2019年第46卷第9期文章目次
2019, 46(9):1-11.
摘要:
永磁同步电机(PMSM)驱动控制技术的性能直接决定着整个电机驱动系统的性能。由于模型预测控制(MPC)技术可以对多输入多输出(MIMO)系统进行滚动优化控制,且容易施加约束,因此基于MPC的电机驱动技术正逐渐受到关注。回顾并总结了近年来国内外学者在基于MPC的PMSM电流控制方面所做的研究,并对现有技术中的基于单矢量、双矢量以及三矢量的电流控制技术进行了建模并进行了电流输出波形分析。最后综合比较了现有技术的优缺点,并讨论了现有技术尚存的一些问题和未来发展的主要方向。
永磁同步电机(PMSM)驱动控制技术的性能直接决定着整个电机驱动系统的性能。由于模型预测控制(MPC)技术可以对多输入多输出(MIMO)系统进行滚动优化控制,且容易施加约束,因此基于MPC的电机驱动技术正逐渐受到关注。回顾并总结了近年来国内外学者在基于MPC的PMSM电流控制方面所做的研究,并对现有技术中的基于单矢量、双矢量以及三矢量的电流控制技术进行了建模并进行了电流输出波形分析。最后综合比较了现有技术的优缺点,并讨论了现有技术尚存的一些问题和未来发展的主要方向。
2019, 46(9):12-18.
摘要:
针对表贴式永磁同步电机模型预测转矩控制系统,提出了一种均衡磁链控制和转矩控制的权重系数设计方法,将磁链控制和转矩控制转换为相对误差率的成本函数,从而无需权重系数设计。仿真结果验证以上2种成本函数运行效果良好,但前者对电机参数依赖性较强。由于上述2种成本函数均不含磁链约束项,转矩动态下磁链出现较大的脉动。因此提出了一种含磁链控制约束的成本函数,仿真结果表明,可有效消除磁链脉动。同时,还设计了使用磁链约束项代替磁链控制项的成本函数,但仿真结果表明,虽也可有效消除磁链脉动,但控制效果不及前3种成本函数。
针对表贴式永磁同步电机模型预测转矩控制系统,提出了一种均衡磁链控制和转矩控制的权重系数设计方法,将磁链控制和转矩控制转换为相对误差率的成本函数,从而无需权重系数设计。仿真结果验证以上2种成本函数运行效果良好,但前者对电机参数依赖性较强。由于上述2种成本函数均不含磁链约束项,转矩动态下磁链出现较大的脉动。因此提出了一种含磁链控制约束的成本函数,仿真结果表明,可有效消除磁链脉动。同时,还设计了使用磁链约束项代替磁链控制项的成本函数,但仿真结果表明,虽也可有效消除磁链脉动,但控制效果不及前3种成本函数。
2019, 46(9):19-24.
摘要:
针对准Z源逆变器(qZSI)驱动永磁同步电机(PMSM)系统的特点,在两相静止坐标系下,提出一种有限集模型预测控制策略。由准Z源网络电容电压闭环与PMSM电磁功率前馈生成电感电流参考值,通过预测电感电流值并引入子代价函数来确定是否选择直通(ST)状态,以实现qZSI的升压控制。在非直通(NST)状态下,分别对8种开关状态下的PMSM定子电流进行预测,并与转速闭环控制生成的参考电流进行比较,选择最优的开关状态,以实现对PMSM的控制。仿真结果表明,所提控制策略可实现对qZSI的升压及PMSM转速的控制,系统具有良好的稳态及动态性能。
针对准Z源逆变器(qZSI)驱动永磁同步电机(PMSM)系统的特点,在两相静止坐标系下,提出一种有限集模型预测控制策略。由准Z源网络电容电压闭环与PMSM电磁功率前馈生成电感电流参考值,通过预测电感电流值并引入子代价函数来确定是否选择直通(ST)状态,以实现qZSI的升压控制。在非直通(NST)状态下,分别对8种开关状态下的PMSM定子电流进行预测,并与转速闭环控制生成的参考电流进行比较,选择最优的开关状态,以实现对PMSM的控制。仿真结果表明,所提控制策略可实现对qZSI的升压及PMSM转速的控制,系统具有良好的稳态及动态性能。
2019, 46(9):25-30.
