2020年第47卷第12期文章目次
2020, 47(12):1-9.
DOI: 10.12177/emca.2020.166
摘要:
用于动力机械设备功率和转矩测量的测功机系统主要由测功电机、测力机构及控制系统组成，广泛应用于机械传动零部件的性能测试。简述了测功机系统在当前工业领域中的重要性，概述了测功机系统的分类，并简要对比分析了各类测功机的优缺点，介绍了各类测功机系统的构成、工作原理及应用场景，总结了测功机系统几种经典的控制策略，最后介绍了测功机在变速器、齿轮箱、发动机及汽车底盘性能测试中的具体应用。
用于动力机械设备功率和转矩测量的测功机系统主要由测功电机、测力机构及控制系统组成，广泛应用于机械传动零部件的性能测试。简述了测功机系统在当前工业领域中的重要性，概述了测功机系统的分类，并简要对比分析了各类测功机的优缺点，介绍了各类测功机系统的构成、工作原理及应用场景，总结了测功机系统几种经典的控制策略，最后介绍了测功机在变速器、齿轮箱、发动机及汽车底盘性能测试中的具体应用。
2020, 47(12):10-16.
DOI: 10.12177/emca.2020.157
摘要:
航空发动机在起动电机起动过程中负载特性会随着转速而变化，同时起动环境的差异以及起动电机自身参数的变化均给起动控制带来了难度。为了解决传统控制策略在处理不确定性问题时的不足，提出了一种基于随机进化灰狼优化算法的分数阶自抗扰控制器(REGWO-FO-ADRC)：利用自抗扰控制，增强起动过程中系统的抗扰动能力；结合分数阶控制，抑制由带宽上限引起的观测器估计误差，保证控制品质；设计基于随机进化的灰狼优化算法，对分数阶控制器的控制参数进行在线自整定；用可变的进化速率描述种群更新过程，增加过程中的随机性，提高全局搜索能力和收敛速度。仿真实验表明，设计的控制器能够有效抑制诸多不确定性对系统的影响，改善航空发动机的起动性能。
航空发动机在起动电机起动过程中负载特性会随着转速而变化，同时起动环境的差异以及起动电机自身参数的变化均给起动控制带来了难度。为了解决传统控制策略在处理不确定性问题时的不足，提出了一种基于随机进化灰狼优化算法的分数阶自抗扰控制器(REGWO-FO-ADRC)：利用自抗扰控制，增强起动过程中系统的抗扰动能力；结合分数阶控制，抑制由带宽上限引起的观测器估计误差，保证控制品质；设计基于随机进化的灰狼优化算法，对分数阶控制器的控制参数进行在线自整定；用可变的进化速率描述种群更新过程，增加过程中的随机性，提高全局搜索能力和收敛速度。仿真实验表明，设计的控制器能够有效抑制诸多不确定性对系统的影响，改善航空发动机的起动性能。
2020, 47(12):17-24.
DOI: 10.12177/emca.2020.148
摘要:
开关磁阻电机（SRM）时变非线性的特点使其精确的数学模型较难建立，当内外扰动较大时，传统PID控制器难以达到良好的控制性能。为了解决上述问题，采用线性自抗扰控制（LADRC）方法设计了SRM调速控制器。将非线性模型的不确定性和负载突然变化等合并作为一个总扰动，设计线性扩张状态观测器对扰动进行估计并进行补偿。采用二阶Lagrange插值多项式去逼近电机位置轨迹，从而计算得到瞬时速度，当电机进行导通角度控制时，依据瞬时速度估算转子位置进行控制。仿真对比表明，LADRC优于传统PID控制器。在DSP28335上对6/4 SRM进行了控制试验。结果表明，LADRC配合二阶Lagrange测速算法能较好地实现电机的提前开通和关断的角度位置控制。
开关磁阻电机（SRM）时变非线性的特点使其精确的数学模型较难建立，当内外扰动较大时，传统PID控制器难以达到良好的控制性能。为了解决上述问题，采用线性自抗扰控制（LADRC）方法设计了SRM调速控制器。将非线性模型的不确定性和负载突然变化等合并作为一个总扰动，设计线性扩张状态观测器对扰动进行估计并进行补偿。采用二阶Lagrange插值多项式去逼近电机位置轨迹，从而计算得到瞬时速度，当电机进行导通角度控制时，依据瞬时速度估算转子位置进行控制。仿真对比表明，LADRC优于传统PID控制器。在DSP28335上对6/4 SRM进行了控制试验。结果表明，LADRC配合二阶Lagrange测速算法能较好地实现电机的提前开通和关断的角度位置控制。
2020, 47(12):25-31.
