本书以绕组开路永磁同步电机为控制对象和具体示例，综合介绍了绕组开路电机系统模型预测控制原理与新进展。主要包括绕组开路永磁同步电机模型、常规模型预测控制技术，以及多种绕组开路永磁同步电机模型预测控制方案。本书内容不同于常规绕组开路电机模型预测控制，主要提出了模型预测全转矩控制、四段式模型预测电流控制与时变周期的复合矢量模型预测电流控制等策略，在继承常规模型预测控制优点的同时有效提升了绕组开路电机系统的整体控制表现，丰富了交流电机模型预测控制的理论体系。
本书可供电机驱动方向的研究人员、研究生，以及高年级本科生使用，也可供从事交流电机控制技术研发的工程技术人员参考。
本书以绕组开路永磁同步电机为具体对象，介绍了其数学模型及其基本控制理论；以此为基础，重点讨论了共直流母线拓扑下考虑零序电流抑制的模型预测控制策略，从不同角度丰富了绕组开路电机系统模型预测控制理论体系。
从拓扑结构角度，本书针对单边可控与双边可控两类绕组开路电机系统的特点，给出了多种预测控制方案；从控制性能优化角度，本书阐述了三维空间电压矢量模型预测控制、全转矩控制及复合矢量模型预测控制等方法，扩展了绕组开路电机系统模型预测控制理论；从提高系统可靠性角度，本书分别从故障诊断、故障拓扑及容错控制三个层面给出了绕组开路电机系统可靠性提升的解决方法。
前言
经过几十年的快速发展，交流电机控制无论是在理论方面还是工程应用方面均获得了长足进步，然而随着电动汽车与航空航天等高端制造业对交流电机控制需求的持续提升，经典控制框架下的交流电机控制仍然面临诸多问题，如稳定性与快速性的矛盾、控制与调制的割裂设计、稳态与动态控制表现无法兼顾等。鉴于此，有必要在交流电机控制问题上引入一种全新的控制框架，从而突破现有控制框架的理论限制与技术瓶颈。而有限集模型预测控制利用交流电机与逆变器的数学模型对系统未来控制行为进行预测，并直接对电压矢量进行选择，从而避免了控制与调制的相互限制，为交流电机系统提供了另外一种全新的控制思路。
在国家自然科学基金等的资助下，作者近年来在绕组开路电机系统模型预测控制领域开展了相关研究，取得了一些科研成果，特别是突破了常规模型预测控制的默认规则与理论局限，提出了三维空间矢量模型预测控制、全转矩模型预测控制，以及时变周期的复合矢量模型预测电流控制等策略，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。另外，从矢量选择、权重因子、故障诊断与容错控制等多个维度进一步丰富了模型预测控制的理论体系。
本书是一本专门介绍绕组开路电机模型预测控制相关技术的专著，共包含十章内容，其中前两章为概述和共直流母线型绕组开路永磁同步电机系统数学模型，后八章为本书的重点，主要介绍了几种基于零序电流抑制的模型预测控制、全转矩模型预测控制、时变周期的复合矢量模型预测电流控制、四段式模型预测电流控制、考虑死区影响的模型预测电流控制、故障诊断、二次故障拓扑及容错控制等核心内容。本书由张晓光统筹撰写，在作者实验室学习与工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、徐驰、闫康、白海龙、高旭、王子维、张晨光、李霁、刘峥、张涵、吴震和张国富为本书的成稿做出了重要贡献，这其中要特别感谢的是张晨光、张涵、闫康、张文涵、徐驰、李毅和王克勤，是这几位研究生在作者实验室学习期间的刻苦努力才有了本书的成稿。
作者希望本书能够帮助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。由于作者水平有限，并且电机模型预测控制理论正处在飞速发展的过程中，书中难免存在很多不合适甚至错误之处，敬请读者朋友们批评指正。
张晓光
2024年5月6日于北京
张晓光，北方工业大学毓杰人才特聘教授，于2014年在哈尔滨工业大学获得博士学位，2012-2013年在美国威斯康星大学麦迪逊校区进行博士联合培养，合作导师为T.A.Lipo 院士；2014年加入北方工业大学电气与控制工程学院，目前担任电力电子与电气传动北京市工程技术研究中心主任。主持国家自然科学基金2项、北京市自然科学基金（优秀结题）、北京市科技专项等省部级项目5项，以及国家重点实验室开放课题、企业合作课题等10余项。研究成果以第一/通信作者发表SCI/EI论文50余篇，其中SCI 期刊论文21篇（1区期刊14篇），有3篇论文入选ESI高被引论文。获得Journal of Power Electronic 期刊最佳论文奖(2019年)、电机与系统国际会议（ICEMS）最佳论文奖(2018年)、北京市科学技术（自然科学）三等奖（2018年，排二）、北方工业大学科技创新优秀奖；入选北京市科技新星、北京市委组织部青年拔尖人才、北京市高创计划青年拔尖人才等多项人才计划。担任IET-Power Electronics期刊编委与AE，《电工技术学报》模型预测控制专刊特邀副主编。
前言
第1章概述1
1.1研究背景1
1.2绕组开路电机系统及其控制策略2
1.2.1绕组开路电机系统分类2
1.2.2绕组开路电机系统控制策略5
1.3本书主要内容9
参考文献11
第2章共直流母线型绕组开路永磁同步电机数学模型15
2.1绕组开路电机系统拓扑结构及其特点15
2.2三相静止坐标系下的数学模型16
2.3两相旋转坐标系下的数学模型17
2.4本章小结20
参考文献20
第3章单边可控绕组开路永磁同步电机系统及其控制21
