2020年第47卷第11期文章目次
2020, 47(11):1-9.
DOI: 10.12177/emca.2020.144
摘要:
现有的针对双三相永磁同步电机(PMSM)的无位置传感器算法主要是依靠提取反电动势来估计转速和转子位置，在低速和零速的运行条件下将会失效。研究了一种基于基波脉宽调制(PWM)激励的双三相PMSM无位置传感器算法，在低速和零速运行条件下仍能准确跟踪转子位置。该方法利用双三相电机的数学模型和双三相电机的饱和凸极效应，提取包含在一个PWM周期电流变化率中的转子位置信息，从而实现无传感器控制。通过在仿真环境建立仿真模型验证了该算法的正确性。最后在双三相PMSM试验平台上验证了各种工况下算法的可靠性。
现有的针对双三相永磁同步电机(PMSM)的无位置传感器算法主要是依靠提取反电动势来估计转速和转子位置，在低速和零速的运行条件下将会失效。研究了一种基于基波脉宽调制(PWM)激励的双三相PMSM无位置传感器算法，在低速和零速运行条件下仍能准确跟踪转子位置。该方法利用双三相电机的数学模型和双三相电机的饱和凸极效应，提取包含在一个PWM周期电流变化率中的转子位置信息，从而实现无传感器控制。通过在仿真环境建立仿真模型验证了该算法的正确性。最后在双三相PMSM试验平台上验证了各种工况下算法的可靠性。
2020, 47(11):10-17，24.
DOI: 10.12177/emca.2020.121
摘要:
针对零低速下永磁直线同步电机（PMLSM）的无位置传感器控制方法存在精度低、稳定性差、算法复杂等问题，提出了一种改进的脉振高频注入法的无位置传感器控制方法。在利用PMLSM饱和凸极性进行初步位置估计的基础上，提出了特殊位置校正和磁极判断的方法，从而简便地获得较为准确的动子位置，实现PMLSM零低速下的无位置传感器运行。在此基础上，利用Simulink对PMLSM无位置传感器控制进行仿真建模，并搭建样机试验平台进行试验验证。通过仿真和试验结果表明，所提方法可以准确、快速地检测出PMLSM动子初始位置和低速运行时的动子位置，保证电机平稳起动运行，且具有良好的位置估计精度和动态性能。
针对零低速下永磁直线同步电机（PMLSM）的无位置传感器控制方法存在精度低、稳定性差、算法复杂等问题，提出了一种改进的脉振高频注入法的无位置传感器控制方法。在利用PMLSM饱和凸极性进行初步位置估计的基础上，提出了特殊位置校正和磁极判断的方法，从而简便地获得较为准确的动子位置，实现PMLSM零低速下的无位置传感器运行。在此基础上，利用Simulink对PMLSM无位置传感器控制进行仿真建模，并搭建样机试验平台进行试验验证。通过仿真和试验结果表明，所提方法可以准确、快速地检测出PMLSM动子初始位置和低速运行时的动子位置，保证电机平稳起动运行，且具有良好的位置估计精度和动态性能。
2020, 47(11):18-24.
DOI: 10.12177/emca.2020.133
摘要:
直线磁悬浮同步电机在运行过程中，由于悬浮高度不同以及电枢回路电流引起的电阻变化，系统存在自身参数摄动的问题。针对这一问题，提出一种直线同步电机参数不确定性系统H∞控制方法。首先，分析直线同步电机的结构及其运行机理，建立参数不确定性进给控制系统的数学模型。其次，将控制系统对参数的不确定性以及干扰抑制问题归结为标准H∞状态反馈设计，通过解Riccati不等式的正定解，进而得到参数不确定性控制系统的进给子系统H∞鲁棒控制器。最后，用MATLAB/Simulink软件进行仿真研究。仿真结果表明：当系统存在参数不确定性及外部扰动时，该控制策略具有比PI控制更好的性能，满足对数控机床直线磁悬浮同步电机控制系统的要求。
直线磁悬浮同步电机在运行过程中，由于悬浮高度不同以及电枢回路电流引起的电阻变化，系统存在自身参数摄动的问题。针对这一问题，提出一种直线同步电机参数不确定性系统H∞控制方法。首先，分析直线同步电机的结构及其运行机理，建立参数不确定性进给控制系统的数学模型。其次，将控制系统对参数的不确定性以及干扰抑制问题归结为标准H∞状态反馈设计，通过解Riccati不等式的正定解，进而得到参数不确定性控制系统的进给子系统H∞鲁棒控制器。最后，用MATLAB/Simulink软件进行仿真研究。仿真结果表明：当系统存在参数不确定性及外部扰动时，该控制策略具有比PI控制更好的性能，满足对数控机床直线磁悬浮同步电机控制系统的要求。
2020, 47(11):25-33.
