2019年第46卷第11期文章目次
2019, 46(11):1-6.
摘要:
提出了基于小波神经网络PID的永磁同步电机(PMSM)转速控制策略。根据系统运行参数的变化,采用三层前馈式人工神经网络,基于梯度下降纠正误差法在线训练实时更新PID参数值。采用小波神经网络和增量式PID共同构成转速环控制器。建立PMSM数学模型,设计PMSM速度环控制器,构建S函数,对控制算法进行仿真试验,验证了该控制算法的先进性。试验结果表明,所提控制策略比传统PID转速控制具有更好的动态性能和抗干扰能力。
提出了基于小波神经网络PID的永磁同步电机(PMSM)转速控制策略。根据系统运行参数的变化,采用三层前馈式人工神经网络,基于梯度下降纠正误差法在线训练实时更新PID参数值。采用小波神经网络和增量式PID共同构成转速环控制器。建立PMSM数学模型,设计PMSM速度环控制器,构建S函数,对控制算法进行仿真试验,验证了该控制算法的先进性。试验结果表明,所提控制策略比传统PID转速控制具有更好的动态性能和抗干扰能力。
2019, 46(11):7-12.
摘要:
从工业场合下多电机系统高速运行的实际需求出发,分析了传统多电机控制系统和传统弱磁控制系统的优缺点,针对多电机高速运行时的弱磁特性进行了研究。模型预测控制(MPC)是一种基于被控对象模型的新型控制算法,具有较强的鲁棒性和较好的控制性能。交叉耦合控制是一种在并行控制基础上对每个电机进行相应补偿的控制系统。将MPC应用到多电机控制系统中并对其进行改进使其具有弱磁控制能力；对传统的交叉耦合控制策略进行改进。将二者结合提出了一种基于模型预测的多电机弱磁同步控制策略,并以双电机系统为例。最后,进行了仿真验证,仿真试验结果表明,基于模型预测的多电机弱磁同步控制策略,可获得比传统双电机系统更好的跟随性能和同步性能。
从工业场合下多电机系统高速运行的实际需求出发,分析了传统多电机控制系统和传统弱磁控制系统的优缺点,针对多电机高速运行时的弱磁特性进行了研究。模型预测控制(MPC)是一种基于被控对象模型的新型控制算法,具有较强的鲁棒性和较好的控制性能。交叉耦合控制是一种在并行控制基础上对每个电机进行相应补偿的控制系统。将MPC应用到多电机控制系统中并对其进行改进使其具有弱磁控制能力；对传统的交叉耦合控制策略进行改进。将二者结合提出了一种基于模型预测的多电机弱磁同步控制策略,并以双电机系统为例。最后,进行了仿真验证,仿真试验结果表明,基于模型预测的多电机弱磁同步控制策略,可获得比传统双电机系统更好的跟随性能和同步性能。
2019, 46(11):13-19, 36.
摘要:
设计了基于模糊控制的永磁同步电机(PMSM)直接转矩控制(DTC)系统,采用模糊控制器取代了传统DTC系统中的磁链和转矩滞环比较器及开关表。仿真结果表明:模糊控制PMSM DTC系统运行良好,可实现四象限运行,与传统开关表相比,可有效减小转矩脉动和平均开关频率。研究了转矩误差论域和零电压矢量对模糊控制性能的影响,并基于转矩角对电压矢量作用的影响规律,提出了考虑转矩角的PMSM模糊直接转矩控制。仿真结果表明:在转矩角较大时,考虑转矩角的PMSM模糊DTC系统可有效减小转矩和磁链脉动,改善控制性能。
设计了基于模糊控制的永磁同步电机(PMSM)直接转矩控制(DTC)系统,采用模糊控制器取代了传统DTC系统中的磁链和转矩滞环比较器及开关表。仿真结果表明:模糊控制PMSM DTC系统运行良好,可实现四象限运行,与传统开关表相比,可有效减小转矩脉动和平均开关频率。研究了转矩误差论域和零电压矢量对模糊控制性能的影响,并基于转矩角对电压矢量作用的影响规律,提出了考虑转矩角的PMSM模糊直接转矩控制。仿真结果表明:在转矩角较大时,考虑转矩角的PMSM模糊DTC系统可有效减小转矩和磁链脉动,改善控制性能。
2019, 46(11):20-24, 74.
