2020年第0卷第4期文章目次
2020, 47(4):1-9.
DOI: 10.12177/emca.2019.180
摘要:
建立适合速度控制器设计的电励磁直线同步电机连续时间数学模型，通过合理的假设建立初级电枢交轴电压与初级机械速度之间的单输入单输出传递函数。采用局部参数最优化梯度法设计了自适应速度控制器，仅含有一个积分器、一个乘法器以及2个比例单元。自适应速度控制器无传统控制器的电流内环加快了响应速度，简化了系统结构。利用MATLAB数值计算软件仿真所设计的控制器，分析自适应增益调节系数与广义误差反馈系数等因素对自适应速度控制系统稳定性与收敛性的影响，仿真结果验证了该自适应速度控制策略的有效性。
建立适合速度控制器设计的电励磁直线同步电机连续时间数学模型，通过合理的假设建立初级电枢交轴电压与初级机械速度之间的单输入单输出传递函数。采用局部参数最优化梯度法设计了自适应速度控制器，仅含有一个积分器、一个乘法器以及2个比例单元。自适应速度控制器无传统控制器的电流内环加快了响应速度，简化了系统结构。利用MATLAB数值计算软件仿真所设计的控制器，分析自适应增益调节系数与广义误差反馈系数等因素对自适应速度控制系统稳定性与收敛性的影响，仿真结果验证了该自适应速度控制策略的有效性。
2020, 47(4):10-17.
DOI: 10.12177/emca.2019.190
摘要:
传统模型预测控制(MPC)采用电压源逆变器（VSI）生成的全部7个电压矢量作为备选电压矢量集合，造成较大的运算负担。不同条件下，模型预测转矩控制（MPTC）系统对7个电压矢量的实际利用率并不均衡。在考虑定子磁链扇区、磁链和转矩控制信号和转矩角条件下，分析了表贴式永磁同步电机(SPMSM)MPTC系统对7个备选电压矢量的实际利用情况，并基于电压矢量利用率规律，提出了可动态变化的备选电压矢量集合。仿真结果表明与传统备选电压矢量集合相比，所提备选电压矢量集合可在保持控制性能基本相当的同时，减小备选电压矢量个数，有效提高系统实时性能。
传统模型预测控制(MPC)采用电压源逆变器（VSI）生成的全部7个电压矢量作为备选电压矢量集合，造成较大的运算负担。不同条件下，模型预测转矩控制（MPTC）系统对7个电压矢量的实际利用率并不均衡。在考虑定子磁链扇区、磁链和转矩控制信号和转矩角条件下，分析了表贴式永磁同步电机(SPMSM)MPTC系统对7个备选电压矢量的实际利用情况，并基于电压矢量利用率规律，提出了可动态变化的备选电压矢量集合。仿真结果表明与传统备选电压矢量集合相比，所提备选电压矢量集合可在保持控制性能基本相当的同时，减小备选电压矢量个数，有效提高系统实时性能。
2020, 47(4):18-23.
DOI: 10.12177/emca.2020.007
摘要:
针对永磁同步直线电机精确速度跟踪的问题，提出一种基于干扰观测器的自适应PID控制器。针对基于矢量控制的直线电机模型设计非线性干扰观测器进行干扰观测。同时，基于李雅普诺夫稳定性设计超限补偿控制器以及在线更新的投影自适应律使PID控制律始终跟随反馈控制律。最后通过试验分析结果，证明了该控制策略有更好的动态性能及鲁棒性。
针对永磁同步直线电机精确速度跟踪的问题，提出一种基于干扰观测器的自适应PID控制器。针对基于矢量控制的直线电机模型设计非线性干扰观测器进行干扰观测。同时，基于李雅普诺夫稳定性设计超限补偿控制器以及在线更新的投影自适应律使PID控制律始终跟随反馈控制律。最后通过试验分析结果，证明了该控制策略有更好的动态性能及鲁棒性。
2020, 47(4):24-29.