DOI: 10.12177/emca.2020.130
摘要:
设计了模糊调节电压矢量占空比永磁同步电机(PMSM)直接转矩控制(DTC)，采用开关表选择电压矢量，采用模糊控制器确定电压矢量占空比。仿真结果表明，与传统DTC相比，可有效抑制磁链和转矩脉动，但也存在转矩较大时开关表控制失效引起转矩脉动的问题。针对开关表控制失效问题，提出了采用电压矢量选择策略取代开关表来选择电压矢量的改进控制策略。仿真结果表明：改进控制策略可有效抑制因开关表失效引起的转矩脉动，但动态性能较差。因此，进一步提出采用开关表与模糊调节电压矢量占空比的自适应切换控制。动态下，系统采用开关表控制；稳态下，系统采用改进模糊调节电压矢量占空比控制。仿真结果表明，自适应改进模糊调节电压矢量占空比控制可在保证良好稳态性能的基础上提升动态性能。
设计了模糊调节电压矢量占空比永磁同步电机(PMSM)直接转矩控制(DTC)，采用开关表选择电压矢量，采用模糊控制器确定电压矢量占空比。仿真结果表明，与传统DTC相比，可有效抑制磁链和转矩脉动，但也存在转矩较大时开关表控制失效引起转矩脉动的问题。针对开关表控制失效问题，提出了采用电压矢量选择策略取代开关表来选择电压矢量的改进控制策略。仿真结果表明：改进控制策略可有效抑制因开关表失效引起的转矩脉动，但动态性能较差。因此，进一步提出采用开关表与模糊调节电压矢量占空比的自适应切换控制。动态下，系统采用开关表控制；稳态下，系统采用改进模糊调节电压矢量占空比控制。仿真结果表明，自适应改进模糊调节电压矢量占空比控制可在保证良好稳态性能的基础上提升动态性能。
2020, 47(11):34-39.
DOI: 10.12177/emca.2020.134
摘要:
基于马鞍形磁场波形特征解算直线电机位置的方法可为高性价比位置解算提供一种新的选择，其包含离线建数据库和实时解算2部分，实时解算中又以区间匹配为关键。分析了双马鞍形磁场值之间的关系点阵图，提出了在实时解算中利用点距来匹配、确认算法插值区间的算法思路，针对特殊点提出采用点距和变化趋势结合的方法确认插值区间。此外，还研究了数据波动和数据库信息总量对解算方法的影响。与对照样本对比，结果表明使用点距的解算方法物理意义明确，计算精度可以通过数据采集高度参数、数据库数据总量来调整优化，具有较好的研究价值和应用前景。
基于马鞍形磁场波形特征解算直线电机位置的方法可为高性价比位置解算提供一种新的选择，其包含离线建数据库和实时解算2部分，实时解算中又以区间匹配为关键。分析了双马鞍形磁场值之间的关系点阵图，提出了在实时解算中利用点距来匹配、确认算法插值区间的算法思路，针对特殊点提出采用点距和变化趋势结合的方法确认插值区间。此外，还研究了数据波动和数据库信息总量对解算方法的影响。与对照样本对比，结果表明使用点距的解算方法物理意义明确，计算精度可以通过数据采集高度参数、数据库数据总量来调整优化，具有较好的研究价值和应用前景。
2020, 47(11):40-46.