摘要:
设计了一种永磁同步电机(PMSM)参数扰动和负载扰动的新型控制策略。通常PMSM控制是通过PI控制设计的,控制效果不佳,因此提出一种新型积分滑模控制(SMC)策略进行转速控制器设计。积分SMC具有较强的抗干扰性,不仅可以抑制控制系统的高频微分扰动,而且可以降低系统稳态误差,使控制更精确。设计趋近律函数对滑模控制器进行优化,使SMC参数自适应调节,提高系统响应速度。考虑到系统参数和负载扰动对控制性能的影响,将自抗扰环节引入SMC,提高了系统的抗扰性。最后通过仿真试验验证了控制系统良好的控制性能。
设计了一种永磁同步电机(PMSM)参数扰动和负载扰动的新型控制策略。通常PMSM控制是通过PI控制设计的,控制效果不佳,因此提出一种新型积分滑模控制(SMC)策略进行转速控制器设计。积分SMC具有较强的抗干扰性,不仅可以抑制控制系统的高频微分扰动,而且可以降低系统稳态误差,使控制更精确。设计趋近律函数对滑模控制器进行优化,使SMC参数自适应调节,提高系统响应速度。考虑到系统参数和负载扰动对控制性能的影响,将自抗扰环节引入SMC,提高了系统的抗扰性。最后通过仿真试验验证了控制系统良好的控制性能。
2019, 46(11):25-29, 81.
摘要:
磁场定向控制(FOC)理论是永磁同步电机(PMSM)最常用的控制方法之一。该方法需要电机转子瞬时精确位置,因此限制了其在使用霍尔位置传感器的无刷直流电机(BLDCM)上的应用。为了能够在BLDCM上应用FOC理论,又不增加电机成本,在现有霍尔位置传感器的基础上,提出了一种根据霍尔传感器的输出信号,通过计算前一个扇区平均转速的方法估计转子精确位置。使用MATLAB/Simulink软件对该估算方法进行了仿真,并搭建了以TI 的TMS320F28069 DSP为核心的试验系统,通过自动代码生成技术完成算法的编程,可以较好地应用于BLDCM的控制,在一些应用场合可以代替PMSM从而降低使用成本。
磁场定向控制(FOC)理论是永磁同步电机(PMSM)最常用的控制方法之一。该方法需要电机转子瞬时精确位置,因此限制了其在使用霍尔位置传感器的无刷直流电机(BLDCM)上的应用。为了能够在BLDCM上应用FOC理论,又不增加电机成本,在现有霍尔位置传感器的基础上,提出了一种根据霍尔传感器的输出信号,通过计算前一个扇区平均转速的方法估计转子精确位置。使用MATLAB/Simulink软件对该估算方法进行了仿真,并搭建了以TI 的TMS320F28069 DSP为核心的试验系统,通过自动代码生成技术完成算法的编程,可以较好地应用于BLDCM的控制,在一些应用场合可以代替PMSM从而降低使用成本。
2019, 46(11):30-36.
摘要:
在永磁同步电机(PMSM)数学模型和最大转矩电流比(MTPA)控制理论的基础上,分析了MTPA曲线的数学特性,表明MTPA曲线是等轴双曲线的左半支。根据该双曲线的特性,提出了一种线性分段MTPA近似控制算法。改变电机参数,计算MTPA真解与近似解之间的误差,验证该控制算法的可移植性。建立Simulink模型,进行仿真分析,对比查表法与MTPA近似控制算法的响应特性。仿真结果表明:线性分段MTPA近似控制算法具有良好的稳态和动态响应,可以较好地实现MTPA控制。
在永磁同步电机(PMSM)数学模型和最大转矩电流比(MTPA)控制理论的基础上,分析了MTPA曲线的数学特性,表明MTPA曲线是等轴双曲线的左半支。根据该双曲线的特性,提出了一种线性分段MTPA近似控制算法。改变电机参数,计算MTPA真解与近似解之间的误差,验证该控制算法的可移植性。建立Simulink模型,进行仿真分析,对比查表法与MTPA近似控制算法的响应特性。仿真结果表明:线性分段MTPA近似控制算法具有良好的稳态和动态响应,可以较好地实现MTPA控制。
2019, 46(11):37-42, 93.
