2018年第45卷第8期文章目次
2018, 45(8):1-7.
摘要:
设计了一种表贴式永磁直线同步电机无传感器控制算法。为克服低速运行时定子反电势过低不易观测的弊端,在静止坐标系下建立了定子电压的积分数学模型,将反电势观测项解耦为幅值固定易测的积分项。由于观测噪声的影响,通过传统直接计算法获得的速度信号毛刺现象较为严重,为此算法采用锁相环技术(PLL)对转子的位置和速度信号进行提取。建立PLL的二阶频域数学模型分析其稳态性能,并在输入信号存在相位阶跃、频率阶跃、频率斜升的情况下分别讨论了PLL的动态跟踪能力。仿真结果表明,算法能够实现转子位置、速度的准确观测,所构建的控制系统具有良好的稳定性和可控性。
设计了一种表贴式永磁直线同步电机无传感器控制算法。为克服低速运行时定子反电势过低不易观测的弊端,在静止坐标系下建立了定子电压的积分数学模型,将反电势观测项解耦为幅值固定易测的积分项。由于观测噪声的影响,通过传统直接计算法获得的速度信号毛刺现象较为严重,为此算法采用锁相环技术(PLL)对转子的位置和速度信号进行提取。建立PLL的二阶频域数学模型分析其稳态性能,并在输入信号存在相位阶跃、频率阶跃、频率斜升的情况下分别讨论了PLL的动态跟踪能力。仿真结果表明,算法能够实现转子位置、速度的准确观测,所构建的控制系统具有良好的稳定性和可控性。
2018, 45(8):8-14.
摘要:
为了提高永磁同步电机(PMSM)伺服系统的可靠性,提出了一种基于多并联支路的双余度PMSM伺服系统。阐述了其基本的冗余设计原理和控制驱动原理。依据电机的具体结构和控制驱动方式,建立了基于多并联支路的双余度PMSM的数学模型及其控制系统模型,包括磁链平衡方程、电压平衡方程、转矩方程、机械运动方程和电流控制系统框图及其稳定性分析。并依据建立的模型,基于MATLAB/Simulink仿真其发生故障时的工作状态,得到整个伺服系统的响应数据,从理论上验证了该伺服系统的容错性能。
为了提高永磁同步电机(PMSM)伺服系统的可靠性,提出了一种基于多并联支路的双余度PMSM伺服系统。阐述了其基本的冗余设计原理和控制驱动原理。依据电机的具体结构和控制驱动方式,建立了基于多并联支路的双余度PMSM的数学模型及其控制系统模型,包括磁链平衡方程、电压平衡方程、转矩方程、机械运动方程和电流控制系统框图及其稳定性分析。并依据建立的模型,基于MATLAB/Simulink仿真其发生故障时的工作状态,得到整个伺服系统的响应数据,从理论上验证了该伺服系统的容错性能。
2018, 45(8):15-18, 62.
摘要:
针对外界干扰导致永磁同步电机(PMSM)固有参数发生变化的问题,将新型的智能控制理论引入到PMSM控制系统中,提出了一种新颖的带有积分环节的反步自适应法的控制方法。该控制器能够利用交轴电流动态抑制或消除参数的变化对系统的影响,基于Lyapunov稳定性原理设计被控系统的控制律和自适应律,并引入积分环节,增强被控系统的稳定性,缩短速度响应的时间。仿真试验证明,该控制器能够有效地抑制电机固有参数的变化对被控系统的影响,保证了系统的强鲁棒性和动静态性能。
针对外界干扰导致永磁同步电机(PMSM)固有参数发生变化的问题,将新型的智能控制理论引入到PMSM控制系统中,提出了一种新颖的带有积分环节的反步自适应法的控制方法。该控制器能够利用交轴电流动态抑制或消除参数的变化对系统的影响,基于Lyapunov稳定性原理设计被控系统的控制律和自适应律,并引入积分环节,增强被控系统的稳定性,缩短速度响应的时间。仿真试验证明,该控制器能够有效地抑制电机固有参数的变化对被控系统的影响,保证了系统的强鲁棒性和动静态性能。
2018, 45(8):19-23, 85.
