این کتاب با هدف پاسخ به رشد سریع موتورهای سنکرون آهنربای دائم کنترل‌شده نوشته شده است؛ موتورهایی که به‌دلیل راندمان بالا، قابلیت اطمینان مناسب و کاربرد گسترده در صنعت و دانشگاه، اهمیت زیادی یافته‌اند. نویسنده در مقدمه توضیح می‌دهد که با وجود نوسانات قیمت آهنرباهای دائم، نیاز به تدوین منبعی جامع برای این فناوری همچنان جدی بوده، زیرا این سامانه‌ها احتمالاً در آینده به یکی از محرکه‌های غالب تبدیل می‌شوند.

کتاب نشان می‌دهد که کنترل موتور الکتریکی نقش «مغز» سامانه محرکه را دارد و توسعه آن حاصل هم‌افزایی چند حوزه مهم مانند ماشین‌های الکتریکی، الکترونیک قدرت، میکروالکترونیک، تئوری کنترل، مهندسی نرم‌افزار و مواد نوین است. همچنین نویسنده به نقش پیشرفت‌های سخت‌افزاری، به‌ویژه DSP و FPGA، در عملی‌سازی و بهبود کنترل موتور اشاره می‌کند.

در مجموع، این کتاب تلاشی است برای ارائه دانشی به‌روز و کاربردی که هم برای آموزش دانشگاهی و هم برای نیازهای صنعتی مفید باشد و به بهبود عملکرد، کاهش هزینه و گسترش کاربرد سامانه‌های کنترل موتور کمک کند.