DOI: 10.12177/emca.2020.145
摘要:
为了提高永磁同步电机(PMSM)电流环的电流解耦效果，提出一种基于PI观测器(PIO)的自抗扰电流解耦方法。该方法将PIO和扩张状态观测器相结合，实时准确地估计系统中的扰动，并将观测出的扰动量作为补偿值反馈到输入端，从而实现d、q轴间电流解耦、抑制扰动。对改进前后自抗扰控制器(ADRC)的扰动跟踪性能，闭环控制系统的抗扰性及稳定性做了理论分析。仿真和试验结果表明，引入PIO后，ADRC的扰动观测能力和电流解耦效果得到了提高，验证了所提方法的可行性和有效性。
为了提高永磁同步电机(PMSM)电流环的电流解耦效果，提出一种基于PI观测器(PIO)的自抗扰电流解耦方法。该方法将PIO和扩张状态观测器相结合，实时准确地估计系统中的扰动，并将观测出的扰动量作为补偿值反馈到输入端，从而实现d、q轴间电流解耦、抑制扰动。对改进前后自抗扰控制器(ADRC)的扰动跟踪性能，闭环控制系统的抗扰性及稳定性做了理论分析。仿真和试验结果表明，引入PIO后，ADRC的扰动观测能力和电流解耦效果得到了提高，验证了所提方法的可行性和有效性。
2020, 47(11):47-50.
DOI: 10.12177/emca.2020.149
摘要:
超高速永磁同步电机（PMSM）具有转速高、径向力波阶数低等特点，但定子易共振引发较大噪声。以1台超高速PMSM为例，依据电机实际尺寸，建立了电机电磁场模型和定子结构的3D模态模型。采用有限元法对该电机的径向电磁力进行仿真，分析了引起电机振动的主要电磁力谐波次数，确认了电机电磁噪声的主要来源。最后,通过ANSYS声场的声压级云图研究了超高速PMSM的电磁噪声特性。
超高速永磁同步电机（PMSM）具有转速高、径向力波阶数低等特点，但定子易共振引发较大噪声。以1台超高速PMSM为例，依据电机实际尺寸，建立了电机电磁场模型和定子结构的3D模态模型。采用有限元法对该电机的径向电磁力进行仿真，分析了引起电机振动的主要电磁力谐波次数，确认了电机电磁噪声的主要来源。最后,通过ANSYS声场的声压级云图研究了超高速PMSM的电磁噪声特性。
2020, 47(11):56-61.
DOI: 10.12177/emca.2020.135
摘要:
为了降低牵引电机绕组温升及改进电机外风路的流动效率，以1台机车用永磁同步牵引电机为例，根据电机实际尺寸，建立了电机外风路及定子铁心及绕组模型。基于计算流体力学（CFD）原理，数值模拟了电机外风路流场，计算出电机外风路在不同定子通风孔下的流动情况，并对定子铁心及绕组进行流热耦合计算分析，计算并分析得到了定子通风孔的最佳设计方案，为该型电机定子通风孔的设计提供了参考。
为了降低牵引电机绕组温升及改进电机外风路的流动效率，以1台机车用永磁同步牵引电机为例，根据电机实际尺寸，建立了电机外风路及定子铁心及绕组模型。基于计算流体力学（CFD）原理，数值模拟了电机外风路流场，计算出电机外风路在不同定子通风孔下的流动情况，并对定子铁心及绕组进行流热耦合计算分析，计算并分析得到了定子通风孔的最佳设计方案，为该型电机定子通风孔的设计提供了参考。
2020, 47(11):56-61.
