2020年第0卷第3期文章目次
2020, 47(3):1-7.
DOI: 10.12177/emca.2019.146
摘要:
传统永磁同步电机(PMSM)模型预测转矩控制(MPTC)未考虑减小开关次数，造成平均开关频率较高。通过将减小开关次数作为表贴式永磁同步电机(SPMSM)MPTC的控制目标之一，设计了开关次数权重系数，提出了一种基于模糊控制的动态权重系数MPTC方法。分析了电机转矩的不同对成本函数开关次数权重系数作用效果的影响，引入模糊控制，根据系统状态信息实时调节成本函数开关次数的权重系数。仿真结果表明,与开关次数权重系数固定的成本函数相比，所提方法进一步降低了平均开关频率，同时抑制了系统转矩脉动与磁链脉动。
传统永磁同步电机(PMSM)模型预测转矩控制(MPTC)未考虑减小开关次数，造成平均开关频率较高。通过将减小开关次数作为表贴式永磁同步电机(SPMSM)MPTC的控制目标之一，设计了开关次数权重系数，提出了一种基于模糊控制的动态权重系数MPTC方法。分析了电机转矩的不同对成本函数开关次数权重系数作用效果的影响，引入模糊控制，根据系统状态信息实时调节成本函数开关次数的权重系数。仿真结果表明,与开关次数权重系数固定的成本函数相比，所提方法进一步降低了平均开关频率，同时抑制了系统转矩脉动与磁链脉动。
2020, 47(3):8-11.
DOI: 10.12177/emca.2019.156
摘要:
针对永磁同步电机(PMSM)转速控制，提出了一种基于降阶负载转矩观测器的非线性预测控制(NPC)策略。在速度环控制律中负载转矩通常作为扰动值来考虑，将降阶负载转矩观测器与广义预测控制相结合，利用得到的转矩估计值代替实际值。仿真试验结果表明,所提控制策略能有效实现转速跟踪，与传统PI控制相比，趋于稳定的时间短、超调量小、抗干扰能力强、转速环控制的鲁棒性较高。
针对永磁同步电机(PMSM)转速控制，提出了一种基于降阶负载转矩观测器的非线性预测控制(NPC)策略。在速度环控制律中负载转矩通常作为扰动值来考虑，将降阶负载转矩观测器与广义预测控制相结合，利用得到的转矩估计值代替实际值。仿真试验结果表明,所提控制策略能有效实现转速跟踪，与传统PI控制相比，趋于稳定的时间短、超调量小、抗干扰能力强、转速环控制的鲁棒性较高。
2020, 47(3):12-16.
DOI: 10.12177/emca.2019.174
摘要:
在永磁同步电机(PMSM)调速系统中，提出采用自抗扰控制(ADRC)设计PMSM调速系统速度环，针对调速系统控制特性和ADRC策略特点，改进ADRC中的扩张状态观测器。同时，采用非线性扩张状态观测器(NESO)观测系统负载转矩并进行前馈补偿，以降低系统负载转矩扰动影响。综合以上两点改进措施，设计出速度环改进型自抗扰控制器(IADRC)。通过仿真和试验验证了IADRC在PMSM调速系统中的有效性。
在永磁同步电机(PMSM)调速系统中，提出采用自抗扰控制(ADRC)设计PMSM调速系统速度环，针对调速系统控制特性和ADRC策略特点，改进ADRC中的扩张状态观测器。同时，采用非线性扩张状态观测器(NESO)观测系统负载转矩并进行前馈补偿，以降低系统负载转矩扰动影响。综合以上两点改进措施，设计出速度环改进型自抗扰控制器(IADRC)。通过仿真和试验验证了IADRC在PMSM调速系统中的有效性。
2020, 47(3):17-22.