فهرست مطالب

مقدمه مؤلف 15

پیشگفتار 19

قدردانی مؤلف 21

قدردانی مترجم 23

واژه‌نامه نمادها 25

فصل اول: مقدمه 31

1-1- مروری بر سیستم موتور کنترل‌شده 33

2-1- مبدل الکترونیک قدرت 35

1-2-1- اینورتر منبع ولتاژی 36

2-2-1- PWM سینوسی 38

3-2-1- PWM بردار فضایی 39

3-1- مواد آهنربای دائم (PM) 41

1-3-1- مشخصه‌ها 42

1-1-3-1- منحنی مغناطیس‌زدایی 42

2-1-3-1- حاصلضرب انرژی 45

3-1-3-1- وابستگی به دما 47

2-3-1- خواص مواد آهنربای دائم 48

3-3-1- بازار مواد آهنربای دائم 51

1-3-3-1- تولید بر اساس نوع 51

2-3-3-1- تولید بر اساس منطقه 52

3-3-3-1- مصرف مواد آهنربای دائم در کاربردهای مختلف 52

4-3-3-1- قیمت‌ها 54

4-1- ماشین‌های سنکرون آهنربای دائم (PMS) 55

1-4-1- ساختارها 58

1-1-4-1- پیکربندی‌های روتور 58

2-1-4-1- جهت مغناطش قطب 61

3-1-4-1- قطب‌های چند پارچه 62

2-4-1- اصول عملکردی و مشخصه‌ها 64

3-4-1- ماشین‌های مشابه 66

5-1- سیستم کنترلی 67

1-5-1- کنترل برداری 68

2-5-1- کنترل مستقیم گشتاور 69

3-5-1- کنترل پیش بین 70

4-5-1- کنترل تک ضربه 71

5-5-1- کنترل ترکیبی 72

6-5-1- تخمین موقعیت و سرعت روتور 72

7-5-1- تخمین پارامترهای موتور 73

6-1- جمع‌بندی 75

مراجع 75

فصل دوم: مدل‌سازی ماشین 81

1-2- مدل‌سازی 83

2-2- مدل فیزیکی ماشینهای PMS 85

1-2-2- طرح‌واره ماشین 85

2-2-2- فرضیات مدل‌سازی 86

3-2- مدل متغیرهای فاز 89

1-3-2- قاب مرجع متغیرهای فاز 89

2-3-2- معادلات ماشین در قاب مرجع متغیرهای فاز 90

4-2- مدل دومحوری ساکن 93

1-4-2- قاب مرجع دومحوری ساکن 93

2-4-2- انتقال مدل به قاب مرجع ساکن دو محوری 94

5-2- مدل قاب مرجع روتور 98

1-5-2- انتقال به قاب مرجع روتور 99

2-5-2- معادلات ماشین در قاب مرجع روتور 102

6-2- مدل در قاب مرجع شار استاتور 109

1-6-2- انتقال به قاب مرجع شار پیوندی استاتور 109

2-6-2- معادلات ماشین در قاب مرجع شار پیوندی استاتور 110

7-2- مدل‌های بردار فضایی 114

1-7-2- بردارهای فضایی 115

2-7-2- معادلات ماشین بر اساس بردارهای فضایی 116

1-2-7-2- مدل‌های بردار فضایی در قاب‌های مرجع ساکن 116

2-2-7-2- مدل‌های برداری فضایی در قاب‌های مرجع چرخان 119

8-2- مدل ماشین با در نظر گرفتن تلفات آهن 122

9-2- اشباع مغناطیسی هسته آهن 125

10-2- مدل‌سازی ماشین‌های PMS با قطب‌های نصب سطحی 126

11-2- رابطه دینامیکی ماشین‌های PMS 128

12-2- خلاصه 129

مسائل 130

مراجع 132

فصل 3: کنترل برداری 137

1-3- کنترل اسکالر موتورهای PMS 139

2-3- نظریه پایه‌ای کنترل برداری 144

1-2-3- ویژگی‌های کنترل موتور DC 144

2-2-3- اصول کنترل برداری 145

3-2-3- مدل موتور تحت کنترل برداری 148

3-3- کنترل برداری در قاب مرجع روتور با کنترل‌کننده‌های جریان فاز 150

4-3- کنترل برداری در قاب مرجع روتور با کنترل‌کننده‌های جریان d-q 153

1-4-3- روش کنترل برداری پایه با کنترل جریان d-q 153

2-4-3- کنترل‌کننده‌های تفکیک‌کننده جریان 154

5-3- محدودیت‌های عملکردی و روش‌های محدودسازی 157

1-5-3- محدودیت جریان 157

2-5-3- محدودیت‌ ولتاژ 161

6-3- کنترل شار 163

1-6-3- کنترل با راهبرد بیشینه گشتاور به ازای آمپر (MTPA) 164

1-1-6-3- MTPA با کنترل سرعت 165

2-1-6-3- MTPA با کنترل گشتاور 168

2-6-3- کنترل با راهبرد بیشینه گشتاور به ازای ولتاژ 170

3-6-3- کنترل ضریب توان واحد 172

4-6-3- گذار بین حالت‌های کنترلی شار 173

5-6-3- اشباع کنترل‌کننده‌های جریان 176

7-3- کنترل برداری در قاب مرجع شار استاتور 178

1-7-3- کنترل برداری در قاب مرجع شار استاتور با کنترل‌کننده‌های جریان فاز 180

2-7-3- کنترل برداری در قاب مرجع شار استاتور با کنترل‌کننده‌های جریان x-y 182

3-7-3- کنترل با راهبرد بیشینه گشتاور به ازای هر آمپر در قاب مرجع x-y 184

4-7-3- کنترل با راهبرد بیشینه گشتاور به ازای ولتاژ در قاب مرجع x-y 185

5-7-3- کنترل ضریب توان واحد در قاب مرجع x-y 185

8-3- کنترل برداری در مختصات قطبی 186

1-8-3- سیستم کنترلی پایه در مختصات قطبی 187

2-8-3- کنترل با راهبرد بیشینه گشتاور به ازای هر آمپر در مختصات قطبی 189

3-8-3- کنترل با ضریب توان واحد در مختصات قطبی 190

9-3- کنترل با راهبرد کمینه‌سازی تلفات 191

1-9-3- روش‌های کاهش تلفات 192

2-9-3- مدل‌سازی تلفات الکتریکی 193

3-9-3- کنترل با راهبرد کمینه‌سازی تلفات به روش برون‌خط 197

4-9-3- ترکیب راهبردهای کنترلی کمینه‌سازی تلفات و بیشینه گشتاور به ازای هر آمپر 198