DOI: 10.12177/emca.2020.160
摘要:
传统表贴式永磁同步电机(SPMSM)模型预测转矩控制(MPTC)需要遍历逆变器生成的全部7个电压矢量，计算量较大。由于零电压矢量使得磁链和转矩缓慢变化，常在转矩误差较小时，被用于保持磁链和转矩。分析了不同转矩误差带下，传统MPTC对零电压矢量使用情况，提出通过转矩误差带动态调整备选电压矢量。当转矩误差位于误差带之内时，电机系统直接输出零电压矢量，无需MPTC，否则，采用逆变器生成的6个非零电压矢量。仿真结果表明：基于转矩误差带的精简控制策略的SPMSM系统运行正常。与传统MPTC相比，控制性能基本相当，平均开关频率降低至20%，平均遍历次数降低至12.43%，有效减少了系统计算负担。
传统表贴式永磁同步电机(SPMSM)模型预测转矩控制(MPTC)需要遍历逆变器生成的全部7个电压矢量，计算量较大。由于零电压矢量使得磁链和转矩缓慢变化，常在转矩误差较小时，被用于保持磁链和转矩。分析了不同转矩误差带下，传统MPTC对零电压矢量使用情况，提出通过转矩误差带动态调整备选电压矢量。当转矩误差位于误差带之内时，电机系统直接输出零电压矢量，无需MPTC，否则，采用逆变器生成的6个非零电压矢量。仿真结果表明：基于转矩误差带的精简控制策略的SPMSM系统运行正常。与传统MPTC相比，控制性能基本相当，平均开关频率降低至20%，平均遍历次数降低至12.43%，有效减少了系统计算负担。
2020, 47(12):32-37.
DOI: 10.12177/emca.2020.153
摘要:
以人体热舒适性为目标，综合考虑汽车空调控制系统的复杂性，对某SUV6双蒸发器汽车空调系统的控制策略进行优化。在联合仿真的基础上，建立了基于模糊PID调节的汽车空调闭环控制系统，引入粒子群优化算法(PSO)优化PID控制器的参数，对风机风速和压缩机开度进行调控。对比PID、模糊PID和PSO模糊PID调节，分析得出：PSO模糊PID控制调节没有超调的缺陷，可以使乘客舱温度更快、更平稳地趋向目标舒适温度，有效降低汽车能耗，满足节能减耗要求。
以人体热舒适性为目标，综合考虑汽车空调控制系统的复杂性，对某SUV6双蒸发器汽车空调系统的控制策略进行优化。在联合仿真的基础上，建立了基于模糊PID调节的汽车空调闭环控制系统，引入粒子群优化算法(PSO)优化PID控制器的参数，对风机风速和压缩机开度进行调控。对比PID、模糊PID和PSO模糊PID调节，分析得出：PSO模糊PID控制调节没有超调的缺陷，可以使乘客舱温度更快、更平稳地趋向目标舒适温度，有效降低汽车能耗，满足节能减耗要求。
2020, 47(12):38-42.