摘要:
针对传统永磁同步电机(PMSM)线性集中参数模型在仿真阶段无法描述谐波电流的问题,构建基于现场可编程门阵列(FPGA)的PMSM分布参数模型。利用该模型反映齿槽转矩、气隙磁场等特点,通过搭建硬件在环(HIL)平台,进行试验验证。通过对模型公式的分析,进行离散化描述,编写Verilog语言程序并在FPGA上运行该模型,再通过与真实控制器连接,进行试验测试,验证了该模型在不同工况点下反映谐波电流的情况。结果表明:该仿真平台能够较好地反映电机谐波电流情况。
针对传统永磁同步电机(PMSM)线性集中参数模型在仿真阶段无法描述谐波电流的问题,构建基于现场可编程门阵列(FPGA)的PMSM分布参数模型。利用该模型反映齿槽转矩、气隙磁场等特点,通过搭建硬件在环(HIL)平台,进行试验验证。通过对模型公式的分析,进行离散化描述,编写Verilog语言程序并在FPGA上运行该模型,再通过与真实控制器连接,进行试验测试,验证了该模型在不同工况点下反映谐波电流的情况。结果表明:该仿真平台能够较好地反映电机谐波电流情况。
2019, 46(9):31-35.
摘要:
针对双电机同步控制问题,提出了一种交叉耦合PID控制器。首先建立双电机同步控制系统的数学模型,然后设计交叉耦合PID控制器,并给出了基于交叉耦合PID控制的双电机同步控制系统的稳定性定理,最后在双电机同步控制试验平台上进行试验。试验结果验证了设计的交叉耦合PID控制器的可行性。
针对双电机同步控制问题,提出了一种交叉耦合PID控制器。首先建立双电机同步控制系统的数学模型,然后设计交叉耦合PID控制器,并给出了基于交叉耦合PID控制的双电机同步控制系统的稳定性定理,最后在双电机同步控制试验平台上进行试验。试验结果验证了设计的交叉耦合PID控制器的可行性。
2019, 46(9):36-40, 45.
摘要:
弯管机作为管件弯曲成型的主要机械设备,广泛应用于各行业领域。随着竞争力水平提高,市场对弯管机在效率和自动化程度方面提出了更高的要求。针对侧弯式弯管机的特点,提出一种基于EtherCat总线的伺服运动控制系统。该控制系统有着更强大的数据处理能力,能保证各个轴的动态连续性和控制精度,充分满足各种不同大小、不同角度的管件弯管需求。
弯管机作为管件弯曲成型的主要机械设备,广泛应用于各行业领域。随着竞争力水平提高,市场对弯管机在效率和自动化程度方面提出了更高的要求。针对侧弯式弯管机的特点,提出一种基于EtherCat总线的伺服运动控制系统。该控制系统有着更强大的数据处理能力,能保证各个轴的动态连续性和控制精度,充分满足各种不同大小、不同角度的管件弯管需求。
2019, 46(9):41-45.
摘要:
脉宽调制(PWM)变频驱动器在提高交流传动系统效率的同时,产生的高次谐波导致共模电流显著增加。其中电动机定子绕组与定子铁心之间的耦合电容是共模电流的主要通路。准确计算定子绕组与定子铁心之间的耦合电容对于预测共模电流具有重要意义。由于电机绕组内部导线排列不规则,准确进行解析计算较为困难,将其简化为集中导体后,会导致计算精度变差。在绕组全散线模型的基础上,提出了一种简化散线建模方法,能在计算精度不变的情况下,有效地减小模型的复杂度。通过对比解析计算、全散线模型、简化散线模型和测量值,验证了该方法的有效性。
脉宽调制(PWM)变频驱动器在提高交流传动系统效率的同时,产生的高次谐波导致共模电流显著增加。其中电动机定子绕组与定子铁心之间的耦合电容是共模电流的主要通路。准确计算定子绕组与定子铁心之间的耦合电容对于预测共模电流具有重要意义。由于电机绕组内部导线排列不规则,准确进行解析计算较为困难,将其简化为集中导体后,会导致计算精度变差。在绕组全散线模型的基础上,提出了一种简化散线建模方法,能在计算精度不变的情况下,有效地减小模型的复杂度。通过对比解析计算、全散线模型、简化散线模型和测量值,验证了该方法的有效性。
2019, 46(9):46-52.