5-9-3- کنترل با راهبرد کمینه‌سازی تلفات به روش برخط 202

6-9-3- کنترل با راهبرد کمینه‌سازی تلفات به روش برخط پیوسته 206

10-3- خلاصه 211

مسائل 212

مراجع 213

فصل 4: کنترل مستقیم گشتاور 221

1-4- مبانی کنترل مستقیم گشتاور 223

1-1-4- رابطه تغییرات جزئی

ی گشتاور با تغییرات جزئی زاویه گشتاور 224

2-1-4- هم راستاسازی بردار تغییرات جزئی شار پیوندی با بردار فضایی ولتاژ 226

3-1-4- بردارهای فضایی ولتاژ اینورتر 228

4-1-4- قانون طلایی کنترل مستقیم گشتاور 229

5-1-4- محدودسازی تغییرات اندازه شار پیوندی 231

2-4- سیستم کنترل مستقیم گشتاور پایه 232

1-2-4- کنترل‌کننده‌های هیسترزیس 233

2-2-4- جدول کلیدزنی 235

3-2-4- تخمین شار پیوندی و گشتاور 236

3-4- محدوده‌های عملکردی و روش‌های اعمال محدودیت‌ها در کنترل مستقیم گشتاور 238

1-3-4- محدودیت جریان 238

2-3-4- محدودیت ولتاژ 239

3-3-4- محدودیت شار پیوندی 240

4-4- کنترل شار در سیستم کنترل مستقیم گشتاور 242

1-4-4- کنترل با راهبرد بیشینه گشتاور به ازای هر آمپر 242

2-4-4- تضعیف شار در سرعت زیاد 245

5-4- کنترل مستقیم گشتاور با کنترل شار جایگزین شده 247

1-5-4- کنترل مستقیم گشتاور با کنترل id 247

2-5-4- کنترل مستقیم گشتاور با کنترل گشتاور راکتیو 248

6-4- کنترل مستقیم گشتاور با SVM 250

1-6-4- SVM-DTC با کنترل حلقه بسته گشتاور در قاب مرجع ساکن 250

2-6-4- SVM-DTC با کنترل حلقه بسته گشتاور و شار در قاب مرجع شار استاتور 253

3-6-4- SVM-DTC بهینه 254

1-3-6-4- تغییرات گشتاور با شار پیوندی 254

2-3-6-4- انتخاب بردار ولتاژ بهینه 256

3-3-6-4- استفاده از SVM برای اعمال ولتاژ بهینه به موتور 258

4-3-6-4- بلوک دیاگرام سیستم 259

5-3-6-4- ارزیابی عملکرد 260

7-4- کنترل مستقیم گشتاور با راهبرد کمینه‌سازی تلفات 261

1-7-4- کنترل مستقیم گشتاور با راهبرد کمینه‌سازی تلفات برون‌خط 263

2-7-4- کنترل مستقیم گشتاور با راهبرد کمینه‌سازی تلفات با جستجوی مدل 270

1-2-7-4- محاسبه تلفات 270

2-2-7-4- راهبرد کمینه‌سازی تلفات 272

3-2-7-4- سیستم کنترلی 274

4-2-7-4- دوره نمونه‌برداری 276

5-2-7-4- عملکرد موتور 276

8-4- مقایسه کنترل مستقیم گشتاور با کنترل برداری 282

9-4- خلاصه 285

مسائل 286

مراجع 288

فصل 5: کنترل‌های پیش‌بین، تک ضربه و ترکیبی 293

1-5- کنترل پیش‌بین 296

1-1-5- اصول کنترل پیش‌بین مدل محور 297

2-1-5- کنترل پیش‌بین جریان موتورهای سنکرون آهنربای دائم 300

3-1-5- کنترل پیش‌بین گشتاور و شار موتورهای سنکرون آهنربای دائم 302