DOI: 10.12177/emca.2019.172
摘要:
在永磁同步电机(PMSM)驱动系统中，基于有限集模型预测电流控制(FCS-MPCC)算法所设计的系统电流内环控制器，性能受电机参数变化的影响。推导了PMSM预测模型，同时以电压矢量为约束项重构价值函数，并针对数字延时导致的电流纹波问题进行了补偿。提出了一种鲁棒性较强的FCS-MPCC算法，通过在预测模型中引入权重系数并定量调节，以降低算法对参数的敏感性。仿真结果表明，所提算法有效，能使系统具备良好的动态性能和稳态精度。
在永磁同步电机(PMSM)驱动系统中，基于有限集模型预测电流控制(FCS-MPCC)算法所设计的系统电流内环控制器，性能受电机参数变化的影响。推导了PMSM预测模型，同时以电压矢量为约束项重构价值函数，并针对数字延时导致的电流纹波问题进行了补偿。提出了一种鲁棒性较强的FCS-MPCC算法，通过在预测模型中引入权重系数并定量调节，以降低算法对参数的敏感性。仿真结果表明，所提算法有效，能使系统具备良好的动态性能和稳态精度。
2020, 47(3):23-27.
DOI: 10.12177/emca.2019.164
摘要:
为了提高永磁同步电机(PMSM)的控制精度与鲁棒性，并减小外界扰动对控制的影响，提出了一种新型趋近律的控制方法，解决了传统趋近律在收敛速度与滑模抖振之间存在冲突的问题。首先，在传统幂次趋近律的基础上提出设计了一种分段式的幂次趋近律，并在第二段幂次项后面添加一项线性项，可以更好地抑制抖振。然后，以负载转矩和转速为状态变量设计了一种滑模扰动观测器，并将观测结果反馈到速度控制环，进一步提高了控制系统鲁棒性。最后，通过仿真试验验证了该理论和方法的有效性与可行性。
为了提高永磁同步电机(PMSM)的控制精度与鲁棒性，并减小外界扰动对控制的影响，提出了一种新型趋近律的控制方法，解决了传统趋近律在收敛速度与滑模抖振之间存在冲突的问题。首先，在传统幂次趋近律的基础上提出设计了一种分段式的幂次趋近律，并在第二段幂次项后面添加一项线性项，可以更好地抑制抖振。然后，以负载转矩和转速为状态变量设计了一种滑模扰动观测器，并将观测结果反馈到速度控制环，进一步提高了控制系统鲁棒性。最后，通过仿真试验验证了该理论和方法的有效性与可行性。
2020, 47(3):28-33.
DOI: 10.12177/emca.2019.162
摘要:
为了改善传统滑模观测器(SMO)无传感器永磁同步电机(PMSM)高频抖振问题，提高无传感器PMSM观测性能，在传统SMO的基础上采用Sigmoid函数作为切换函数以减小抖振。同时，通过低通变截止滤波器和卡尔曼滤波器组合的级联滤波器进行滤波以去除高频信号，并降低测量噪声和测量误差，最后运用锁相环技术(PLL)提取电机转速信息和位置信息。采用MATLAB/Simulink仿真的手段来验证改进的SMO有效性和可行性。仿真结果表明，采用改进的SMO比传统SMO具有更高质量的观测信号，并且控制系统动态和静态性能较好。
为了改善传统滑模观测器(SMO)无传感器永磁同步电机(PMSM)高频抖振问题，提高无传感器PMSM观测性能，在传统SMO的基础上采用Sigmoid函数作为切换函数以减小抖振。同时，通过低通变截止滤波器和卡尔曼滤波器组合的级联滤波器进行滤波以去除高频信号，并降低测量噪声和测量误差，最后运用锁相环技术(PLL)提取电机转速信息和位置信息。采用MATLAB/Simulink仿真的手段来验证改进的SMO有效性和可行性。仿真结果表明，采用改进的SMO比传统SMO具有更高质量的观测信号，并且控制系统动态和静态性能较好。
2020, 47(3):34-37.