DOI: 10.12177/emca.2020.141
摘要:
为了获得效率高、起动性能好、运行稳定的电机，引入改进的多目标粒子群算法对1台三相四极的异步起动的永磁同步电机（PMSM）进行优化。基于PMSM结构特点，建立了数学模型，选择铁心长度、定子每槽导体数、定子槽型尺寸和永磁体的尺寸为优化变量，效率、功率因数、起动电流倍数、起动转矩倍数和失步转矩倍数为目标。利用MATLAB编写电磁计算程序，将改进的多目标粒子群算法与电磁计算程序相结合，优化电机的效率、功率因数和起动性能。通过对优化结果的分析，证明在满足其他各项性能要求的前提下，优化取得了预期的效果。验证了该算法的有效性。
为了获得效率高、起动性能好、运行稳定的电机，引入改进的多目标粒子群算法对1台三相四极的异步起动的永磁同步电机（PMSM）进行优化。基于PMSM结构特点，建立了数学模型，选择铁心长度、定子每槽导体数、定子槽型尺寸和永磁体的尺寸为优化变量，效率、功率因数、起动电流倍数、起动转矩倍数和失步转矩倍数为目标。利用MATLAB编写电磁计算程序，将改进的多目标粒子群算法与电磁计算程序相结合，优化电机的效率、功率因数和起动性能。通过对优化结果的分析，证明在满足其他各项性能要求的前提下，优化取得了预期的效果。验证了该算法的有效性。
2020, 47(11):62-67.
DOI: 10.12177/emca.2020.138
摘要:
车用驱动电机定子与机壳多采用过盈联接，合适的过盈量需要兼顾多方面需求。通过理论计算和有限元方法，考虑实际应用中的高低温工况，对设计过盈量下的联接强度及传递转矩进行校核。然后，通过仿真分析得到机壳止口变形量，并结合实测数据，进一步验证有限元方法可靠性。提供了一种过盈量有限元校核方法，可指导驱动电机定子组件过盈量和止口配合公差的设计。
车用驱动电机定子与机壳多采用过盈联接，合适的过盈量需要兼顾多方面需求。通过理论计算和有限元方法，考虑实际应用中的高低温工况，对设计过盈量下的联接强度及传递转矩进行校核。然后，通过仿真分析得到机壳止口变形量，并结合实测数据，进一步验证有限元方法可靠性。提供了一种过盈量有限元校核方法，可指导驱动电机定子组件过盈量和止口配合公差的设计。
2020, 47(11):68-74，116.
DOI: 10.12177/emca.2020.143
摘要:
针对低成本纯电动汽车开发了一款单管并联电机控制器。阐述了该单管并联电机控制器的总体设计方案，并对该控制器的硬件和软件设计方案进行了介绍，提出了基于单管IGBT并联的电机控制器设计方案，并对立式水冷散热器进行了热仿真分析，研究了单管并联电机控制器的散热效果。最后，对试验样机进行了台架测试。从测试结果可以看出，所设计单管并联电机控制器具有良好的控制性能。
针对低成本纯电动汽车开发了一款单管并联电机控制器。阐述了该单管并联电机控制器的总体设计方案，并对该控制器的硬件和软件设计方案进行了介绍，提出了基于单管IGBT并联的电机控制器设计方案，并对立式水冷散热器进行了热仿真分析，研究了单管并联电机控制器的散热效果。最后，对试验样机进行了台架测试。从测试结果可以看出，所设计单管并联电机控制器具有良好的控制性能。
2020, 47(11):75-81.
DOI: 10.12177/emca.2020.136
摘要:
轮毂电机因结构简单、驱动灵活的特点广泛应用于轻型电动车辆。电机运行中存在的齿槽效应、逆变器非线性效应及电流谐波等问题，导致电机电磁转矩波动，影响车辆运行的平顺性。通过电磁转矩谐波分析发现其主要成分为低阶谐波。为了有效抑制低次转矩谐波，设计了一种附加三相独立定子绕组的轮毂电机结构，提出了基于电流幅值迭代整定的补偿电流注入方法，采用动态步长二分法实现期望补偿电流幅值的快速收敛。研究结果表明，所提方法可使总谐波失真降低2.80%~5.84%，具有良好的谐波转矩抑制效果。
轮毂电机因结构简单、驱动灵活的特点广泛应用于轻型电动车辆。电机运行中存在的齿槽效应、逆变器非线性效应及电流谐波等问题，导致电机电磁转矩波动，影响车辆运行的平顺性。通过电磁转矩谐波分析发现其主要成分为低阶谐波。为了有效抑制低次转矩谐波，设计了一种附加三相独立定子绕组的轮毂电机结构，提出了基于电流幅值迭代整定的补偿电流注入方法，采用动态步长二分法实现期望补偿电流幅值的快速收敛。研究结果表明，所提方法可使总谐波失真降低2.80%~5.84%，具有良好的谐波转矩抑制效果。
2020, 47(11):82-90，103.