摘要:
提出了一种改进的基于霍尔元件的永磁同步电机转子位置估计方法。利用牛顿插值法对霍尔元件提供的离散位置点进行曲线拟合,对位置信息进行预测、插值,从而估算出电机转子的实时位置信息。改进后的方法可以消除转子位置估算的阶跃现象,提供稳定可靠的转子位置信息,提高了闭环系统的稳定性。在Plecs仿真平台中对该算法进行了仿真验证,与传统转子位置估算方法进行了对比,仿真结果验证了该方法的有效性。
提出了一种改进的基于霍尔元件的永磁同步电机转子位置估计方法。利用牛顿插值法对霍尔元件提供的离散位置点进行曲线拟合,对位置信息进行预测、插值,从而估算出电机转子的实时位置信息。改进后的方法可以消除转子位置估算的阶跃现象,提供稳定可靠的转子位置信息,提高了闭环系统的稳定性。在Plecs仿真平台中对该算法进行了仿真验证,与传统转子位置估算方法进行了对比,仿真结果验证了该方法的有效性。
2018, 45(8):24-32, 55.
摘要:
为了提高逆变器并联驱动永磁同步电机(PMSM)系统的运行可靠性,基于对比研究方式设计了两种逆变器并联驱动PMSM的容错控制方案,分别为正常通路电流补偿方案和等效电流补偿方案。两种容错控制方案均不同于传统方案,后者将故障逆变器整体隔离,前者则充分利用了所有逆变器非故障桥臂,以降低故障条件下的铜耗,并输出平稳转矩。此外,两种新型容错控制方案均结合了比例谐振电流控制器以实现对不对称参考电流的跟踪,避免了并联逆变器之间可能出现的环流。最后,通过PMSM并联驱动系统的容错控制试验,验证了新型容错控制策略的效果。
为了提高逆变器并联驱动永磁同步电机(PMSM)系统的运行可靠性,基于对比研究方式设计了两种逆变器并联驱动PMSM的容错控制方案,分别为正常通路电流补偿方案和等效电流补偿方案。两种容错控制方案均不同于传统方案,后者将故障逆变器整体隔离,前者则充分利用了所有逆变器非故障桥臂,以降低故障条件下的铜耗,并输出平稳转矩。此外,两种新型容错控制方案均结合了比例谐振电流控制器以实现对不对称参考电流的跟踪,避免了并联逆变器之间可能出现的环流。最后,通过PMSM并联驱动系统的容错控制试验,验证了新型容错控制策略的效果。
2018, 45(8):33-38.
摘要:
对转永磁同步电机(Antirotary PMSM)在采用矢量控制时,可等效为2个相同的电机串联,在同一个空间坐标系中控制。当负载突变时,两侧转子转速发生变化,由于PI调节速度较慢,两侧转子易发生失步现象,系统将不可控。为解决(Antirotary PMSM)的失步问题,选取对转电机在旋转坐标系下的d轴电流增量和q轴电流增量为状态变量,研究了适用于对转电机的模型预测控制,提出了对转电机的模型预测电流控制算法。该控制方法动态响应快,而且可以有效避免超调,具有良好的控制性能。仿真结果表明,模型预测控制比传统的PI调节器动态响应快,可以有效解决对转电机的失步问题。
对转永磁同步电机(Antirotary PMSM)在采用矢量控制时,可等效为2个相同的电机串联,在同一个空间坐标系中控制。当负载突变时,两侧转子转速发生变化,由于PI调节速度较慢,两侧转子易发生失步现象,系统将不可控。为解决(Antirotary PMSM)的失步问题,选取对转电机在旋转坐标系下的d轴电流增量和q轴电流增量为状态变量,研究了适用于对转电机的模型预测控制,提出了对转电机的模型预测电流控制算法。该控制方法动态响应快,而且可以有效避免超调,具有良好的控制性能。仿真结果表明,模型预测控制比传统的PI调节器动态响应快,可以有效解决对转电机的失步问题。
2018, 45(8):39-44.