DOI: 10.12177/emca.2019.186
摘要:
传统无位置传感器控制系统的位置信息处理一般采用PI调节器。针对PI调节器存在参数整定、跟踪性能差和抑制干扰能力弱等问题，提出了一种新型的自适应Luenberger观测器。利用脉振高频电流注入法(HFI)获得高频位置信号，根据电机的动力学方程建立Luenberger观测器并对速度、负载扰动进行观测，采用神经网络建立参数自整定的控制器取代观测器中的PID控制，实现了永磁同步直线电机(PMLSM)的无位置传感器控制。仿真结果表明，在速度变化与负载扰动同时存在的情况下，基于自适应Luenberger观测器的PMLSM控制系统的速度估算误差最大值为2×10-3m/s，位置估算误差最大值为-3×10-5rad，具有良好的跟踪性能和抗干扰性能。
传统无位置传感器控制系统的位置信息处理一般采用PI调节器。针对PI调节器存在参数整定、跟踪性能差和抑制干扰能力弱等问题，提出了一种新型的自适应Luenberger观测器。利用脉振高频电流注入法(HFI)获得高频位置信号，根据电机的动力学方程建立Luenberger观测器并对速度、负载扰动进行观测，采用神经网络建立参数自整定的控制器取代观测器中的PID控制，实现了永磁同步直线电机(PMLSM)的无位置传感器控制。仿真结果表明，在速度变化与负载扰动同时存在的情况下，基于自适应Luenberger观测器的PMLSM控制系统的速度估算误差最大值为2×10-3m/s，位置估算误差最大值为-3×10-5rad，具有良好的跟踪性能和抗干扰性能。
2020, 47(4):30-34.
DOI: 10.12177/emca.2019.168
摘要:
为了提高无刷直流电机(BLDCM)的控制性能，在传统PID控制方法的基础上提出了一种基于新型积分分离PID控制算法，并将其应用于BLDCM转速和电流闭环控制中。该控制方法不但具有较强的抗负载扰动能力，而且可有效解决传统PID控制引起的控制量超过被控对象从而造成系统振荡的问题。新型积分分离PID控制算法结合了积分分离PID控制算法和带死区的PID控制算法的优点，既可以延长控制系统的使用寿命，又可以对系统偏差进行限制。通过MATLAB/Simulink仿真和试验验证了所提方法的有效性与实用性。
为了提高无刷直流电机(BLDCM)的控制性能，在传统PID控制方法的基础上提出了一种基于新型积分分离PID控制算法，并将其应用于BLDCM转速和电流闭环控制中。该控制方法不但具有较强的抗负载扰动能力，而且可有效解决传统PID控制引起的控制量超过被控对象从而造成系统振荡的问题。新型积分分离PID控制算法结合了积分分离PID控制算法和带死区的PID控制算法的优点，既可以延长控制系统的使用寿命，又可以对系统偏差进行限制。通过MATLAB/Simulink仿真和试验验证了所提方法的有效性与实用性。
2020, 47(4):35-39.
DOI: 10.12177/emca.2019.185
摘要:
无刷直流电机(BLDCM)具有高功率密度、高效节能、高可控性、低噪声等优点，尤其适用于对占用空间有着严格限制的应用场合。针对微小型无人潜航器(UUV)内部空间狭小问题，对其电力驱动系统硬件方面进行小型化设计，在满足功率要求的前提下合理运用集成功能芯片对电路功能模块所占用空间的压缩，实现系统中控制电路、驱动电路的小型化设计。经功率试验验证，在微小型UUV内部空间限制条件下，所设计的电机驱动控制系统在速度控制精度、带载驱动性能方面均满足了微小型UUV对电动力的性能需求。
无刷直流电机(BLDCM)具有高功率密度、高效节能、高可控性、低噪声等优点，尤其适用于对占用空间有着严格限制的应用场合。针对微小型无人潜航器(UUV)内部空间狭小问题，对其电力驱动系统硬件方面进行小型化设计，在满足功率要求的前提下合理运用集成功能芯片对电路功能模块所占用空间的压缩，实现系统中控制电路、驱动电路的小型化设计。经功率试验验证，在微小型UUV内部空间限制条件下，所设计的电机驱动控制系统在速度控制精度、带载驱动性能方面均满足了微小型UUV对电动力的性能需求。
2020, 47(4):40-43.