摘要:
在使用陷波滤波器抑制伺服系统机械谐振时,需要获取准确的机械谐振频率。为了快速检测出谐振频率,提出了一种基于自适应陷波滤波器(ANF)的机械谐振频率估计算法,通过速度误差信号分析,实现谐振频率在线快速辨识。首先,建立柔性连接伺服系统模型；然后,对ANF频率估计算法进行分析,并且与常用的快速傅里叶变换(FFT)频率检测算法的分析精度和计算速度进行对比。数值比较和仿真验证表明,ANF频率估计算法可以更快地实现谐振频率的精确检测。最后搭建试验平台,以ANF频率估计的结果作为陷波器的中心频率,成功实现了电机转速振荡的抑制,验证了该方法的有效性。
在使用陷波滤波器抑制伺服系统机械谐振时,需要获取准确的机械谐振频率。为了快速检测出谐振频率,提出了一种基于自适应陷波滤波器(ANF)的机械谐振频率估计算法,通过速度误差信号分析,实现谐振频率在线快速辨识。首先,建立柔性连接伺服系统模型；然后,对ANF频率估计算法进行分析,并且与常用的快速傅里叶变换(FFT)频率检测算法的分析精度和计算速度进行对比。数值比较和仿真验证表明,ANF频率估计算法可以更快地实现谐振频率的精确检测。最后搭建试验平台,以ANF频率估计的结果作为陷波器的中心频率,成功实现了电机转速振荡的抑制,验证了该方法的有效性。
2019, 46(11):43-49, 102.
摘要:
在交流伺服系统运动控制领域,针对双电机同步精确控制时由于两轴负载惯量相差较大、额定运行速度快、到位精度要求高等控制难点,提出了简单且有效的同步控制方法,并在试验中进行了验证。该方法包括对同步控制方式的设计和误差补偿算法2个部分。首先,设计使用基于虚拟主轴的主从控制方式,可实现惯量匹配的同步指令输出；在此基础上,从负载特性入手,提出了基于加权耦合的误差补偿方法,能实现快速稳定的同步误差补偿。仿真与试验结果表明,该方法能够满足伺服运动系统的定位精度和同步控制精度要求,同时在一定程度上提升了系统的平稳性和补偿响应速度,工程实现效果较好。
在交流伺服系统运动控制领域,针对双电机同步精确控制时由于两轴负载惯量相差较大、额定运行速度快、到位精度要求高等控制难点,提出了简单且有效的同步控制方法,并在试验中进行了验证。该方法包括对同步控制方式的设计和误差补偿算法2个部分。首先,设计使用基于虚拟主轴的主从控制方式,可实现惯量匹配的同步指令输出；在此基础上,从负载特性入手,提出了基于加权耦合的误差补偿方法,能实现快速稳定的同步误差补偿。仿真与试验结果表明,该方法能够满足伺服运动系统的定位精度和同步控制精度要求,同时在一定程度上提升了系统的平稳性和补偿响应速度,工程实现效果较好。
2019, 46(11):50-55.
摘要:
介绍了下一代地铁车辆用TQ250永磁同步牵引电机的研制情况。主要从总体技术要求、设计难点、关键技术、样机试验等方面进行了论述。根据下一代地铁车辆永磁同步牵引电机的技术特点及主要技术参数指标要求,通过对等效定额设计、电磁设计、轻量化设计及冷却结构设计等关键技术攻关,研制了1台永磁同步牵引电机,并进行了试验。样机试验结果分析表明,该电机满足下一代地铁车辆指标要求,验证了所设计的可行性。
介绍了下一代地铁车辆用TQ250永磁同步牵引电机的研制情况。主要从总体技术要求、设计难点、关键技术、样机试验等方面进行了论述。根据下一代地铁车辆永磁同步牵引电机的技术特点及主要技术参数指标要求,通过对等效定额设计、电磁设计、轻量化设计及冷却结构设计等关键技术攻关,研制了1台永磁同步牵引电机,并进行了试验。样机试验结果分析表明,该电机满足下一代地铁车辆指标要求,验证了所设计的可行性。
2019, 46(11):56-63.
摘要:
现有的麦克斯韦应力法计算开关磁阻电机(SRM)径向力的过程中,气隙磁通密度的求取过于简化。由于麦克斯韦应力法的积分路径较简单,气隙磁通密度的准确度直接影响了径向力求取的精度。综合等效磁路法和麦克斯韦应力法,精确计算了SRM气隙磁通密度,给出了单相激励下定子径向电磁力的表达式。在角度位置控制 (APC) 方式下,推导了转子运转过程中定子径向电磁力的解析表达式。在有限元软件上进行了仿真,对比分析了解析计算得到的径向力在时域和频域的分布,解析结果和有限元仿真结果相比表明,即使在2倍额定电流下误差也能维持在10%以内。
现有的麦克斯韦应力法计算开关磁阻电机(SRM)径向力的过程中,气隙磁通密度的求取过于简化。由于麦克斯韦应力法的积分路径较简单,气隙磁通密度的准确度直接影响了径向力求取的精度。综合等效磁路法和麦克斯韦应力法,精确计算了SRM气隙磁通密度,给出了单相激励下定子径向电磁力的表达式。在角度位置控制 (APC) 方式下,推导了转子运转过程中定子径向电磁力的解析表达式。在有限元软件上进行了仿真,对比分析了解析计算得到的径向力在时域和频域的分布,解析结果和有限元仿真结果相比表明,即使在2倍额定电流下误差也能维持在10%以内。
2019, 46(11):64-68.