DOI: 10.12177/emca.2019.177
摘要:
机器人技术的发展步伐在加入仿真环节之后得到了进一步提速。根据LabVIEW提供的应用场景和电机控制模型，设计了一种具有轨迹推演效果的算法模型。该模型依据轮式小车的左右轮电机速度，计算小车在应用场景的速度，然后通过世界坐标系的轨迹坐标来反映小车在应用场景的位置变化。该模型可以通过检测世界坐标系的轨迹变化，判断电机控制的效果，达到测试轮式机器人控制系统的目的。
机器人技术的发展步伐在加入仿真环节之后得到了进一步提速。根据LabVIEW提供的应用场景和电机控制模型，设计了一种具有轨迹推演效果的算法模型。该模型依据轮式小车的左右轮电机速度，计算小车在应用场景的速度，然后通过世界坐标系的轨迹坐标来反映小车在应用场景的位置变化。该模型可以通过检测世界坐标系的轨迹变化，判断电机控制的效果，达到测试轮式机器人控制系统的目的。
2020, 47(3):38-44.
DOI: 10.12177/emca.2019.165
摘要:
绕组匝间短路故障是永磁同步发电机(PMSG)最为常见的故障之一，容易造成永磁体的不可逆失磁。为了解决失磁问题，提出了一种具有抑制匝间短路下不可逆失磁能力的特种PMSG。首先介绍了发电机的特殊结构，紧接着通过数学模型推导出抑制失磁的原理。利用Flux软件建立发电机的模型，对发电机在运行过程中突然发生的匝间短路故障进行仿真。以永磁体各点在短路过程中出现的最小磁密值是否低于相应温度下退磁曲线的膝点磁密值为判断依据，分析得到发电机在不同短路故障下永磁体的失磁情况，从而验证了抑制失磁的可行性。
绕组匝间短路故障是永磁同步发电机(PMSG)最为常见的故障之一，容易造成永磁体的不可逆失磁。为了解决失磁问题，提出了一种具有抑制匝间短路下不可逆失磁能力的特种PMSG。首先介绍了发电机的特殊结构，紧接着通过数学模型推导出抑制失磁的原理。利用Flux软件建立发电机的模型，对发电机在运行过程中突然发生的匝间短路故障进行仿真。以永磁体各点在短路过程中出现的最小磁密值是否低于相应温度下退磁曲线的膝点磁密值为判断依据，分析得到发电机在不同短路故障下永磁体的失磁情况，从而验证了抑制失磁的可行性。
2020, 47(3):45-50.
DOI: 10.12177/emca.2019.170
摘要:
在伺服控制系统中，控制器对内置式永磁同步电机(IPMSM)的性能影响较大。采用时步有限元分析方法，通过在Maxwell中搭建IPMSM三维和二维瞬态电磁场有限元模型，在Simulink中搭建了电机控制算法的模型。经由Simplorer软件接口技术将有限元模型和电机控制算法模型相结合，构建了永磁同步电机的场路耦合仿真模型。分析了电机在不同控制策略和工况下的转矩、电流、损耗、弱磁调速范围等数据，为IPMSM伺服调速系统的计算及优化设计提供了合理的方法。
在伺服控制系统中，控制器对内置式永磁同步电机(IPMSM)的性能影响较大。采用时步有限元分析方法，通过在Maxwell中搭建IPMSM三维和二维瞬态电磁场有限元模型，在Simulink中搭建了电机控制算法的模型。经由Simplorer软件接口技术将有限元模型和电机控制算法模型相结合，构建了永磁同步电机的场路耦合仿真模型。分析了电机在不同控制策略和工况下的转矩、电流、损耗、弱磁调速范围等数据，为IPMSM伺服调速系统的计算及优化设计提供了合理的方法。
2020, 47(3):51-56.