摘要:
针对直线电机转子位置检测低成本和较高精度的要求,提出了一种基于马鞍形磁场来获得位置信息的方法及实现过程。分析了永磁体表面的磁场分布特征,指出了利用马鞍形磁场分布曲线来解算位置信息的优点,提出了根据马鞍形磁场推算位置信息的算法流程:先测得错开相位的2条马鞍形曲线数据,划分为4个象限后建立数据库；位置检测时,运用区间搜索算法寻得实际角度所在区间；再根据精度要求,采用合适的插值算法计算得到待解算的角度。仿真结果表明:基于马鞍形磁场的位置解算,能较好地得到直线电机转子的位置信息。
针对直线电机转子位置检测低成本和较高精度的要求,提出了一种基于马鞍形磁场来获得位置信息的方法及实现过程。分析了永磁体表面的磁场分布特征,指出了利用马鞍形磁场分布曲线来解算位置信息的优点,提出了根据马鞍形磁场推算位置信息的算法流程:先测得错开相位的2条马鞍形曲线数据,划分为4个象限后建立数据库；位置检测时,运用区间搜索算法寻得实际角度所在区间；再根据精度要求,采用合适的插值算法计算得到待解算的角度。仿真结果表明:基于马鞍形磁场的位置解算,能较好地得到直线电机转子的位置信息。
2019, 46(9):53-57.
摘要:
屏蔽感应电机是核反应堆冷却回路的动力源,提高该电机的效率和降低电磁噪声具有重要的意义。将有限元法和磁路法相结合,设计了1台20 kW核屏蔽感应电机。利用有限元软件对其进行额定工况运行状态下噪声和损耗仿真分析,确定影响电机效率和电磁噪声的主要参数；选取影响电机效率和噪声的主要参数为优化变量,电机电磁噪声和效率为优化目标,输出功率为约束条件；采用正交试验表获得样本空间；通过响应面法建立优化目标及约束条件的优化模型,最后利用粒子群算法对优化模型进行求解。有限元仿真结果表明:优化后电机效率提高了2.6%,电磁噪声降低了5.2 dB。
屏蔽感应电机是核反应堆冷却回路的动力源,提高该电机的效率和降低电磁噪声具有重要的意义。将有限元法和磁路法相结合,设计了1台20 kW核屏蔽感应电机。利用有限元软件对其进行额定工况运行状态下噪声和损耗仿真分析,确定影响电机效率和电磁噪声的主要参数；选取影响电机效率和噪声的主要参数为优化变量,电机电磁噪声和效率为优化目标,输出功率为约束条件；采用正交试验表获得样本空间；通过响应面法建立优化目标及约束条件的优化模型,最后利用粒子群算法对优化模型进行求解。有限元仿真结果表明:优化后电机效率提高了2.6%,电磁噪声降低了5.2 dB。
2019, 46(9):58-64, 74.
摘要:
传统感应电机高性能控制方案中,电机模型忽略了电机铁耗的影响,与实际物理模型有一定的偏差。基于包含铁耗等效电阻的感应电机模型,建立新的励磁电流计算方法,对电流和电压信号进行高精度的采样和离散处理,并对电机模型进行数学推导,得到基于递推最小二乘法(RLS)的辨识模型,实现了对铁耗电阻、转子电阻等重要电机参数的在线辨识。建立了MATLAB仿真模型,对参数辨识算法进行验证。仿真试验结果表明:所提方法可以在不同工况下实现较高精度的辨识,并可以快速地跟随待辨识参数的变化,为感应电机高性能控制奠定了基础。
传统感应电机高性能控制方案中,电机模型忽略了电机铁耗的影响,与实际物理模型有一定的偏差。基于包含铁耗等效电阻的感应电机模型,建立新的励磁电流计算方法,对电流和电压信号进行高精度的采样和离散处理,并对电机模型进行数学推导,得到基于递推最小二乘法(RLS)的辨识模型,实现了对铁耗电阻、转子电阻等重要电机参数的在线辨识。建立了MATLAB仿真模型,对参数辨识算法进行验证。仿真试验结果表明:所提方法可以在不同工况下实现较高精度的辨识,并可以快速地跟随待辨识参数的变化,为感应电机高性能控制奠定了基础。
2019, 46(9):65-68.