DOI: 10.12177/emca.2019.184
摘要:
针对传统离线惯量辨识方法计算精度不高，应用场合受限的问题，提出了一种改进的离线惯量辨识方法。该方法采用加减速指令规划在辨识过程中引入了转矩积分的计算方式，消除了负载与摩擦的影响，提高了辨识结果的精确度。建立了伺服系统离线惯量辨识的计算模型。对所提方法进行了试验验证。结果表明，该方法可以有效提高辨识结果的精确度，在带负载的场合同样适用。
针对传统离线惯量辨识方法计算精度不高，应用场合受限的问题，提出了一种改进的离线惯量辨识方法。该方法采用加减速指令规划在辨识过程中引入了转矩积分的计算方式，消除了负载与摩擦的影响，提高了辨识结果的精确度。建立了伺服系统离线惯量辨识的计算模型。对所提方法进行了试验验证。结果表明，该方法可以有效提高辨识结果的精确度，在带负载的场合同样适用。
2020, 47(4):44-48.
DOI: 10.12177/emca.2019.167
摘要:
针对永磁同步电机(PMSM)在恒定转速下的参数在线辨识问题，使用了一种基于含遗忘因子的递推最小二乘法（FFRLS）的小转速扰动注入法来同时在线辨识PMSM电气参数和机械参数。整个辨识过程分为两步，首先采用FFRLS方法，对电机的定子电阻、电感和磁链等参数实时辨识；其次，对于电机转速恒定的应用场景，电机角速度的微分量几乎等于零，很难对电机的转动惯量进行在线辨识，采用在恒定转速中注入扰动的方法进行机械参数实时辨识。仿真结果表明，所提的方法可以在电机转速恒定的条件下较快速准确地辨识电机的电气和机械参数。
针对永磁同步电机(PMSM)在恒定转速下的参数在线辨识问题，使用了一种基于含遗忘因子的递推最小二乘法（FFRLS）的小转速扰动注入法来同时在线辨识PMSM电气参数和机械参数。整个辨识过程分为两步，首先采用FFRLS方法，对电机的定子电阻、电感和磁链等参数实时辨识；其次，对于电机转速恒定的应用场景，电机角速度的微分量几乎等于零，很难对电机的转动惯量进行在线辨识，采用在恒定转速中注入扰动的方法进行机械参数实时辨识。仿真结果表明，所提的方法可以在电机转速恒定的条件下较快速准确地辨识电机的电气和机械参数。
2020, 47(4):49-53.
DOI: 10.12177/emca.2019.179
摘要:
对于交流调速系统中脉宽调制(PWM)过程同时应用空间矢量脉宽调制(SVPWM)和特定谐波消除脉宽调制(SHEPWM)，低频时采用SVPWM，中频时采用SHEPWM。这种混合调制方法避免低频时SHEPWM计算存储量较大和中频时SVPWM谐波特性变差等问题。采用一种谐波电流过零点切换方法，实现了SHEPWM中开关角个数由5~1逐步切换过程的平滑过渡；在与SVPWM的切换过程中，采用参考电压矢量同相切换方法，实现了混合调制之间的平滑过渡。仿真结果验证了理论的正确性。
对于交流调速系统中脉宽调制(PWM)过程同时应用空间矢量脉宽调制(SVPWM)和特定谐波消除脉宽调制(SHEPWM)，低频时采用SVPWM，中频时采用SHEPWM。这种混合调制方法避免低频时SHEPWM计算存储量较大和中频时SVPWM谐波特性变差等问题。采用一种谐波电流过零点切换方法，实现了SHEPWM中开关角个数由5~1逐步切换过程的平滑过渡；在与SVPWM的切换过程中，采用参考电压矢量同相切换方法，实现了混合调制之间的平滑过渡。仿真结果验证了理论的正确性。
2020, 47(4):54-58.