DOI: 10.12177/emca.2020.151
摘要:
为了改善基于PI控制的永磁同步电机（PMSM）调速系统转速超调大和抗扰动能力差的问题，研究一种自适应能力较强的新型指数趋近律。该趋近律在传统指数趋近律的基础上将等速项系数改进为时变量，能让系统更快地收敛到给定值，解决了传统指数趋近律系统收敛速度过慢的问题，并且采用可变边界层的饱和函数来替代传统开关函数从而削弱了滑模抖振现象。采用Lyapunov函数对新型指数趋近律的稳定性进行分析，并以此趋近律设计了速度环滑模控制器。采用MATLAB建模仿真，将其与PI控制结果比较，仿真结果表明基于新型指数趋近律的速度环滑模控制器能有效地提高PMSM调速系统的鲁棒性。
为了改善基于PI控制的永磁同步电机（PMSM）调速系统转速超调大和抗扰动能力差的问题，研究一种自适应能力较强的新型指数趋近律。该趋近律在传统指数趋近律的基础上将等速项系数改进为时变量，能让系统更快地收敛到给定值，解决了传统指数趋近律系统收敛速度过慢的问题，并且采用可变边界层的饱和函数来替代传统开关函数从而削弱了滑模抖振现象。采用Lyapunov函数对新型指数趋近律的稳定性进行分析，并以此趋近律设计了速度环滑模控制器。采用MATLAB建模仿真，将其与PI控制结果比较，仿真结果表明基于新型指数趋近律的速度环滑模控制器能有效地提高PMSM调速系统的鲁棒性。
2020, 47(12):43-48.
DOI: 10.12177/emca.2020.147
摘要:
开绕组直线游标永磁（LVPM）电机具有直流电压利用率高和推力密度大等优点，并且其建设和维护成本低，适用于城市轨道交通的建设。但采用传统直接推力控制时，电机的推力和磁链脉动大，功率单元开关频率不稳定。针对以上问题，分析了LVPM电机的数学模型，研究了基于空间矢量脉宽调制（SVPWM）的直接推力控制策略，提出了一种目标矢量解耦控制策略，并搭建仿真平台。仿真的结果验证了所提出方法的正确性。
开绕组直线游标永磁（LVPM）电机具有直流电压利用率高和推力密度大等优点，并且其建设和维护成本低，适用于城市轨道交通的建设。但采用传统直接推力控制时，电机的推力和磁链脉动大，功率单元开关频率不稳定。针对以上问题，分析了LVPM电机的数学模型，研究了基于空间矢量脉宽调制（SVPWM）的直接推力控制策略，提出了一种目标矢量解耦控制策略，并搭建仿真平台。仿真的结果验证了所提出方法的正确性。
2020, 47(12):49-53.
DOI: 10.12177/emca.2020.131
摘要:
在永磁同步电机(PMSM)无传感器控制技术的基础上，提出了家用电器PMSM的恒功率控制算法。计算功率后通过卡尔曼滤波得到精确的功率值，并设计具有跟踪功能的功率控制环路，自适应地实现PMSM的最大功率控制。完成了控制器和驱动器的设计。实际测试结果表明，该方法可使洗衣机电机保持最大功率运行。
在永磁同步电机(PMSM)无传感器控制技术的基础上，提出了家用电器PMSM的恒功率控制算法。计算功率后通过卡尔曼滤波得到精确的功率值，并设计具有跟踪功能的功率控制环路，自适应地实现PMSM的最大功率控制。完成了控制器和驱动器的设计。实际测试结果表明，该方法可使洗衣机电机保持最大功率运行。
2020, 47(12):54-59.
DOI: 10.12177/emca.2020.156
摘要:
针对用于驱动数控机床的可控励磁直线磁悬浮同步电机特殊结构，对磁热耦合机理进行研究。分析电机在不同电枢电流时磁场对温升的影响，建立该电机二维温度场中热传导的微分方程、热对流的牛顿冷却公式以及温度场的边界条件；确定电机不同材料的导热系数及对流换热系数，给出对流换热系数的解析表达式。采用ANSYS有限元仿真磁热耦合分析方法，分析电机主要热源，应用ANSYS Maxwell软件计算其定子、转子损耗，以此作为电机热源导入Workbench软件对其进行热分析，得到该电机通入不同电枢电流时的温度分布云图。仿真结果表明，可控励磁磁悬浮直线同步电机内发热主要集中在绕组处，随电枢电流的增加而增大。温度场计算数据可为电机设计提供依据。
针对用于驱动数控机床的可控励磁直线磁悬浮同步电机特殊结构，对磁热耦合机理进行研究。分析电机在不同电枢电流时磁场对温升的影响，建立该电机二维温度场中热传导的微分方程、热对流的牛顿冷却公式以及温度场的边界条件；确定电机不同材料的导热系数及对流换热系数，给出对流换热系数的解析表达式。采用ANSYS有限元仿真磁热耦合分析方法，分析电机主要热源，应用ANSYS Maxwell软件计算其定子、转子损耗，以此作为电机热源导入Workbench软件对其进行热分析，得到该电机通入不同电枢电流时的温度分布云图。仿真结果表明，可控励磁磁悬浮直线同步电机内发热主要集中在绕组处，随电枢电流的增加而增大。温度场计算数据可为电机设计提供依据。
2020, 47(12):60-64.
