随着科学技术的不断发展，对永磁无刷直流电机调速系统转速和转矩的性能要求越来越高。各种传统的控制方法也伴随着科学发展和技术进步不断更新，许多经典的控制方法在新技术硬件平台上获得了比以往更优良的性能。特别是数字信号处理器和可编程逻辑器件的出现，极大地推动了永磁无刷直流电机控制技术不断向集成化、智能化方向发展。
《永磁无刷直流电机控制技术与应用 第2版》探讨了永磁无刷直流电机及其控制技术的最新进展和应用。主要着眼于电机结构、原理、高效率控制方法、电子电路设计、高精度转速控制、无位置传感器控制、换相误差校正、转矩脉动抑制和磁悬浮储能飞轮应用等关键领域。通过深入介绍、分析和实际案例展示，旨在帮助读者深刻理解永磁无刷直流电机技术，满足不断增长的高性能需求。
《永磁无刷直流电机控制技术与应用 第2版》既适用于电机控制系统的设计和研发人员，又可作为工程技术人员的技术参考书和高校电气工程、自动化等相关专业研究生的参考书。

1.永磁无刷直流电机的应用十分广泛，几乎遍及航空航天、计算机、军事、汽车、工业和家用电器等各个领域，例如用于现在大火的新能源汽车领域。
2.本书是刘刚教授领衔的北京航空航天大学研究团队多年研究成果的结晶，聚焦永磁无刷直流电机的设计及控制理论和工程实践。
3.本书详细介绍了永磁无刷直流电机及其控制技术的新进展和应用，通过深入介绍、分析和实际案例展示，帮助读者深刻理解永磁无刷直流电机技术。

第2版前言

《永磁无刷直流电机控制技术与应用 第2版》是有关永磁无刷直流电机设计及控制理论和工程实践的一本专著，自2008年第1版出版以来，受到国内外学者和工程技术人员的广泛关注。由于电子技术、计算机技术、传感器技术、电力电子技术、现代控制理论和新型永磁材料的发展，永磁无刷直流电机及其控制技术已有突破性进展。永磁无刷直流电机因其调速性能好、控制方法灵活多变、效率高、起动转矩大、运行寿命长等诸多优点，日趋广泛地应用于航空航天、计算机、军事、汽车、工业和家用电器等领域。
《永磁无刷直流电机控制技术与应用 第2版》共10章。第1章概括地介绍了永磁无刷直流电机的结构、原理、调速性能、控制方法以及在磁悬浮飞轮中的应用；第2章建立了永磁无刷直流电机系统模型，以验证各种先进的电机控制方法的应用效果；第3章系统地介绍了永磁无刷直流电机的电子电路，这部分内容是作者十几年来从事永磁无刷直流电机控制系统研制工作的总结；第4章对转矩脉动进行了分析，介绍了各种抑制转矩脉动的方法，同时针对高速永磁无刷直流电机的低功耗驱动问题，提出了降低电机铁耗的控制方法；第5章针对高精度转速控制问题，介绍了锁相环速度控制的原理，给出了专用锁相环控制器及模拟锁相环控制器的实现过程，以陀螺高速电机为对象分析了稳速效果；第6章阐述了常用永磁无刷直流电机无位置传感器的检测原理，介绍了基于无位置传感器永磁无刷直流电机专用控制芯片的控制系统，以小电枢电感永磁无刷直流电机验证了无位置传感器的控制效果；第7章介绍了永磁无刷直流电机换相误差校正技术，这部分内容是作者研究团队近期最新研究成果的总结；第8章针对永磁无刷直流电机伺服系统的高精度控制，介绍了系统的硬件设计、软件设计及低速转矩脉动的抑制技术，给出了相关的试验测试及结果分析；第9章以高速磁悬浮飞轮用永磁无刷直流电机为例，介绍了永磁无刷直流电机的能量转换方法、飞轮的储能原理及基本组成，设计了电机发电运行状态下的硬件、软件及控制算法；第10章同样以高速磁悬浮飞轮用永磁无刷直流电机为例，介绍了永磁无刷直流电机电磁场的分析和计算方法。
《永磁无刷直流电机控制技术与应用 第2版》在第1版的基础上进行了修订，主要体现在：①添加了第7章永磁无刷直流电机换相误差校正；②对有关内容进行了适当的增加和删减，以符合永磁无刷直流电机最新的研究动态；③对参考文献进行了修订，增加了最新的、最有价值的参考文献供读者学习。
《永磁无刷直流电机控制技术与应用 第2版》是作者研究团队多年研究成果的结晶，本次出版中特别感谢金浩博士、陈曦博士、陈少华博士、崔臣君博士为本书提供了大量素材。需要说明的是，为了保证部分仿真图及元器件型号与实际效果一致，书中部分图形和文字符号并未按国家标准做统一处理，请广大读者注意。作者感谢北京航空航天大学在科研工作中给予的支持和帮助，感谢机械工业出版社在本书出版过程中给予的大力支持。最后，感谢在本书撰写过程中所有给予关心、帮助和支持的人们！
因作者水平有限，书中难免有错漏之处，恳请广大读者批评指正。