DOI: 10.12177/emca.2019.183
摘要:
研究了一种采用径向振动的驻波型超声波电机。首先分析了电机的结构，然后利用有限元分析软件ANSYS建立定子有限元模型，基于该模型分析了压电陶瓷的结构尺寸对定子振动特性的影响，进而确定了定子的结构尺寸，并进一步分析了定子的瞬态响应特性。最后根据理论分析结果试制了样机，对样机进行了试验测试，测试结果表明,所设计的电机具有较好的输出性能。
研究了一种采用径向振动的驻波型超声波电机。首先分析了电机的结构，然后利用有限元分析软件ANSYS建立定子有限元模型，基于该模型分析了压电陶瓷的结构尺寸对定子振动特性的影响，进而确定了定子的结构尺寸，并进一步分析了定子的瞬态响应特性。最后根据理论分析结果试制了样机，对样机进行了试验测试，测试结果表明,所设计的电机具有较好的输出性能。
2020, 47(4):59-63.
DOI: 10.12177/emca.2019.191
摘要:
设计了一种高压高效管式隔爆型三相异步电动机。介绍了该电机的整体结构及定子、机座、转子、风扇、轴承、接线盒设计特点。该电机在电机效率、圆周偏心布管、高强度隔爆件、轴贯通曲路、稀油润滑滚动轴承、高防护、低振动、低噪声等设计方面具有创新性。通过产品样机测试试验和数据分析证实了该电机的先进性。
设计了一种高压高效管式隔爆型三相异步电动机。介绍了该电机的整体结构及定子、机座、转子、风扇、轴承、接线盒设计特点。该电机在电机效率、圆周偏心布管、高强度隔爆件、轴贯通曲路、稀油润滑滚动轴承、高防护、低振动、低噪声等设计方面具有创新性。通过产品样机测试试验和数据分析证实了该电机的先进性。
2020, 47(4):64-70.
DOI: 10.12177/emca.2020.006
摘要:
针对内燃机车永磁同步发电系统电机运行效率和功率因数较低的问题，应用最大转矩电流比(MTPA)控制策略来控制牵引变流器，并分析电压极限椭圆限制下的MTPA控制，与单位功率因数控制和id=0控制策略下的功角、功率因数和效率进行对比。仿真对比分析表明：id=0控制调速范围较窄，单位功率因数控制高转速下运行不稳定，MTPA控制可以在全速范围内稳定运行，并且提高了永磁同步发电机的功率因数和效率，增加了系统的稳定性。
针对内燃机车永磁同步发电系统电机运行效率和功率因数较低的问题，应用最大转矩电流比(MTPA)控制策略来控制牵引变流器，并分析电压极限椭圆限制下的MTPA控制，与单位功率因数控制和id=0控制策略下的功角、功率因数和效率进行对比。仿真对比分析表明：id=0控制调速范围较窄，单位功率因数控制高转速下运行不稳定，MTPA控制可以在全速范围内稳定运行，并且提高了永磁同步发电机的功率因数和效率，增加了系统的稳定性。
2020, 47(4):71-76.