摘要:
励磁控制系统作为同步发电机的重要组成部分,主要作用是向同步发电机的定子绕组提供一个可控的直流电流(电压),维持机端电压恒定,满足同步发电机的正常发电需要。通过发电机组控制系统模型,及时校正机组仿真模型,对异常响应进行预警排查,能够有效提高系统运行的稳定性。在MATLAB中搭建了一种以外部仿真机作为励磁调节器的单机无穷大系统仿真模型,模拟励磁系统PID主环异常以及电力系统稳定器(PSS)辅环异常时的输出,与理论值进行对比分析,能够及时确定故障原因和部位,实现故障维修。
励磁控制系统作为同步发电机的重要组成部分,主要作用是向同步发电机的定子绕组提供一个可控的直流电流(电压),维持机端电压恒定,满足同步发电机的正常发电需要。通过发电机组控制系统模型,及时校正机组仿真模型,对异常响应进行预警排查,能够有效提高系统运行的稳定性。在MATLAB中搭建了一种以外部仿真机作为励磁调节器的单机无穷大系统仿真模型,模拟励磁系统PID主环异常以及电力系统稳定器(PSS)辅环异常时的输出,与理论值进行对比分析,能够及时确定故障原因和部位,实现故障维修。
2019, 46(11):69-74.
摘要:
随着物联网技术的发展,如何将物联网技术与非侵入式电力设备运行状态监测技术相结合成为当前研究热点之一。为了探索基于物联网技术的电气设备运行状态监测新模式,以感应电机定子绕组温度的非侵入式在线监测为出发点,首先提出了一种基于自适应法和最小二乘法的电机定子绕组温度辨识方法,并结合当前物联网技术的发展,设计了一种基于全过程监督技术的感应电机全寿命周期监督定子温度监测系统。以1台5.5 kW感应电机为例进行试验验证,结果表明该系统具有较强的鲁棒性。所提出的理念和技术可以为其他大型电力设备的状态监测提供重要参考和技术支撑。
随着物联网技术的发展,如何将物联网技术与非侵入式电力设备运行状态监测技术相结合成为当前研究热点之一。为了探索基于物联网技术的电气设备运行状态监测新模式,以感应电机定子绕组温度的非侵入式在线监测为出发点,首先提出了一种基于自适应法和最小二乘法的电机定子绕组温度辨识方法,并结合当前物联网技术的发展,设计了一种基于全过程监督技术的感应电机全寿命周期监督定子温度监测系统。以1台5.5 kW感应电机为例进行试验验证,结果表明该系统具有较强的鲁棒性。所提出的理念和技术可以为其他大型电力设备的状态监测提供重要参考和技术支撑。
2019, 46(11):75-81.
摘要:
分布式电源在微电网中渗透率越来越高,其间歇性对系统电压稳定性的影响不容忽视。电力弹簧(ES)作为一种新型电压控制装置,能有效抑制关键负载(CL)两端的电压波动。为了减小负载变化对ES调压能力的影响,提出一种考虑非关键负载(NCL)变动的电力弹簧自适应控制策略。介绍了ES的拓扑结构及限制运行条件的理论基础；根据αβ坐标系变化的方法检测母线电压暂降,确定是否将ES投入系统；参考电压计算模块计算出需要提供的补偿电压后,与实际值的误差输入到PI控制器中,经人工鱼群算法(AFSA)动态调整PI控制参数,在保证CL电压稳定基础上缓解NCL变化对ES调压能力的影响。仿真结果表明:所提控制策略能够在保证CL电压稳定基础上有效缓解不同工况下负载变化造成的电压不稳定问题。
分布式电源在微电网中渗透率越来越高,其间歇性对系统电压稳定性的影响不容忽视。电力弹簧(ES)作为一种新型电压控制装置,能有效抑制关键负载(CL)两端的电压波动。为了减小负载变化对ES调压能力的影响,提出一种考虑非关键负载(NCL)变动的电力弹簧自适应控制策略。介绍了ES的拓扑结构及限制运行条件的理论基础；根据αβ坐标系变化的方法检测母线电压暂降,确定是否将ES投入系统；参考电压计算模块计算出需要提供的补偿电压后,与实际值的误差输入到PI控制器中,经人工鱼群算法(AFSA)动态调整PI控制参数,在保证CL电压稳定基础上缓解NCL变化对ES调压能力的影响。仿真结果表明:所提控制策略能够在保证CL电压稳定基础上有效缓解不同工况下负载变化造成的电压不稳定问题。
2019, 46(11):82-87.