DOI: 10.12177/emca.2020.124
摘要:
利用虚拟同步发电机(VSG)技术，针对微电网逆变器离/并网平滑切换控制策略进行研究。首先，建立VSG数学模型，对VSG功频调节器、励磁调节器和电磁方程等控制部分进行设计，并给出相应的控制框图。其次，对传统离/并网切换原理进行分析，锁相环(PLL)的存在，导致在很大程度上影响预同步速度和精度，针对此问题提出一种改进预同步控制方法，省去PLL环节且只需要2个PI调节器，控制参数减少，切换瞬间冲击电流减小且能够抑制有功、无功功率冲击，有效实现微电网逆变器离/并网平滑切换。最后，通过基于MATLAB/Simulink的仿真结果验证了所提出控制策略的正确性和优越性。
利用虚拟同步发电机(VSG)技术，针对微电网逆变器离/并网平滑切换控制策略进行研究。首先，建立VSG数学模型，对VSG功频调节器、励磁调节器和电磁方程等控制部分进行设计，并给出相应的控制框图。其次，对传统离/并网切换原理进行分析，锁相环(PLL)的存在，导致在很大程度上影响预同步速度和精度，针对此问题提出一种改进预同步控制方法，省去PLL环节且只需要2个PI调节器，控制参数减少，切换瞬间冲击电流减小且能够抑制有功、无功功率冲击，有效实现微电网逆变器离/并网平滑切换。最后，通过基于MATLAB/Simulink的仿真结果验证了所提出控制策略的正确性和优越性。
2020, 47(11):91-97.
DOI: 10.12177/emca.2020.142
摘要:
提出了电气化铁路牵引供电用光伏发电系统的接入拓扑及其电流控制策略。首先，利用V/V变压器将两相牵引电压转换为与电网电压幅值、相位相同的三相电压，为光伏发电系统的接入提供三相平衡电网环境。然后，提出实施于三相静止坐标系中的分相电流控制策略。该策略利用相电流替代正、负序电流作为被控对象，通过对相电流的闭环控制，可在无需正、负序分离提取的条件下完成不对称与三相对称电流的注入，实现光伏发电为牵引负荷供电的自发自用运行和为电网输送功率的全额上网双模式运行。最后，仿真结果验证了所提出接入拓扑与电流控制策略的有效性。
提出了电气化铁路牵引供电用光伏发电系统的接入拓扑及其电流控制策略。首先，利用V/V变压器将两相牵引电压转换为与电网电压幅值、相位相同的三相电压，为光伏发电系统的接入提供三相平衡电网环境。然后，提出实施于三相静止坐标系中的分相电流控制策略。该策略利用相电流替代正、负序电流作为被控对象，通过对相电流的闭环控制，可在无需正、负序分离提取的条件下完成不对称与三相对称电流的注入，实现光伏发电为牵引负荷供电的自发自用运行和为电网输送功率的全额上网双模式运行。最后，仿真结果验证了所提出接入拓扑与电流控制策略的有效性。
2020, 47(11):98-103.
DOI: 10.12177/emca.2020.128
摘要:
三电平逆变器虚拟空间矢量脉宽调制(VSVPWM)应用广泛，但由于是三电平控制，在某些区域会产生窄脉冲，从而带来不必要的开关损耗和热量积累。分析了VSVPWM的窄脉冲分布，利用差模电压和共模电压对窄脉冲进行了抑制，同时将中性点电位控制在小范围内波动。仿真和试验证明了该方法能够抑制绝大部分窄脉冲，并且不会造成输出波形畸变和谐波增加。
三电平逆变器虚拟空间矢量脉宽调制(VSVPWM)应用广泛，但由于是三电平控制，在某些区域会产生窄脉冲，从而带来不必要的开关损耗和热量积累。分析了VSVPWM的窄脉冲分布，利用差模电压和共模电压对窄脉冲进行了抑制，同时将中性点电位控制在小范围内波动。仿真和试验证明了该方法能够抑制绝大部分窄脉冲，并且不会造成输出波形畸变和谐波增加。
2020, 47(11):104-108，116.