摘要:
基于磁耦合谐振式无线电能传输对电励磁同步电机(EESM)进行研究。针对EESM电刷集电环结构不可靠及需要维护的缺点,探索采用谐振式无线电能传输方式为转子提供励磁电能。通过对EESM建模、转子磁场定向控制方法的讨论,建立EESM控制系统模型。进行样机试验,对EESM磁耦合谐振式无线励磁方法及转子磁场定向控制进行了初步验证。
基于磁耦合谐振式无线电能传输对电励磁同步电机(EESM)进行研究。针对EESM电刷集电环结构不可靠及需要维护的缺点,探索采用谐振式无线电能传输方式为转子提供励磁电能。通过对EESM建模、转子磁场定向控制方法的讨论,建立EESM控制系统模型。进行样机试验,对EESM磁耦合谐振式无线励磁方法及转子磁场定向控制进行了初步验证。
2018, 45(8):45-49, 67.
摘要:
介绍了一种适用于在恶劣温度、力学环境条件下使用,具有高可靠性的锁销式锁制器的设计。简介了锁制器的工作原理和结构。针对实际使用中出现的故障,采取了相应的改进设计措施并通过试验验证,并重点介绍了锁销式锁制器的设计要点和细节,以供类似结构锁制器设计参考借鉴。
介绍了一种适用于在恶劣温度、力学环境条件下使用,具有高可靠性的锁销式锁制器的设计。简介了锁制器的工作原理和结构。针对实际使用中出现的故障,采取了相应的改进设计措施并通过试验验证,并重点介绍了锁销式锁制器的设计要点和细节,以供类似结构锁制器设计参考借鉴。
2018, 45(8):50-55.
摘要:
为准确而快速地计算与评估电机的性能,以I型转子结构永磁电机为例,提出了一种计及多因素影响的空载气隙磁密的解析计算法,并用有限元进行了仿真验证。分析了永磁体尺寸、隔磁桥高度和极弧系数等参数对气隙磁密的影响规律,为优化电机方案提供了思路。
为准确而快速地计算与评估电机的性能,以I型转子结构永磁电机为例,提出了一种计及多因素影响的空载气隙磁密的解析计算法,并用有限元进行了仿真验证。分析了永磁体尺寸、隔磁桥高度和极弧系数等参数对气隙磁密的影响规律,为优化电机方案提供了思路。
2018, 45(8):56-62.
摘要:
永磁行星齿轮和同轴永磁齿轮是两类具有不同拓扑结构和运行原理的磁力齿轮,采用定量设计比较法设计了具有相同有效体积和永磁体用量的上述两类磁齿轮,并通过有限元分析法对二者的转矩传递性能进行比较研究。研究结果表明,永磁行星齿轮较同轴永磁齿轮有更高的转矩密度和更低的转矩脉动。此外,由于永磁行星齿轮具有更加灵活的运行模式,并且能实现功率分流,使其在混合动力汽车领域有很好的应用前景。加工了一台永磁行星齿轮样机,并搭建试验平台进行了相关的试验,结果表明了该拓扑结构的有效性。
永磁行星齿轮和同轴永磁齿轮是两类具有不同拓扑结构和运行原理的磁力齿轮,采用定量设计比较法设计了具有相同有效体积和永磁体用量的上述两类磁齿轮,并通过有限元分析法对二者的转矩传递性能进行比较研究。研究结果表明,永磁行星齿轮较同轴永磁齿轮有更高的转矩密度和更低的转矩脉动。此外,由于永磁行星齿轮具有更加灵活的运行模式,并且能实现功率分流,使其在混合动力汽车领域有很好的应用前景。加工了一台永磁行星齿轮样机,并搭建试验平台进行了相关的试验,结果表明了该拓扑结构的有效性。
2018, 45(8):63-67.