摘要:
随着新能源汽车电控系统的发展以及复杂度和集成度的提高,整车故障保护策略已成为软件开发的重要组成部分之一,但测试难度较大且风险较高,尤其针对电机控制系统,传统的台架和实车测试往往不能满足需求。通过对电机控制系统故障保护策略及硬件在环(HIL)测试方案的介绍,并结合dSPACE仿真系统,针对车用电机控制单元搭建了信号级HIL仿真测试平台。借助上位机实时模拟电机不同故障工况,并进行试验和测试结果的分析,验证了电机控制器故障保护策略的正确性,同时体现出HIL测试方法的优越性。
随着新能源汽车电控系统的发展以及复杂度和集成度的提高,整车故障保护策略已成为软件开发的重要组成部分之一,但测试难度较大且风险较高,尤其针对电机控制系统,传统的台架和实车测试往往不能满足需求。通过对电机控制系统故障保护策略及硬件在环(HIL)测试方案的介绍,并结合dSPACE仿真系统,针对车用电机控制单元搭建了信号级HIL仿真测试平台。借助上位机实时模拟电机不同故障工况,并进行试验和测试结果的分析,验证了电机控制器故障保护策略的正确性,同时体现出HIL测试方法的优越性。
2019, 46(11):88-93.
摘要:
以BuckBoost电路为例,求解了变换器的平均模型及其线性化后的小信号模型。利用Simulink软件分别搭建状态平均方程等效电路、线性化小信号模型等效电路。通过动态模型仿真与开关器件电路仿真结果对比,验证了动态模型的正确性,讨论了断续电流模式(DCM)平均模型的适用范围与存在的缺陷。理论分析结果表明:大信号和小信号模型,在宏观时间尺度上,可以较好地模拟实际开关电路的动态特性。小信号模型只能用来求解扰动较小的情况,即当扰动过大时,小信号模型求解的误差将会很大。
以BuckBoost电路为例,求解了变换器的平均模型及其线性化后的小信号模型。利用Simulink软件分别搭建状态平均方程等效电路、线性化小信号模型等效电路。通过动态模型仿真与开关器件电路仿真结果对比,验证了动态模型的正确性,讨论了断续电流模式(DCM)平均模型的适用范围与存在的缺陷。理论分析结果表明:大信号和小信号模型,在宏观时间尺度上,可以较好地模拟实际开关电路的动态特性。小信号模型只能用来求解扰动较小的情况,即当扰动过大时,小信号模型求解的误差将会很大。
2019, 46(11):94-102.
摘要:
多相电机在定子开路故障下具有良好的容错性能,与此相关的设备和控制策略改进方面的研究理论也不断被提出。然而,却少有基于统一模型的适用于多相开路故障的容错控制策略。提出了一种应用于双三相永磁同步电机(PMSM)系统三相或三相以下开路故障的容错控制策略,并获得了良好的电机电力和动态性能。针对发生单相到三相开路故障的PMSM提出了统一数学模型,提取出每种故障下对应电机不对称性的矩阵。通过电压方程,推导出每种故障对应的解耦变换矩阵。为了对相电流中的每种谐波进行无差别抑制,建立了谐波子空间。考虑开路故障相数的增加,提出了用于三相开路的有中性点电流的容错控制策略,达到了降低相电流幅值和提升系统冗余度的目的。最后通过试验和仿真结果,验证了理论分析的正确性。
多相电机在定子开路故障下具有良好的容错性能,与此相关的设备和控制策略改进方面的研究理论也不断被提出。然而,却少有基于统一模型的适用于多相开路故障的容错控制策略。提出了一种应用于双三相永磁同步电机(PMSM)系统三相或三相以下开路故障的容错控制策略,并获得了良好的电机电力和动态性能。针对发生单相到三相开路故障的PMSM提出了统一数学模型,提取出每种故障下对应电机不对称性的矩阵。通过电压方程,推导出每种故障对应的解耦变换矩阵。为了对相电流中的每种谐波进行无差别抑制,建立了谐波子空间。考虑开路故障相数的增加,提出了用于三相开路的有中性点电流的容错控制策略,达到了降低相电流幅值和提升系统冗余度的目的。最后通过试验和仿真结果,验证了理论分析的正确性。
《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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