3.1单边可控绕组开路永磁同步电机系统简述21
3.2OW-PMSG系统两侧变流器空间电压矢量分析24
3.3基于零序电流抑制的OW-PMSG矢量控制26
3.3.1矢量控制技术26
3.3.23D-SVPWM控制28
3.3.3仿真和实验结果33
3.4基于零序电流抑制的OW-PMSG模型预测电流控制37
3.4.1OW-PMSG模型预测电流控制37
3.4.2仿真和实验结果42
3.5共直流母线型单边可控OW-PMSG系统改进电流控制46
3.5.1基于零序电流抑制的可控变流器侧三维空间矢量模型预测控制47
3.5.2基于不控整流器侧电压调整的零序电流抑制策略53
3.5.3仿真和实验结果58
3.6本章小结64
参考文献65
第4章双边可控绕组开路永磁同步发电机系统模型预测电流控制66
4.1基于零序电流抑制的共直流母线型双边可控OW-PMSG系统
模型预测电流控制67
4.1.1OW-PMSG模型预测电流控制68
4.1.2单矢量模型预测电流控制70
4.1.3双矢量模型预测电流控制73
4.1.4仿真和实验结果76
4.2基于三维空间矢量的OW-PMSG系统模型预测电流控制80
4.2.1三维空间电压矢量电流预测控制81
4.2.2基于三维空间电压矢量的改进电流预测控制82
4.2.3基于逆变器矢量分开选择的双矢量电流预测控制86
4.2.4仿真和实验结果91
4.3本章小结102
参考文献103
第5章绕组开路永磁同步电机驱动系统模型预测全转矩控制104
5.1绕组开路永磁同步电机模型预测转矩控制104
5.1.1一拍延时补偿105
5.1.2三维空间中的候选电压矢量105
5.1.3确定转矩、磁链和零序电流的参考值105
5.1.4转矩、磁链与零序电流的预测及代价函数构建107
5.2绕组开路永磁同步电机模型预测全转矩控制108
5.2.1全转矩的预测109
5.2.2转矩参考值的确定110
5.2.3全转矩代价函数111
5.3减少计算负荷的矢量划分选择方法111
5.3.1矢量分布空间的划分和参考电压的位置确定111
5.3.2候选电压矢量的确定113
5.4实验结果117
5.5本章小结122
参考文献122
第6章绕组开路永磁同步电机驱动系统时变周期复合矢量
模型预测电流控制124
6.1模型预测电流控制125
6.2多矢量模型预测电流控制127
6.2.1双矢量模型预测电流控制129
6.2.2三矢量模型预测电流控制129
6.3时变周期的复合矢量模型预测电流控制131
6.3.1参考电压矢量计算和扇区确定132
6.3.2最优电压矢量确定132
6.3.3最优电压矢量的作用时间计算和时变控制周期的确定133
6.4实验结果134
6.5本章小结139
参考文献139
第7章绕组开路永磁同步电机四段式模型预测电流控制与改进
无差拍预测电流控制140
7.1单边四段式模型预测电流控制方法140
7.1.1逆变器INV2的非零矢量选择和作用时间分配141
7.1.2降低开关频率的矢量优化排序144
7.1.3基于零序电流抑制的零矢量作用时间再分配146
7.2双边四段式模型预测电流控制方法149
7.2.1双逆变器电压参考值分配150
7.2.2双逆变器四段式矢量选择与作用时间分配150
7.3改进无差拍预测电流控制方法153
7.3.1基于参考电压再分配的零序电流抑制153
7.3.2开关频率优化调制158
7.3.3线性调制范围分析158
7.4实验验证162
7.4.1稳态性能实验162
7.4.2开关频率对比实验164
7.4.3动态性能分析166
7.5本章小结167
参考文献167
第8章考虑死区影响的绕组开路永磁同步电机系统模型预测电流控制169
8.1OW-PMSM传统单矢量模型预测电流控制169
8.2死区影响分析及死区电压矢量判断171
8.2.1死区影响分析171
8.2.2死区电压矢量判断174
8.2.3死区时间影响分析175
8.3考虑死区影响的绕组开路永磁同步电机模型预测电流控制176
8.3.1双逆变器最优电压矢量选择及死区电压矢量判断176
8.3.2死区时间计算177
8.4实验验证180
8.4.1稳态性能评估181
8.4.2动态性能评估183
8.4.3平均开关频率评估185
8.5本章小结186
参考文献186
第9章绕组开路永磁同步电机驱动系统故障诊断策略188
9.1双逆变器拓扑在开关器件开路故障后的工作特性189
9.2开关器件开路故障诊断策略193
9.2.1故障开关器件对的判断194
9.2.2具体故障开关器件的判断195
9.2.3开关器件开路故障的整体诊断策略计算199
9.2.4实验验证200
9.3本章小结206
参考文献206
第10章绕组开路永磁同步电机驱动系统二次故障拓扑及其容错控制208
10.1传统一次容错拓扑及其电压矢量209
10.2二次容错拓扑及其电压矢量210
10.3容错控制策略212
10.3.1幅值和相位均重新设计的参考电流213
10.3.2转矩优化策略214
10.3.3无差拍电流容错控制215
10.4二次容错系统输出能力分析217
10.4.1逆变器输出容量分析217
10.4.2绕组开路永磁同步电机输出容量分析218
10.5实验结果221
10.5.1稳态对比221
10.5.2动态对比223
10.6本章小结225
参考文献225
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