DOI: 10.12177/emca.2019.169
摘要:
工程实际中，如何快速准确监测感应电机转子温度对电气设备状态评估、故障预测和安全生产具有重要意义。但受运行条件限制，转子温度很难直接测得且通过间接评估方法也存在较大难度。针对这一问题，提出一种快速参数辨识的转子温度评估方法，利用转子槽谐波辨识得到转子转速，进而利用可模拟电机堵转运行的起动初始阶段的实测电参数求解得出转子电阻。将上述求解得到的转速与转子电阻，当作实时辨识转子电阻的扩展卡尔曼滤波法(EKF)所需初值，避免了初值求解迭代时间过长的问题，实现了快速在线辨识转子电阻。进而基于金属材料电阻值与温度之间的关系，求出转子实时变化温度数据。以1台22 kW感应电机为例，辨识了负载条件下的转子温度情况，验证了所提出方法的有效性与可行性。
工程实际中，如何快速准确监测感应电机转子温度对电气设备状态评估、故障预测和安全生产具有重要意义。但受运行条件限制，转子温度很难直接测得且通过间接评估方法也存在较大难度。针对这一问题，提出一种快速参数辨识的转子温度评估方法，利用转子槽谐波辨识得到转子转速，进而利用可模拟电机堵转运行的起动初始阶段的实测电参数求解得出转子电阻。将上述求解得到的转速与转子电阻，当作实时辨识转子电阻的扩展卡尔曼滤波法(EKF)所需初值，避免了初值求解迭代时间过长的问题，实现了快速在线辨识转子电阻。进而基于金属材料电阻值与温度之间的关系，求出转子实时变化温度数据。以1台22 kW感应电机为例，辨识了负载条件下的转子温度情况，验证了所提出方法的有效性与可行性。
2020, 47(3):57-62.
DOI: 10.12177/emca.2019.175
摘要:
开关磁阻电机(SRM)核心问题是振动转矩的检测与抑制，众多研究已表明SRM的转矩变化与其相绕组电流紧密相关。为了观测SRM工作时的电流变化和振动转矩情况，构建了磁阻电机的仿真系统，对电机在角度位置控制(APC)、电流斩波控制(CCC)和电压斩波控制(CVC)3种模式下的振动转矩和电流情况进行了仿真，结果表明以换相频率为主频的振动转矩非常明显。此外，搭建了SRM振动转矩检测试验平台，采用角加速度传感器检测了电机的实际振动转矩情况，并对试验结果进行了分析讨论。
开关磁阻电机(SRM)核心问题是振动转矩的检测与抑制，众多研究已表明SRM的转矩变化与其相绕组电流紧密相关。为了观测SRM工作时的电流变化和振动转矩情况，构建了磁阻电机的仿真系统，对电机在角度位置控制(APC)、电流斩波控制(CCC)和电压斩波控制(CVC)3种模式下的振动转矩和电流情况进行了仿真，结果表明以换相频率为主频的振动转矩非常明显。此外，搭建了SRM振动转矩检测试验平台，采用角加速度传感器检测了电机的实际振动转矩情况，并对试验结果进行了分析讨论。
2020, 47(3):63-68.
DOI: 10.12177/emca.2019.178
摘要:
针对开采薄煤层、延长矿井的使用寿命、提高煤炭资源利用率，螺旋钻进式采煤机提供了良好、有效的选择。为螺旋钻机系统设计了防护等级为IP56的1 600 kW/3.3 kV变频器。该变频器采用18脉波移相整流的移相变压器，实现电网侧无谐波干扰。拓扑结构上采用多电平功率单元串联技术，输出13电平，正弦度高，du/dt小，不会损伤电缆和电机绝缘。变频器移相变压器和功率单元均采用水冷散热方式，实现高效、可靠的散热。变频器性能上满足螺旋钻进式采煤机的3倍起动转矩、急加速、急减速等特殊工况要求，并预留远程通信接口，方便用户进行信号控制与数据采集。
针对开采薄煤层、延长矿井的使用寿命、提高煤炭资源利用率，螺旋钻进式采煤机提供了良好、有效的选择。为螺旋钻机系统设计了防护等级为IP56的1 600 kW/3.3 kV变频器。该变频器采用18脉波移相整流的移相变压器，实现电网侧无谐波干扰。拓扑结构上采用多电平功率单元串联技术，输出13电平，正弦度高，du/dt小，不会损伤电缆和电机绝缘。变频器移相变压器和功率单元均采用水冷散热方式，实现高效、可靠的散热。变频器性能上满足螺旋钻进式采煤机的3倍起动转矩、急加速、急减速等特殊工况要求，并预留远程通信接口，方便用户进行信号控制与数据采集。
2020, 47(3):69-74.
