninthetoothandyoke,expressionsrelatingmachinedimensions,magnetandstatorexcitationwithtorqueandpoweroutput,andinductancederivations.Further,thecorelosses,theircomputationandmeasurementareincludedtocoverthecharacterizationofthemachineformodelingandcontrolstrategyformulations.Greateremphasishasbeenplacedonsinusoidalmachinesthanontrapezoidalmachinesastheformerarecloselyrelatedtootheracmachinesbothinfunctioningandintheprinciplesofoperationandcontrol.Consideringonlythefundamentalcomponentsofthevariables,boththesinusoidalandtrapezoidalPMmachinesareidenticalintheirbehavior.Theapplicabilityoftheprinciplesisobviouseventhoughtherearesomesignificantdifferencesamongthem.VariousaspectsofPMplacementontherotor,specialmachineswithPMonthestator,andtheHalbacharrangementarepresentedtoenablereaderstofamiliarizethemselveswithboththeoldandthenewmachines.Chapter2containsabriefdescriptionofpowerdevices,theirswitchingcharacteristicsandlosses,rectifiers,andinverters.Thesectiononinvertersintroducesvariousswitchingschemes,theirmeritsanddemerits,andtheirmodeling.Adescriptionofthefour-quadrantoperationanditsapplicabilitytoPMacmachinesisincludedtointroducetheterminologythatisusedfrequentlyinthedescriptionandoperationofPMacdrivesystems.ThedynamicmodelingofPMsynchronousmachinesusingdqo-axesinrotorreferenceframesandalsoinspacephasorvariablesissystematicallyderivedinChapter3.Theapproachinthischapterisintuitiveandassumesthatthereaderisfamiliarwithelementarycircuittheoryandsimpleaxesprojectionsusingtrigonometry.VariousaspectsofthemodelingareillustratedwithMATLAB?-basedsimulationresults.Thedynamicmodelisrequiredinsubsequentdevelopments.ThestartingbasisforthecontrolofPMsynchronousmachinesisvectorcontrol,leadingtothedecouplingoftorqueandfluxchannelsinthemachine.Additionalperformancerequirementssuchasconstanttorqueangle,unitypowerfactor,constantmutualfluxlinkages,maximumtorqueperunitcurrent,fixedanglebetweencurrentandfluxphasors,constantpowerloss,andmaximumefficiencyaresuperimposedonthevectorcontrollerandthusvariouscontrolstrategiesemergeforthesynchronousmachine.AllthesecontrolstrategiesandsomeaspectsoftheirimplementationforthePMsynchronousmachinesareelaboratedinChapter4.FluxweakeningiscrucialtoextendthespeedrangeofPMsynchronousmotordrives.VariouscontrolstrategiestoaccomplishfluxweakeningareprovidedinChapter5alongwithimplementations.Importantly,thesix-stepinverteroperationintheflux-weakeningmodeisstudiedandcomparedtoothermethodsoffluxweakeningbasedonmodelandmodel-freecontrollers.ThedifferencesbetweeninteriorandsurfacePMmachinesrelatedtotheirperformanceinfluxweakeningaswellasintheconstanttorqueregionsarederivedwithnormalizedmachineparametersandarediscussed.Thedriveshaveinvariablyinnercurrentcontrolloopsfortorquecontrolandhencethenecessityforcurrentcontrollersandtheirdesignprocedureinpractice.Suchaprocedureisderivedfromthetransferfunctionobtainedfromblockdiagramreductionmethods.ThemethodestablishesthesimilaritybetweentheseparatelyexciteddcmachineandPMsynchronousmachinedrives,thusbroadeningthereader’sunderstanding.Speedcontrolisenforcedwithanouterspeedfeedbackcontrolloop.Thedesignofthespeedcontrollerisanalyticallyderivedusingthesymmetricoptimummethod.ThedesignprocedureisillustratedwithanexampleinChapter6.Almostallofthecontrolstrategiesaredependentonmachineparametersfortheirimplementation.Becauseofthesensitivityofthestatorresistance,androtorfluxlinkagestotemperatureandq-axisinductancetosaturation,theconsequencesondriveperformanceandmethodstoovercometheireffectsindrivesystemsarestudiedinChapter7forPMsynchronousmachinedrives.Chapters9through14containastudyofPMbrushlessdcmotordrives.Chapter9elaboratesonthemodelingandsimulationofthesedrives.Acontrolschemeinprevalentuseisalsoconsideredinthischapter.Chapter10addressestheimportantissuesofcommutationtorqueripplesandtheircomputation.FluxweakeningisstudiedasanadjunctofthemethodintroducedtostudytorquegenerationusingFourierseries.Half-waveinvertertopologiesemergetoprimarilycatertothelow-costandhigh-performancerequirementsofhigh-volumeapplications.FoursuchinvertertopologiesforPMbrushlessdcmotordrivesarestudiedinChapter11.ThedesignofcurrentandspeedcontrollersusingaverysimilarapproachtakenforPMsynchronousmotordrivesisconsideredindetailinChapter12.AdiscussionofvariousmethodsofcurrentandpositionsensorlessoperationofPMbrushlessdcmotordrivesisprovidedinChapter13.VarioussecondarytopicssuchastorquesmoothingandparametersensitivityofthesedrivesareoutlinedinChapter14.Anattempthasbeenmadetodevelopaconsistentmethodfortreatingvariousissuesofanalysisanddesignfromfirstprinciples.Whilerealizingthatmodelingandanalysisgetinthewayoftheflowofthesubjectmatter,theyareunavoidableinabooksuchasthis,whichisintendedforengineerswhofacethechallengesofdesignanddevelopmenteverydayintheirwork.Whereverappropriate,MATLABcodesaredevelopedandgiventoillustratethesimulationofthedrivesystems.MATLAB?isaregisteredtrademarkofTheMathWorks,Inc.Forproductinformation,pleasecontact:TheMathWorks,Inc.3AppleHillDriveNatick,MA01760-2098USATel:5086477000Fax:508-647-7001E-mail:info@Web:Ihavegenerouslydrawnonmaterialsfrompublishedpapersbutwithmyowninterpretation,particularlyfromDr.G.R.Slemonandhisformerstudents,mostnotablyfromDr.T.SebastianandDr.X.Liu.Prof.J.Holtzandhisassociates’workoninverters,currentcontrol,androtorpositionsensorlesscontrolaregratefullyacknowledged.Alargenumberofresearchresultsfrommydoctoralstudents,pastandpresent,areincorporatedinthetext.Iacknowledgetheuseofmaterialsfromthefollowing:Prof.P.Pillay,Dr.G.H.Rim,Dr.P.Vijayraghavan,Dr.R.Monajemy,Dr.ByeongSeokLee,NimalLobo,andJaeHyuckKim.Inparticular,Dr.P.Vijayraghavan,NimalLobo,andBenRudolphhavebeenhelpfulwithsuggestionsandeditorialhelp.Theerrorsinthisbookareminewhiletheresultsofresearch,onwhichthistextisbuilt,belongtothegeneralcommunityofhundredsofresearchersandpractitionersinthisfield.IamgratefultoNoraKonopka,MarshaPronin,andFrancesWeeksofCRCPressandtheircontractorsfromSPi,ManjuChinnappanandAnithajohnyMariasusai,fortheirhelp,advice,andpatienceduringthepreparationofthisbook.Mywife,Vijaya,hasbeenverysupportiveofthisventurewithgoodcheer.Toher,Iowethemost.R.KrishnanBlacksburg,Virginia2IntroductiontoInvertersandTheirControlThesubsystemthatmadethewidespreadpossibleuseofpermanentmagnet(PM)drivesisthestandardpowerelectronicconvertermodules.Toprovidevariablespeedinthemachine,variablefrequencyofthestatorcurrentsisrequired,whichisachievedwithaninverter.Theinverterrequiresadcvoltageinput,which,inamajorityofthecases,isobtainedfromanacsupplybyrectificationwithadiodebridge.Theacsupplyinputissinglephaseforapplicationsrangingfromfractionalhpto1hp,andover1hp,three-phaseacsupplyispreferred.Three-phasemachinesandthree-phaseinvertersarepredominantinapplications.Drawingsinusoidalaclinecurrentsfromtheutilitysupplyandunitypowerfactorrequirementsarecomingtotheforefrontinlargedrives.Tomeettheseneeds,actodcfrontendconvertersarechangingfromdiodebridgerectifierstocontrollablebridgeconvertersandthesearepresentedinthischapter.Otherthanfrontendconverters,therehashardlybeenanychangeinthepowerelectronicsubsystems,forPMdrivesoverthelastfourdecades.Thischapterintroducesdevices,theirswitchingbehavior,gatingcircuits,protectioncircuits,actodcanddctoacpowerconversionsubsystems,andtheircontrol.Particularemphasisislaidontheeffectofdeadtime,whichisintroducedbetweentheactivationofthetopandbottomswitchingdeviceintheinverteronthevoltageandcurrentwaveformsanditscompensation.Inlow-speedcontrolsystemsincludingoperationatzerospeed,thenonlinearityoftheinverterduetodeadtimeaswellasotheraspectssuchasdevicevoltagedropsaffectthequalityofperformance,particularlyinsensorlesspositioncontrolsystems.Withthisinview,compensationofdeadtimeanddevicevoltagedropstoobtainlinearcharacteristicsofaninverterispresentedindetail.Thevoltageandcurrentcontrolareenforcedthroughtheinverterwithoneofthepopularschemes:pulsewidthmodulation(PWM),hysteresiscontrol,andspacevectormodulation.Thefundamentalsoftheseschemesaredetailed.PWMcontrolrequiressamplingofcontrolsignal.Twosamplingschemesandtheirimplicationsinpracticeareelucidated.Themostsignificantintheinvertercontrolhasbeentheadventofspacevectormodulation.Itisdescribedindetailtoenableengineerstodevelopavarietyofimplementationschemestosuitapplicationexigencies.Ahybridschemethatunifiespulsewidthandspacevectormodulationsgivesenormousflexibilityforimplementationtocontrolinverterlossesandisdescribedinthischapter.Thecontrolmodelingoftheinverterisdevelopedforuseinsystemtransferfunctionsandcontrollerdesigns.Resonant,multilevel,andmatrixconvertersarenotdealtwithinthischapterastheynotprevalentinthePMsynchronousandbrushlessdcmotordrives.2.1POWERDEVICE2.1.1POWERDEVICESANDSWITCHINGSincetheadventofsemiconductorpowerswitches,thecontrolofvoltage,current,power,andfrequencyhasbecomecost-effective[1–5].Theprecisionofcontrolhasbeenenhancedwiththeuseofintegratedcircuits,microprocessors,andVLSIcircuitsincontrolcircuits.Someofthepopularpowerdevicessuchasdiodes,metaloxidesemiconductorfield-effecttransistors(MOSFETs),andinsulatedgatebipolartransistors(IGBTs),andtheirsymbolsandcapabilitiesaredescribedbelow.Thesedevicesarecommonl