DOI: 10.12177/emca.2019.181
摘要:
力矩波动系数是衡量无刷力矩电机品质的重要指标。在电机的研制和生产过程中，样机力矩波动系数实测值往往高于设计值。为此，通过样机试验与模拟仿真，从样机生产过程中绕组线圈、三相电流、定转子偏心等分析产生该差异性的原因，结果表明偏心是引起样机实测值大于设计值的主要原因，三相电流、绕组线圈影响次之。通过优化结构设计降低定转子偏心量，并考虑偏心引起的力矩波动对设计值进行修正，可提高力矩波动系数设计值与实测值的一致性。
力矩波动系数是衡量无刷力矩电机品质的重要指标。在电机的研制和生产过程中，样机力矩波动系数实测值往往高于设计值。为此，通过样机试验与模拟仿真，从样机生产过程中绕组线圈、三相电流、定转子偏心等分析产生该差异性的原因，结果表明偏心是引起样机实测值大于设计值的主要原因，三相电流、绕组线圈影响次之。通过优化结构设计降低定转子偏心量，并考虑偏心引起的力矩波动对设计值进行修正，可提高力矩波动系数设计值与实测值的一致性。
2020, 47(4):77-80.
DOI: 10.12177/emca.2019.182
摘要:
永磁辊式涡流分选机是提取火灾现场金属熔落物的重要装置，但是现有分选设备存在分选效率低，体积、质量大等问题，需要对其进行优化。对分选机核心构件磁辊的磁系空间进行了研究。首先，建立涡流分选机磁系空间结构模型，并说明了永磁辊式涡流分选机的工作原理，在磁辊给定时，给出了其磁辊磁块磁系空间的计算方程；然后，结合有限元方法分析了原磁系空间的磁感应强度分布规律，并比较不同外径、不同内径、不同铁环厚度下磁辊磁感应强度的变化规律；最后，提出一种对原涡流分选机的优化设计方案，减轻了分选机的质量，提高了分选机的效率。
永磁辊式涡流分选机是提取火灾现场金属熔落物的重要装置，但是现有分选设备存在分选效率低，体积、质量大等问题，需要对其进行优化。对分选机核心构件磁辊的磁系空间进行了研究。首先，建立涡流分选机磁系空间结构模型，并说明了永磁辊式涡流分选机的工作原理，在磁辊给定时，给出了其磁辊磁块磁系空间的计算方程；然后，结合有限元方法分析了原磁系空间的磁感应强度分布规律，并比较不同外径、不同内径、不同铁环厚度下磁辊磁感应强度的变化规律；最后，提出一种对原涡流分选机的优化设计方案，减轻了分选机的质量，提高了分选机的效率。
2020, 47(4):81-86.
DOI: 10.12177/emca.2019.189
摘要:
为了研究兆瓦级风力发电机内部流体流动与传热特性，以1台异步风力发电机为研究对象，基于计算流体力学(CFD)与数值传热学(NHT)基本原理，采用有限体积法对发电机进行整机建模，对流场与温度场进行数值计算。通过与试验数据的对比分析，验证了计算方法的正确性与准确性。对发电机内部流场温度场进行了分析，获得兆瓦级风力发电机冷却介质流动特性。最后，对发电机通风道布置方案下进行了优化，有效降低了发电机热点温升。
为了研究兆瓦级风力发电机内部流体流动与传热特性，以1台异步风力发电机为研究对象，基于计算流体力学(CFD)与数值传热学(NHT)基本原理，采用有限体积法对发电机进行整机建模，对流场与温度场进行数值计算。通过与试验数据的对比分析，验证了计算方法的正确性与准确性。对发电机内部流场温度场进行了分析，获得兆瓦级风力发电机冷却介质流动特性。最后，对发电机通风道布置方案下进行了优化，有效降低了发电机热点温升。
2020, 47(4):87-91.