摘要:
介绍了空冷电机气动噪声的来源、测量方法以及工程上常用的气动噪声控制措施。以某空冷电机为例,采用CFD方法对外风路的稳态流场、瞬态流场以及声场进行了数值分析,将计算结果通过试验进行验证。这对自通风型空冷电机的气动噪声分析具有一定的参考意义。
介绍了空冷电机气动噪声的来源、测量方法以及工程上常用的气动噪声控制措施。以某空冷电机为例,采用CFD方法对外风路的稳态流场、瞬态流场以及声场进行了数值分析,将计算结果通过试验进行验证。这对自通风型空冷电机的气动噪声分析具有一定的参考意义。
2019, 46(9):69-74.
摘要:
设计功率MOSFET驱动电路时需重点考虑寄生参数对电路的影响。米勒电容作为MOSFET器件的一项重要参数,在驱动电路的设计时需要重点关注。重点观察了MOSFET的开通和关断过程中栅极电压、漏源极电压和漏源极电流的变化过程,并分析了米勒电容、寄生电感等寄生参数对漏源极电压和漏源极电流的影响。分析了栅极电压在米勒平台附近产生振荡的原因,并提出了抑制措施,对功率MOSFET的驱动设计具有一定的指导意义。
设计功率MOSFET驱动电路时需重点考虑寄生参数对电路的影响。米勒电容作为MOSFET器件的一项重要参数,在驱动电路的设计时需要重点关注。重点观察了MOSFET的开通和关断过程中栅极电压、漏源极电压和漏源极电流的变化过程,并分析了米勒电容、寄生电感等寄生参数对漏源极电压和漏源极电流的影响。分析了栅极电压在米勒平台附近产生振荡的原因,并提出了抑制措施,对功率MOSFET的驱动设计具有一定的指导意义。
2019, 46(9):75-79.
摘要:
针对现有风电变流器试验系统能量损耗高、试验效率低的问题,提出了一种基于环形功率回馈的试验方法。重点阐述了试验系统的基本原理与结构,并搭建了变流器试验软硬件平台,实现了对变流器各特性参数的自动测试要求。对兆瓦级风电变流器进行了相应的试验,试验结果表明:该系统试验效率优,而且系统操作方便,安全可靠,可实现变流器试验系统的高效节能与数字化。
针对现有风电变流器试验系统能量损耗高、试验效率低的问题,提出了一种基于环形功率回馈的试验方法。重点阐述了试验系统的基本原理与结构,并搭建了变流器试验软硬件平台,实现了对变流器各特性参数的自动测试要求。对兆瓦级风电变流器进行了相应的试验,试验结果表明:该系统试验效率优,而且系统操作方便,安全可靠,可实现变流器试验系统的高效节能与数字化。
2019, 46(9):80-84.
摘要:
详细介绍了基于LabVIEW的共直流母线型电机测试系统架构组成,采用高精度高动态响应的ASD伺服驱动器,选配合适的电流传感器与功率分析仪,上位机LabVIEW与MATLAB结合绘制电机MAP图、外特性曲线,上位机LabVIEW与SQL数据库建立联系,共直流母线型系统优化了能量循环方式,实现能量母线侧内循环。测试结果表明:该系统功能全面,可实现精准控制与测量,可靠性高,可用于200 kW以下的交流异步电机或永磁同步电机的性能及耐久性测试。
详细介绍了基于LabVIEW的共直流母线型电机测试系统架构组成,采用高精度高动态响应的ASD伺服驱动器,选配合适的电流传感器与功率分析仪,上位机LabVIEW与MATLAB结合绘制电机MAP图、外特性曲线,上位机LabVIEW与SQL数据库建立联系,共直流母线型系统优化了能量循环方式,实现能量母线侧内循环。测试结果表明:该系统功能全面,可实现精准控制与测量,可靠性高,可用于200 kW以下的交流异步电机或永磁同步电机的性能及耐久性测试。
2019, 46(9):85-94, 110.