摘要:
直线永磁开关磁链电机(LFSPM)适合长次级直线驱动场合,这是由于永磁体和电枢绕组都在短初级,而长次级结构简单可靠性高。很多应用场合都要求电机具有高推力,但往往也需要低的推力脉动。为此,对1台双边C型铁心的直线永磁开关磁链电机(DSLFSPM-C)进行研究和改进。利用有限元软件先对电机进行推力优化,然后为了在不影响平均推力的情况下有效地减小推力脉动,分别利用次级错齿和端部永磁体两种结构对电机进行了改进。分析结果表明,改进后的DSLFSPMC具有相对较低的法向力、高的推力输出以及较低的推力脉动。
直线永磁开关磁链电机(LFSPM)适合长次级直线驱动场合,这是由于永磁体和电枢绕组都在短初级,而长次级结构简单可靠性高。很多应用场合都要求电机具有高推力,但往往也需要低的推力脉动。为此,对1台双边C型铁心的直线永磁开关磁链电机(DSLFSPM-C)进行研究和改进。利用有限元软件先对电机进行推力优化,然后为了在不影响平均推力的情况下有效地减小推力脉动,分别利用次级错齿和端部永磁体两种结构对电机进行了改进。分析结果表明,改进后的DSLFSPMC具有相对较低的法向力、高的推力输出以及较低的推力脉动。
2018, 45(8):68-73.
摘要:
提出了一种带有导磁桥的双定子混合励磁磁通切换(DSHEFS)电机。通过建立混合励磁电机数学模型,分析了混合励磁电机的优势所在；并通过建立等效磁路模型,总结了具有或不具有导磁桥的两种DSHEFS电机特性。基于二维有限元分析,对DSHEFS的电磁性能进行了评估,结果表明,其不仅具有优异的磁场调节能力,而且还具有更高的输出转矩。
提出了一种带有导磁桥的双定子混合励磁磁通切换(DSHEFS)电机。通过建立混合励磁电机数学模型,分析了混合励磁电机的优势所在；并通过建立等效磁路模型,总结了具有或不具有导磁桥的两种DSHEFS电机特性。基于二维有限元分析,对DSHEFS的电磁性能进行了评估,结果表明,其不仅具有优异的磁场调节能力,而且还具有更高的输出转矩。
2018, 45(8):74-79.
摘要:
采用解析法推导出表贴式永磁同步电机径向电磁波的解析表达式,在此基础上求取了径向电磁力波分量的幅值、阶次和频率。分析了径向气隙磁密谐波对径向电磁力波的影响,提出了运用3p阶气隙磁密谐波削弱二倍频径向电磁力波,进而降低电机振动噪声的方法。建立有限元仿真模型对所提出的方法进行验证,证明了所提方法的正确性。
采用解析法推导出表贴式永磁同步电机径向电磁波的解析表达式,在此基础上求取了径向电磁力波分量的幅值、阶次和频率。分析了径向气隙磁密谐波对径向电磁力波的影响,提出了运用3p阶气隙磁密谐波削弱二倍频径向电磁力波,进而降低电机振动噪声的方法。建立有限元仿真模型对所提出的方法进行验证,证明了所提方法的正确性。
2018, 45(8):80-85.
摘要:
基于12槽/10极磁通切换永磁电机(FSPMM)提出了定子切边齿、转子U型槽齿、转子凸缘齿3种新型齿形,以有效减小FSPMM电机的齿槽转矩和转矩波动。通过2D有限元法从平均转矩、齿槽转矩、转矩波动等方面对不同新型齿形的FSPMM的性能进行了全面的分析和评估。结果验证了所提出的3种新型齿形状,特别是转子U型槽齿和凸缘齿可以减小齿槽转矩和转矩波动,平均转矩只有轻微的减小。
基于12槽/10极磁通切换永磁电机(FSPMM)提出了定子切边齿、转子U型槽齿、转子凸缘齿3种新型齿形,以有效减小FSPMM电机的齿槽转矩和转矩波动。通过2D有限元法从平均转矩、齿槽转矩、转矩波动等方面对不同新型齿形的FSPMM的性能进行了全面的分析和评估。结果验证了所提出的3种新型齿形状,特别是转子U型槽齿和凸缘齿可以减小齿槽转矩和转矩波动,平均转矩只有轻微的减小。
2018, 45(8):86-90.