DOI: 10.12177/emca.2020.140
摘要:
为了解决通信二次电源数字控制及宽范围输入的问题，实现高功率密度的DC-DC变换，提出了以ADP1046A为核心控制器的两级变换拓扑实现方案。实现了调压与隔离分级，即通过Buck电路实现输入到目标电压的调节，通过全桥电路实现输入与输出的隔离。该方案利用ADP1046A的标准I2C接口实现电源控制与上位机的通信，两级变换不仅能够解决单级变换中变压器体积庞大，难以优化的问题，且可减小输出滤波器体积。利用所搭建的试验样机对相关功能、性能进行验证，试验结果表明，所提DC-DC变换器方案满足相应产品的需求，对于工程设计具有现实的指导意义。
为了解决通信二次电源数字控制及宽范围输入的问题，实现高功率密度的DC-DC变换，提出了以ADP1046A为核心控制器的两级变换拓扑实现方案。实现了调压与隔离分级，即通过Buck电路实现输入到目标电压的调节，通过全桥电路实现输入与输出的隔离。该方案利用ADP1046A的标准I2C接口实现电源控制与上位机的通信，两级变换不仅能够解决单级变换中变压器体积庞大，难以优化的问题，且可减小输出滤波器体积。利用所搭建的试验样机对相关功能、性能进行验证，试验结果表明，所提DC-DC变换器方案满足相应产品的需求，对于工程设计具有现实的指导意义。
2020, 47(11):109-116.
DOI: 10.12177/emca.2020.125
摘要:
电动汽车与电网端的能量传递过程受到广泛研究。以电动汽车用CLLC式双向DC-DC变换器为基础，在电动汽车端增加了超级电容交错并联倍流储能放能回路，提出一种新型高效双向DC-DC变换器。对新型高效双向DC-DC变换器的正向和反向工作过程进行分析，研究了增益特性，提出了开关管实现零电压开关（ZVS）的条件，对开关管电应力进行分析。制作了800 W试验样机，样机测试结果验证了新型双向DC-DC变换器中开关管能实现ZVS，开关管峰值电流小，与传统双向DC-DC变换器相比，效率得到提升。
电动汽车与电网端的能量传递过程受到广泛研究。以电动汽车用CLLC式双向DC-DC变换器为基础，在电动汽车端增加了超级电容交错并联倍流储能放能回路，提出一种新型高效双向DC-DC变换器。对新型高效双向DC-DC变换器的正向和反向工作过程进行分析，研究了增益特性，提出了开关管实现零电压开关（ZVS）的条件，对开关管电应力进行分析。制作了800 W试验样机，样机测试结果验证了新型双向DC-DC变换器中开关管能实现ZVS，开关管峰值电流小，与传统双向DC-DC变换器相比，效率得到提升。
2020, 47(11):117-121.
DOI: 10.12177/emca.2020.123
摘要:
针对高压电机局部放电(PD)在线检测中信号被高斯白噪声和窄带周期干扰淹没这一问题，应用基于改进变分模态分解（VMD）算法进行噪声滤除。为了克服常用的VMD算法可能会造成信号欠分解或过分解的问题，改用能量损失系数作为标准对分解模态数进行算法优化，优化分解后利用峭度值剔除无效模态，重构出PD信号。使用改进算法与现有方法进行了仿真数据对比，结果表明，使用改进的VMD算法可以更有效地滤除PD信号噪声。
针对高压电机局部放电(PD)在线检测中信号被高斯白噪声和窄带周期干扰淹没这一问题，应用基于改进变分模态分解（VMD）算法进行噪声滤除。为了克服常用的VMD算法可能会造成信号欠分解或过分解的问题，改用能量损失系数作为标准对分解模态数进行算法优化，优化分解后利用峭度值剔除无效模态，重构出PD信号。使用改进算法与现有方法进行了仿真数据对比，结果表明，使用改进的VMD算法可以更有效地滤除PD信号噪声。
《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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