作者

2024年9月


第1版前言
在国外，从20世纪70年代末，特别是80年代初以来，由于电子技术、计算机技术、传感器技术、电力电子技术、现代控制理论和新型永磁材料的发展，永磁无刷直流电机及其控制技术已有突破性进展。近20年来，永磁无刷直流电机因其调速性能好、控制方法灵活多变、效率高、起动转矩大、运行寿命长等诸多优点，日趋广泛地应用于航空航天、计算机、军事、汽车、工业和家用电器等领域。
随着科学技术的不断发展，对永磁无刷直流电机调速系统性能要求越来越高，一种趋势是电机转速越来越高，从几千转提高到几万转，甚至几十万转，并且要求在高转速下还具有较高的转速控制精度，同时永磁无刷直流电机的高速转矩脉动抑制，成为与抑制其低速转矩脉动同等重要的问题。各种传统的控制方法也伴随着科学的发展和技术的进步不断更新，许多经典的控制方法在新技术硬件平台上获得了比以往更优良的性能。特别是数字信号处理器和可编程逻辑器件的广泛应用，极大地推动了永磁无刷直流电机控制技术的发展，使得控制平台更加趋于集成化、智能化。
《永磁无刷直流电机控制技术与应用》共9章。第1章概括地介绍了永磁无刷直流电机的结构、原理、调速性能、控制方法以及在磁悬浮飞轮中的应用；第2章建立了永磁无刷直流电机系统模型，以验证各种先进的电机控制方法的应用效果；第3章系统地介绍了永磁无刷直流电机的电子电路，这部分内容是作者十几年来从事永磁无刷直流电机控制系统研制工作的总结；第4章对转矩脉动进行了分析，介绍了各种抑制转矩脉动的方法，同时针对高速永磁无刷直流电机的低功耗驱动问题，提出了降低电机铁耗的控制方法；第5章介绍了基于锁相环的高精度转速控制方法；第6章介绍了小电枢电感永磁无刷直流电机的无位置传感器控制方法；第7章针对永磁无刷直流电机伺服系统，介绍了高性能数字控制方法；第8章介绍了永磁无刷直流电机在磁悬浮储能飞轮中的应用；第9章，以高速磁悬浮飞轮用永磁无刷直流电机为例，介绍了永磁无刷直流电机电磁场的分析和计算方法。
《永磁无刷直流电机控制技术与应用》第1章和第9章由房建成编写，第3章和第5章由王志强编写，其余章节由刘刚编写，全书由刘刚统稿。本书是作者及其课题组多年研究成果的结晶，除作者外，山东大学徐衍亮教授，北京航空航天大学郦吉臣教授、常庆之教授、赵建辉教授、李红副教授、韩邦成副教授、魏彤博士、张亮博士，以及博士生樊亚洪、田希晖、孙津济，硕士生马会来、刘庆福、周勇、张利、姚嘉、夏旎、夏蕾、李建科、贾军、杨春帆、刘平等都先后参加了相关课题的研究工作。东北大学刘宗富教授和韩安荣教授审阅了本书。
另外，特别感谢周新秀、朱娜和刘建章为《永磁无刷直流电机控制技术与应用》做出的工作。
需要说明的是，为了保证部分仿真图及元器件型号与实际效果一致，书中部分图形和文字符号并未按国家标准做统一处理，这点请广大读者注意。
作者感谢国家“863”计划办公室、国防科工委民用航天预研项目管理办公室、总装备部预研项目管理办公室以及北京航空航天大学在科研工作中给予的支持和帮助，感谢机械工业出版社在本书出版过程中给予的大力支持。最后，感谢在《永磁无刷直流电机控制技术与应用》撰写过程中所有给予关心、帮助和支持的人们!
因作者水平有限，书中难免有错漏之处，恳请广大同行、读者批评指正。