2-5- کنترل تک ضربه (Deadbeat) 305

1-2-5- اصول پایه‌ای کنترل تک ضربه 306

2-2-5- کنترل تک ضربه گشتاور و شار پیوندی 307

3-5- کنترل ترکیبی 312

1-3-5- مبنای مشترک کنترل ترکیبی 313

2-3-5- کنترل ترکیبی موتورهای PMSM 318

4-5- خلاصه 322

مسائل 323

مراجع 324

فصل 6: تخمین موقعیت و سرعت روتور 331

1-6- روش‌های تخمین موقعیت روتور 334

2-6- روش بر پایه BEMF 338

1-2-6- شیوه مبتنی بر قاب مرجع ساکن دومحوری 339

2-2-6- شیوه مبتنی بر متغیرهای ماشین 340

3-6- روش بر پایه شار پیوندی 341

1-3-6- شیوه مبتنی بر انتگرال‌گیری 341

2-3-6- شیوه مبتنی بر فیلتر پایین گذر 342

3-3-6- شیوه مبتنی بر تخمین سرعت شار پیوندی 343

4-3-6- شیوه مبتنی بر تخمین زاویه گشتاور 344

4-6- روش قاب مرجع فرضی 345

1-4-6- شیوه مبتنی بر ولتاژ 346

2-4-6- شیوه مبتنی بر BEMF 348

3-4-6- شیوه مبتنی بر سیگنال پیش‌خور ولتاژ 350

5-6- روش مبتنی بر برجستگی 352

1-5-6- شیوه‌های برون‌خط 353

2-5-6- شیوه مبتنی بر تزریق سیگنال فرکانس زیاد برای موتورهای قطب برجسته 356

3-5-6- شیوه‌ مبتنی بر هارمونیک‌های کلیدزنی اینورتر برای موتورهای قطب برجسته 360

4-5-6- شیوه مبتنی بر تزریق سیگنال با فرکانس زیاد برای موتورهای غیربرجسته 363

6-6- روش حلقه بسته مبتنی بر مشاهده‌گر 368

1-6-6- شیوه مبتنی بر مشاهده‌گر حالت 369

1-1-6-6- اصول 369

2-1-6-6- مدل ماشین 370

3-1-6-6- پیاده‌سازی مشاهده‌گر 371

2-6-6- شیوه مبتنی بر فیلتر کالمن توسعه‌یافته برای موتورهای غیربرجسته 374

1-2-6-6- اصول الگوریتم فیلتر کالمن توسعه‌یافته 375

2-2-6-6- مدل فضای حالت ماشین 377

3-2-6-6- پیاده‌سازی 379

3-6-6- شیوه مبتنی بر فیلتر کالمن توسعه‌یافته برای موتورهای قطب برجسته 381

7-6- خلاصه 384

مسائل 385

مراجع 386

فصل 7: تخمین پارامتر 393

1-7- پارامترهای موتور و روش‌های تخمین 395

1-1-7- تغییرات پارامترها 396

2-1-7- روش‌های تخمین پارامتر 402

2-7- روش تخمین پارامتر برون‌خط 403

1-2-7- آزمایش DC در حالت سکون موتور برای اندازه‌گیری Rs 403

2-2-7- آزمایش AC در حالت سکون موتور برای اندازه‌گیری اندوکتانس‌ها 404

3-2-7- اندازه‌گیری Rc، Ld و mλ با آزمایش بی‌باری 406

4-2-7- اندازه‌گیری Lq و λm از طریق آزمایش موتور تحت بار 407

5-2-7- تعیین  Lq، Ld و λm بدون استفاده از موقعیت روتور 408

6-2-7- محاسبه Rc بدون اندازه‌گیری تلفات مکانیکی 411

7-2-7- محاسبه اندوکتانس موتور تحت کنترل برداری 413

3-7- تخمین پارامتر به روش برخ