摘要:
为了解决电动汽车无刷直流轮毂电机控制中普遍存在的调速不精确、转速响应慢和自适应性较差等问题,通过分析轮毂电机调速系统特性,研究其对电动汽车整车性能的影响。依据无刷直流电机(BLDCM)简化数学模型,从速度调节角度分析讨论了控制策略,并以电机转速响应迅速且稳定为控制目标,搭建了基于dSPACE的BLDCM快速控制原型试验平台,深入讨论了转速模糊PI控制策略对整车性能的影响。试验结果表明,模糊PI闭环控制策略能有效改善电机的调速性能,提高无刷直流轮毂电机电动汽车行驶的稳定性。
为了解决电动汽车无刷直流轮毂电机控制中普遍存在的调速不精确、转速响应慢和自适应性较差等问题,通过分析轮毂电机调速系统特性,研究其对电动汽车整车性能的影响。依据无刷直流电机(BLDCM)简化数学模型,从速度调节角度分析讨论了控制策略,并以电机转速响应迅速且稳定为控制目标,搭建了基于dSPACE的BLDCM快速控制原型试验平台,深入讨论了转速模糊PI控制策略对整车性能的影响。试验结果表明,模糊PI闭环控制策略能有效改善电机的调速性能,提高无刷直流轮毂电机电动汽车行驶的稳定性。
2018, 45(8):91-97, 109.
摘要:
针对新能源汽车电机紧凑、轻量化、高功率密度和高可靠性的要求,提出基于热管-风冷系统的新型冷却系统。设计了基于热管-风冷系统的电机结构,建立电机有限元热分析模型并验证其可行性；通过有限元模拟,研究该新型电机在额定功率和峰值功率下的温度场。结果表明:热管-风冷系统能有效地控制电机的温升。与水冷系统相比,无需水泵、节温器、水箱、管路以及其他装置,结构简单、紧凑,有利于实现新能源汽车的轻量化和高功率密度。
针对新能源汽车电机紧凑、轻量化、高功率密度和高可靠性的要求,提出基于热管-风冷系统的新型冷却系统。设计了基于热管-风冷系统的电机结构,建立电机有限元热分析模型并验证其可行性；通过有限元模拟,研究该新型电机在额定功率和峰值功率下的温度场。结果表明:热管-风冷系统能有效地控制电机的温升。与水冷系统相比,无需水泵、节温器、水箱、管路以及其他装置,结构简单、紧凑,有利于实现新能源汽车的轻量化和高功率密度。
2018, 45(8):98-103, 109.
摘要:
在分析直驱永磁同步风力机速度环特性的基础上,推导出机侧脉宽调制(PWM)变流器速度控制环的闭环传递函数。由于该传递函数中存在非原点闭环零点,提出了一种改进的PI控制策略,消除了非原点闭环零点,改善了系统在受扰时的动态特性,提高了并网电流的波形质量,并将其策略应用于网侧PWM变流器的控制。仿真结果表明,改进的PI控制策略能够有效减少机侧和网侧控制系统动态响应时的超调量,加快系统响应速度,提高整个双PWM型直驱永磁同步风电系统并网运行的稳定性。
在分析直驱永磁同步风力机速度环特性的基础上,推导出机侧脉宽调制(PWM)变流器速度控制环的闭环传递函数。由于该传递函数中存在非原点闭环零点,提出了一种改进的PI控制策略,消除了非原点闭环零点,改善了系统在受扰时的动态特性,提高了并网电流的波形质量,并将其策略应用于网侧PWM变流器的控制。仿真结果表明,改进的PI控制策略能够有效减少机侧和网侧控制系统动态响应时的超调量,加快系统响应速度,提高整个双PWM型直驱永磁同步风电系统并网运行的稳定性。
2018, 45(8):104-109.