作者
2008年2月

刘刚，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院教授、博士生导师。长期从事磁悬浮惯性执行机构、高速磁悬浮电机及应用和超高灵敏原子磁场测量研究，攻克了多项技术难题，取得了具有国际先进水平的创新性研究成果。2007年获国家技术发明一等奖（排名第2），2008年入选新世纪优秀人才计划，2010年获第十一届“中国青年科技奖”，2016年获国防技术发明一等奖（排名第一）和技术发明一等奖（排名第一），2017年获国家技术发明二等奖（排名第一）。2016年当选“长江学者”特聘教授。获授权国家发明专利45项，发表论文60余篇，出版专著一部。

第2版前言
第1版前言
第1章 绪论1
1.1无刷直流电机的特点1
1.2无刷直流电机的结构和工作原理2
1.2.1无刷直流电机的结构3
1.2.2无刷直流电机的原理5
1.2.3转子位置传感器8
1.3无刷直流电机的运行特性14
1.4无刷直流电机的正反转16
1.5永磁无刷直流电机的设计19
1.6永磁无刷直流电机的控制20
1.7高速永磁无刷直流电机在磁悬浮飞轮中的应用22
参考文献29
第2章 永磁无刷直流电机的数学模型及仿真研究31
2.1永磁无刷直流电机的数学模型31
2.2永磁无刷直流电机的Simulink仿真34
2.2.1无刷直流电机模块36
2.2.2三相逆变桥模块42
2.2.3逻辑换相模块42
2.2.4控制模块43
2.3仿真结果44
2.4永磁无刷直流电机模糊逻辑控制系统仿真46
2.4.1电机转速的模糊逻辑控制器设计方法46
2.4.2制作模糊控制响应表49
2.4.3模糊逻辑推理系统的仿真研究54
2.5本章小结62
参考文献62
第3章 永磁无刷直流电机的电子电路65
3.1永磁无刷直流电机的功率放大电路65
3.1.1功率晶体管放大电路设计65
3.1.2功率MOSFET驱动电路设计67
3.2永磁无刷直流电机控制专用集成电路72
3.2.1MC33035引脚功能和主要参数介绍74
3.2.2MC33035换相控制技术75
3.2.3MC33035的过电流保护电路77
3.2.4MC33035的驱动输出电路78
3.2.5基于MC33035的永磁无刷直流电机控制系统设计79
3.3永磁无刷直流电机数字控制电路81
3.3.1基于TMS320LF2407A DSP的控制电路81
3.3.2基于TMS320F2812 DSP的控制电路90
3.3.3基于FPGA的永磁无刷直流电机控制电路94
3.4本章小结100
参考文献100
第4章 永磁无刷直流电机转矩脉动和铁耗抑制102
4.1永磁无刷直流电机的转矩脉动102
4.1.1永磁无刷直流电机的换相转矩脉动分析102
4.1.2永磁无刷直流电机的转矩脉动抑制方法104
4.2永磁无刷直流电机的铁耗分析108
4.3永磁无刷直流电机变压控制系统110
4.3.1变压控制原理110
4.3.2控制系统组成111
4.3.3实验结果及分析114
4.4永磁无刷直流电机双极性控制系统117
4.4.1双极性控制原理117
4.4.2控制系统组成119
4.4.3实验结果及分析120
4.5 Buck变换器电机控制系统122
4.5.1 Buck变换器电机控制系统设计与仿真126
4.5.2 Buck变换器的电机数字控制系统设计128