DOI: 10.12177/emca.2019.166
摘要:
飞机发电机控制器在检测电压有效值时，经常因为频率波动导致有效值计算出现误差。介绍了定频采样算法、过零点算法和准同步采样算法3种有效值算法，在MATLAB软件中进行了对比仿真，选取了误差最小的准同步采样算法。针对准同步采样算法响应时间过长的问题进行了改进，采用半周期积分优化的方法，并适当减少迭代次数。仿真与试验的结果证明，频率在380~420 Hz之间波动时，与传统定频采样算法相比，优化后的准同步采样算法误差从2.63%减小至0.14%。与优化前的准同步采样算法相比，优化后的响应时间从7.42 ms减小至2.46 ms。
飞机发电机控制器在检测电压有效值时，经常因为频率波动导致有效值计算出现误差。介绍了定频采样算法、过零点算法和准同步采样算法3种有效值算法，在MATLAB软件中进行了对比仿真，选取了误差最小的准同步采样算法。针对准同步采样算法响应时间过长的问题进行了改进，采用半周期积分优化的方法，并适当减少迭代次数。仿真与试验的结果证明，频率在380~420 Hz之间波动时，与传统定频采样算法相比，优化后的准同步采样算法误差从2.63%减小至0.14%。与优化前的准同步采样算法相比，优化后的响应时间从7.42 ms减小至2.46 ms。
2020, 47(3):75-80.
DOI: 10.12177/emca.2019.158
摘要:
随着风力发电的发展，风电波动带给电网的影响越来越明显，平滑风电出力显得很重要。针对风电功率波动特性，提出基于小波包分解法，得到风电并网功率、混合储能系统参考功率和充放电状态。结合蓄电池和超级电容的荷电状态，提出了能量管理协调控制策略，实现了储能系统内部功率修正，算例结果表明：能量管理协调控制策略能完成混合储能系统内部功率最佳修正，且可以有效的平滑风电出力。最后以实际风电数据为依据，在MATLAB中建立了数学仿真模型，证明了该控制策略的有效性。
随着风力发电的发展，风电波动带给电网的影响越来越明显，平滑风电出力显得很重要。针对风电功率波动特性，提出基于小波包分解法，得到风电并网功率、混合储能系统参考功率和充放电状态。结合蓄电池和超级电容的荷电状态，提出了能量管理协调控制策略，实现了储能系统内部功率修正，算例结果表明：能量管理协调控制策略能完成混合储能系统内部功率最佳修正，且可以有效的平滑风电出力。最后以实际风电数据为依据，在MATLAB中建立了数学仿真模型，证明了该控制策略的有效性。
2020, 47(3):81-86.
DOI: 10.12177/emca.2019.173
摘要:
风力发电系统网侧变换器的并网性能依赖于高性能的同步检测系统，尤其是在电网电压故障情况下快速而准确地提取同步信号。在双同步参考坐标系下提出一种基于二阶广义积分器（SOGI）的新型锁相环，消除了dq变换中电网电压不平衡和低次谐波产生的2倍频和谐波变换交流分量带来的影响，实现了对基波电压同步信号的检测。MATLAB仿真和试验结果表明：该方法能快速有效地实现对基波电压正、负序分量以及电压频率、相位的提取。
风力发电系统网侧变换器的并网性能依赖于高性能的同步检测系统，尤其是在电网电压故障情况下快速而准确地提取同步信号。在双同步参考坐标系下提出一种基于二阶广义积分器（SOGI）的新型锁相环，消除了dq变换中电网电压不平衡和低次谐波产生的2倍频和谐波变换交流分量带来的影响，实现了对基波电压同步信号的检测。MATLAB仿真和试验结果表明：该方法能快速有效地实现对基波电压正、负序分量以及电压频率、相位的提取。
2020, 47(3):87-94.