摘要:
根据风力发电机的风速和输出功率历史数据,对风机输出功率均值与风速的关系进行最小二乘参数辨识,以此为基础求出风机输出功率偏差与风速的关系。采用Python概率分析确定风机输出功率偏差各子集的概率分布类型,估计其特征参数,以求出其概率密度函数,进而对风机输出功率偏差进行概率置信区间预测。基于风机输出功率均值与风速的关系和风机输出功率偏差子集的置信区间估计模型,实现了根据风速预报值对风机输出功率的置信区间进行预测。用实际风机的历史纪录对所提方法进行了测试和验证。结果表明:基于风速将风机输出功率偏差划分成多个子集,可提高风机输出功率概率置信区间预测的精准度。
根据风力发电机的风速和输出功率历史数据,对风机输出功率均值与风速的关系进行最小二乘参数辨识,以此为基础求出风机输出功率偏差与风速的关系。采用Python概率分析确定风机输出功率偏差各子集的概率分布类型,估计其特征参数,以求出其概率密度函数,进而对风机输出功率偏差进行概率置信区间预测。基于风机输出功率均值与风速的关系和风机输出功率偏差子集的置信区间估计模型,实现了根据风速预报值对风机输出功率的置信区间进行预测。用实际风机的历史纪录对所提方法进行了测试和验证。结果表明:基于风速将风机输出功率偏差划分成多个子集,可提高风机输出功率概率置信区间预测的精准度。
2018, 45(8):110-115, 123.
摘要:
讨论了四象限变频器的缺相故障快速检测及相序自适应的方法。通过基于双广义二阶积分的软件锁相环,分别对三相电压正序和负序进行锁相,获得三相电压在两种相序下的幅值。对三相电压各种情况所对应的正序、负序分量进行分析,结合锁相环计算出的正序或负序分量的幅值,分辨出三相电压是否过低或缺相及相序情况。经过MATLAB/Simulink仿真验证,15 ms内即可对缺相故障及相序做出准确分辨,证明所述方法切实可行。
讨论了四象限变频器的缺相故障快速检测及相序自适应的方法。通过基于双广义二阶积分的软件锁相环,分别对三相电压正序和负序进行锁相,获得三相电压在两种相序下的幅值。对三相电压各种情况所对应的正序、负序分量进行分析,结合锁相环计算出的正序或负序分量的幅值,分辨出三相电压是否过低或缺相及相序情况。经过MATLAB/Simulink仿真验证,15 ms内即可对缺相故障及相序做出准确分辨,证明所述方法切实可行。
2018, 45(8):116-123.
摘要:
以三峡700 MW水轮发电机为例,基于传热学和热应力理论,建立转子磁极三维求解模型,并给出相关的基本假设与边界条件,最后采用有限元方法对热应力进行求解,得到在转子绕组匝间短路情况下的磁极热应力分布。在此计算的基础上,进一步研究了短路匝数变化与匝间短路位置变化对磁极热应力的影响。通过计算研究得出了很多有意义的结论,为匝间短路更深层次的研究奠定了基础,也为电机设计者以及相关研究工作提供一定的参考。
以三峡700 MW水轮发电机为例,基于传热学和热应力理论,建立转子磁极三维求解模型,并给出相关的基本假设与边界条件,最后采用有限元方法对热应力进行求解,得到在转子绕组匝间短路情况下的磁极热应力分布。在此计算的基础上,进一步研究了短路匝数变化与匝间短路位置变化对磁极热应力的影响。通过计算研究得出了很多有意义的结论,为匝间短路更深层次的研究奠定了基础,也为电机设计者以及相关研究工作提供一定的参考。
《电机与控制应用》
月刊，1959年创刊
- 主管单位：上海市经济和信息化委员会
- 主办单位：上海电器科学研究所（集团）有限公司
- 刊号：ISSN 1673-6540
- CN 31-1959/TM
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