DOI: 10.12177/emca.2019.188
摘要:
为了扩大四相开关磁阻电机(SRM)驱动系统的输出功率范围，提出了一种新型不对称T型功率变换器。该功率变换器由改进的T型功率变换器和辅助电路构成：T型变换器为多电平电路，可使得电机绕组在多种模式下工作，控制灵活；辅助电路能够使直流侧分压电容在实现直流侧电压钳位的同时用作电机相电流上升及下降期间的电压抬升。对电机不同运行模式进行了详细分析，并对比了所提T型功率变换器与二极管中性点钳位(NPC)功率变换器的效率及成本。对SRM系统进行了仿真研究，结果表明所提新型T型功率变换器可提升SRM系统的转速及功率输出能力，提高系统整体效率，适用于电机高速运行场合。
为了扩大四相开关磁阻电机(SRM)驱动系统的输出功率范围，提出了一种新型不对称T型功率变换器。该功率变换器由改进的T型功率变换器和辅助电路构成：T型变换器为多电平电路，可使得电机绕组在多种模式下工作，控制灵活；辅助电路能够使直流侧分压电容在实现直流侧电压钳位的同时用作电机相电流上升及下降期间的电压抬升。对电机不同运行模式进行了详细分析，并对比了所提T型功率变换器与二极管中性点钳位(NPC)功率变换器的效率及成本。对SRM系统进行了仿真研究，结果表明所提新型T型功率变换器可提升SRM系统的转速及功率输出能力，提高系统整体效率，适用于电机高速运行场合。
2020, 47(4):92-96.
DOI: 10.12177/emca.2020.003
摘要:
在智能制造中，重载自动导引车(AGV)应用较广，但是大多数灵活性较低。设计了由8个麦克纳姆轮+直流伺服电机+直流伺服驱动器及减速机构成的全向AGV。八轮称重能力强，解决了称重问题，同时由于麦克纳姆轮的特性，移动更灵活。采用CANopen进行伺服驱动器控制和信息采集。通过对麦克纳姆轮运动学进行解算，得到每个轮子的速度，实现了AGV的高精度控制。
在智能制造中，重载自动导引车(AGV)应用较广，但是大多数灵活性较低。设计了由8个麦克纳姆轮+直流伺服电机+直流伺服驱动器及减速机构成的全向AGV。八轮称重能力强，解决了称重问题，同时由于麦克纳姆轮的特性，移动更灵活。采用CANopen进行伺服驱动器控制和信息采集。通过对麦克纳姆轮运动学进行解算，得到每个轮子的速度，实现了AGV的高精度控制。
2020, 47(4):97-102.
DOI: 10.12177/emca.2019.187
摘要:
48 V i-BSG(带传动的智能一体化起动/发电机)电机是汽车混合动力系统的核心零部件。电机具有起动、发电以及能量回收、动力辅助的功能，因此提升发动机低速区域的性能可以获得较好的排放与油耗指标。为了获得电机优良的性能指标，采用电磁学仿真软件，对电机的电磁结构进行优化设计。阐述了电机工作模式以及相应的控制策略。最后进行工程样机的制造和测试验证，结果表明电机性能达到设计指标。与法雷奥公司同类产品进行对比分析得出，在具备相同性能条件下，所设计电机有体积小、低成本等优点，为推向市场应用奠定了坚实的基础。
48 V i-BSG(带传动的智能一体化起动/发电机)电机是汽车混合动力系统的核心零部件。电机具有起动、发电以及能量回收、动力辅助的功能，因此提升发动机低速区域的性能可以获得较好的排放与油耗指标。为了获得电机优良的性能指标，采用电磁学仿真软件，对电机的电磁结构进行优化设计。阐述了电机工作模式以及相应的控制策略。最后进行工程样机的制造和测试验证，结果表明电机性能达到设计指标。与法雷奥公司同类产品进行对比分析得出，在具备相同性能条件下，所设计电机有体积小、低成本等优点，为推向市场应用奠定了坚实的基础。
《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
- 电话：021-62574990-574/462（编辑部），021-62574990-416（广告部）
- 电子邮箱：eec@seari.com.cn （编辑部），wangzm@seari.com.cn（广告部）
- 网址：http://www.motor-abc.cn/djykzyy/home
- 邮发代号：4-199
- 国内定价：15元/册
- 影响因子：0.752