DOI: 10.12177/emca.2019.161
摘要:
内置式永磁同步电机(IPMSM)以高转矩电流比、更宽的调速区间、高功率密度、高效率等优点在电动汽车领域应用广泛。电动汽车用IPMSM磁路结构复杂，饱和程度高，造成交直轴磁路的交叉耦合，使得交直轴之间产生互感。对交叉耦合现象进行了磁路分析，阐述了其对磁链和电感参数的影响。采用冻结磁导率法(FPM)和有限元法(FEM)对交直轴电感进行计算，并对电感参数随电流变化情况进行了定量分析。对比2种计算方法得出的交直轴电感参数，发现计算结果吻合较好。最后，对比分析了2种方法计算交直轴电感的优缺点，分析表明以FEM为主FPM为辅计算交直轴电感参数，能保证电感参数的精确度，缩短计算时间。
内置式永磁同步电机(IPMSM)以高转矩电流比、更宽的调速区间、高功率密度、高效率等优点在电动汽车领域应用广泛。电动汽车用IPMSM磁路结构复杂，饱和程度高，造成交直轴磁路的交叉耦合，使得交直轴之间产生互感。对交叉耦合现象进行了磁路分析，阐述了其对磁链和电感参数的影响。采用冻结磁导率法(FPM)和有限元法(FEM)对交直轴电感进行计算，并对电感参数随电流变化情况进行了定量分析。对比2种计算方法得出的交直轴电感参数，发现计算结果吻合较好。最后，对比分析了2种方法计算交直轴电感的优缺点，分析表明以FEM为主FPM为辅计算交直轴电感参数，能保证电感参数的精确度，缩短计算时间。
2020, 47(3):95-99.
DOI: 10.12177/emca.2019.154
摘要:
电力系统稳定器（PSS）是增加阻尼抑制低频振荡的重要措施。电网运行准则(GB/T 31464—2015)明确规定100 MW及以上的火电、核电及燃气机组的励磁系统应具备PSS功能。PSS试验中需要配置超前滞后环节的时间常数，针对配置参数时存在效率低下及不能最优化的问题，提出了基于MATLAB最优化函数进行参数自动配置的方法，通过设置各个频率点的相位期望值和构建相位方差和的目标函数，实现了在各频率点特定相位要求下的PSS参数自动计算。给出了该方法的详细步骤，最后在某1 000 MW的火电机组PSS试验中进行了验证。
电力系统稳定器（PSS）是增加阻尼抑制低频振荡的重要措施。电网运行准则(GB/T 31464—2015)明确规定100 MW及以上的火电、核电及燃气机组的励磁系统应具备PSS功能。PSS试验中需要配置超前滞后环节的时间常数，针对配置参数时存在效率低下及不能最优化的问题，提出了基于MATLAB最优化函数进行参数自动配置的方法，通过设置各个频率点的相位期望值和构建相位方差和的目标函数，实现了在各频率点特定相位要求下的PSS参数自动计算。给出了该方法的详细步骤，最后在某1 000 MW的火电机组PSS试验中进行了验证。
2020, 47(3):100-102.
DOI: 10.12177/emca.2020.001
摘要:
研究并持续满足出口目标国对于产品认证的相关技术管理要求，是中国国内企业必须面对的工作。工厂质量保证能力是检查产品认证的主要环节之一。通过对欧盟检验检测认证体(ETICS)新修订的《工厂检查程序协调要求》(CIG 021)进行修订内容分析，梳理了工厂检查新要求，指出了工厂检查质量管理体系的关键技术难点，并给出了相应的解决措施。为出口企业在过渡期内掌握文件新要求并完善质量管理体系，以适应出口产品认证要求提供了参考。
研究并持续满足出口目标国对于产品认证的相关技术管理要求，是中国国内企业必须面对的工作。工厂质量保证能力是检查产品认证的主要环节之一。通过对欧盟检验检测认证体(ETICS)新修订的《工厂检查程序协调要求》(CIG 021)进行修订内容分析，梳理了工厂检查新要求，指出了工厂检查质量管理体系的关键技术难点，并给出了相应的解决措施。为出口企业在过渡期内掌握文件新要求并完善质量管理体系，以适应出口产品认证要求提供了参考。
《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
- 地址：上海市武宁路505号
- 邮编：200063
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