摘要:
风电场的大规模接入对电网暂态稳定性造成的影响不容忽视。以含双馈风电机组的扩展两机系统为例,建立了双馈风机等值模型,将两机系统等值成单机无穷大系统,依据等面积法则详细推导了风电接入后系统极限切除角的解析式,进而定量分析了极限切除角随风电比例、风机并网位置、故障位置和负荷接入位置等4个影响因素的变化趋势,总结出4种影响因素对暂态功角稳定性的影响规律。在BPA和FASTEST中分别建立含双馈风机的扩展双机系统的仿真模型,对理论分析工作的正确性进行了仿真验证。
风电场的大规模接入对电网暂态稳定性造成的影响不容忽视。以含双馈风电机组的扩展两机系统为例,建立了双馈风机等值模型,将两机系统等值成单机无穷大系统,依据等面积法则详细推导了风电接入后系统极限切除角的解析式,进而定量分析了极限切除角随风电比例、风机并网位置、故障位置和负荷接入位置等4个影响因素的变化趋势,总结出4种影响因素对暂态功角稳定性的影响规律。在BPA和FASTEST中分别建立含双馈风机的扩展双机系统的仿真模型,对理论分析工作的正确性进行了仿真验证。
2019, 46(9):95-100.
摘要:
提出一种基于LSTMAttention网络的短期风电功率预测方法。首先,使用LSTM网络对数值天气预测(NWP)数据的特征信息进行提取,同时采用注意力机制有效分析了模型输入与输出的相关性,从而获取了更多重要时间的整体特征；其次,使用卷积神经网络(CNN)提取NWP数据的局部特征,并引入压缩和奖惩网络(SE)模块学习特征权重,利用特征重新标定方式提高网络表示能力；最后,将局部特征和整体特征进行特征融合,通过分类器输出分类结果。利用NOAA提供的美国加利福尼亚州某风电场的数据进行案例分析,证明了所提方法的有效性。试验结果表明,与BP神经网络、自回归积分滑动平均模型(ARIMA)模型和LSTM模型相比,LSTMAttention模型具有更高的预测精度,证明了该方法的有效性。
提出一种基于LSTMAttention网络的短期风电功率预测方法。首先,使用LSTM网络对数值天气预测(NWP)数据的特征信息进行提取,同时采用注意力机制有效分析了模型输入与输出的相关性,从而获取了更多重要时间的整体特征；其次,使用卷积神经网络(CNN)提取NWP数据的局部特征,并引入压缩和奖惩网络(SE)模块学习特征权重,利用特征重新标定方式提高网络表示能力；最后,将局部特征和整体特征进行特征融合,通过分类器输出分类结果。利用NOAA提供的美国加利福尼亚州某风电场的数据进行案例分析,证明了所提方法的有效性。试验结果表明,与BP神经网络、自回归积分滑动平均模型(ARIMA)模型和LSTM模型相比,LSTMAttention模型具有更高的预测精度,证明了该方法的有效性。
2019, 46(9):101-110.
摘要:
针对感应电机转子发生早期断条故障时,定子电流故障特征频率容易被基波频率淹没,导致电机转子断条故障发现不及时的问题,采用多回路方程建立感应电机发生转子断条故障的模型,推导了dq0坐标系下感应电机发生早期断条故障的模型。在该故障模型的基础上,利用参数辨识和滑窗技术得到电机等效参数变化曲线。该方法得到的电机等效参数曲线对转子早期断条故障具有明显的故障特征信号,通过辨识曲线特征可诊断电机转子断条故障,同时给出了转子发生不同程度故障时的差异指标。最后试验验证了该方法的可行性。
针对感应电机转子发生早期断条故障时,定子电流故障特征频率容易被基波频率淹没,导致电机转子断条故障发现不及时的问题,采用多回路方程建立感应电机发生转子断条故障的模型,推导了dq0坐标系下感应电机发生早期断条故障的模型。在该故障模型的基础上,利用参数辨识和滑窗技术得到电机等效参数变化曲线。该方法得到的电机等效参数曲线对转子早期断条故障具有明显的故障特征信号,通过辨识曲线特征可诊断电机转子断条故障,同时给出了转子发生不同程度故障时的差异指标。最后试验验证了该方法的可行性。
《电机与控制应用》
月刊，1959年创刊
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