4.5.3基于Buck变换器的高速电机试验130
4.5.4Buck变换器软开关电路分析与设计131
4.6本章小结135
参考文献135
第5章 永磁无刷直流电机锁相环速度控制技术139
5.1锁相环速度控制原理140
5.1.1电机锁相转速控制系统的鉴相器140
5.1.2电机的转矩控制142
5.2电机专用锁相环控制器142
5.2.1TC9242的引脚功能和主要参数介绍143
5.2.2TC9242的工作原理144
5.3模拟电路锁相环速度控制系统145
5.3.1基于电流环和锁相环的电机双模速度控制系统147
5.3.2无刷直流电机恒流驱动研究148
5.3.3高转速电机稳速控制器设计148
5.3.4模块间自动切换电路的实现151
5.4永磁无刷直流电机锁相试验 154
5.4.1永磁无刷直流电机升降速试验154
5.4.2永磁无刷直流电机锁相稳速试验155
5.5快速锁相稳速控制157
5.5.1电流环158
5.5.2快速锁相环电路159
5.5.3锁相稳速切换电路161
5.6无位置传感器永磁无刷直流电机锁相环速度控制系统162
5.7软件锁相环速度控制参数优化设计163
5.8本章小结168
参考文献168
第6章永磁无刷直流电机无位置传感器控制171
6.1常用无位置传感器检测原理171
6.1.1反电动势过零点的检测方法171
6.1.2反电动势3次谐波检测方法172
6.1.3阈值比较检测方法175
6.2 TDA5142T无位置传感器永磁无刷直流电机专用控制器176
6.2.1 TDA5142T的调速原理176
6.2.2 TDA5142T的换相技术177
6.2.3 TDA5142T的起动技术178
6.2.4 TDA5142T电机速度控制电路179
6.2.5实验结果179
6.3 ML4425无位置传感器永磁无刷直流电机专用控制器 181
6.3.1控制器的选用181
6.3.2 ML4425引脚功能181
6.3.3 ML4425关键技术分析184
6.3.4 ML4425外围电路的参数选取187
6.3.5 ML4425应用于高速电机的起动技术193
6.4永磁无刷直流电机无位置传感器DSP控制系统200
6.4.1小电枢电感永磁无刷直流电机无位置传感器控制方法200
6.4.2无位置传感器检测硬件系统的实现202
6.4.3无位置传感器控制系统软件设计212
6.4.4实验结果与结论215
6.5本章小结217
参考文献218
第7章 永磁无刷直流电机换相误差校正220
7.1换相误差校正方法分类220
7.1.1换相误差开环校正方法220
7.1.2换相误差闭环校正方法222
7.2换相误差分析223
7.2.1过零点检测引起的换相误差223
7.2.2反电动势非对称引起的换相误差225
7.3基于电流积分偏差的对称反电动势电机的换相误差校正230
7.3.1准确换相时的电流特性分析230
7.3.2超前换相时的电流特性分析234
7.3.3滞后换相时的电流特性分析235
7.3.4换相误差闭环校正方法235
7.4基于电压积分偏差的对称反电动势电机的换相误差校正237
7.4.1准确换相时的虚拟中性点电压分析237
7.4.2超前换相时的虚拟中性点电压分析239
7.4.3滞后换相时的虚拟中性点电压分析241
7.4.4基于虚拟中性点电压积分差值的换相误差闭环校正方法242
7.5基于电流偏差的