DOI: 10.12177/emca.2020.150
摘要:
分析了永磁同步电机（PMSM）空载反电动势对功率因数的影响。分别建立了PMSM空载反电动势对单传动和多传动变频器影响的数学模型。计算结果表明，多传动结构的变频器既能容许更高的PMSM空载反电动势，又可以显著提高传动系统效率。
分析了永磁同步电机（PMSM）空载反电动势对功率因数的影响。分别建立了PMSM空载反电动势对单传动和多传动变频器影响的数学模型。计算结果表明，多传动结构的变频器既能容许更高的PMSM空载反电动势，又可以显著提高传动系统效率。
2020, 47(12):65-69.
DOI: 10.12177/emca.2020.173
摘要:
机器人关节电机对电机的过载能力、电机重量、响应速度有较高的要求，而传统的力矩电机转子外径较大，转子重量和转动惯量较大，响应慢。基于Halbach阵列设计了一款机器人用关节电机，利用了Halbach阵列的磁屏蔽作用。使用非导磁铝合金作为转子轭部的材料，降低了转子的质量和转动惯量，提高了电机的响应速度。分析了Halbach阵列的优势，列举了几种常见的Halbach阵列结构，确定了电机的尺寸参数。通过电磁场有限元仿真分析了基于Halbach阵列的机器人关节电机的磁钢尺寸对电机性能的影响。最终通过试验验证了该技术的有效性。
机器人关节电机对电机的过载能力、电机重量、响应速度有较高的要求，而传统的力矩电机转子外径较大，转子重量和转动惯量较大，响应慢。基于Halbach阵列设计了一款机器人用关节电机，利用了Halbach阵列的磁屏蔽作用。使用非导磁铝合金作为转子轭部的材料，降低了转子的质量和转动惯量，提高了电机的响应速度。分析了Halbach阵列的优势，列举了几种常见的Halbach阵列结构，确定了电机的尺寸参数。通过电磁场有限元仿真分析了基于Halbach阵列的机器人关节电机的磁钢尺寸对电机性能的影响。最终通过试验验证了该技术的有效性。
2020, 47(12):70-75.
DOI: 10.12177/emca.2020.164
摘要:
设计1台额定功率300 kW、额定转速2 700 r/min的永磁发电机，要求中心高不大于225 mm，则功率密度约是普通电机的6倍，电机的温升控制成为了亟待解决的问题。为了降低电机的温升，设计了水冷机座，通过有限元仿真计算，发现电机绕组端部温升仍然较高。为了进一步降低绕组端部温升，在原水冷机座基础上增加了4条轴向通风道，并使冷却水能够对4条轴向通风道内的冷却气体进行冷却，电机端部温升计算值显著降低。为了验证这种混合冷却结构的可行性，制作了1台样机并进行型式试验，试验结果与设计值基本吻合，从而验证了设计的准确性和轴向通风道对端部绕组散热的有效性。
设计1台额定功率300 kW、额定转速2 700 r/min的永磁发电机，要求中心高不大于225 mm，则功率密度约是普通电机的6倍，电机的温升控制成为了亟待解决的问题。为了降低电机的温升，设计了水冷机座，通过有限元仿真计算，发现电机绕组端部温升仍然较高。为了进一步降低绕组端部温升，在原水冷机座基础上增加了4条轴向通风道，并使冷却水能够对4条轴向通风道内的冷却气体进行冷却，电机端部温升计算值显著降低。为了验证这种混合冷却结构的可行性，制作了1台样机并进行型式试验，试验结果与设计值基本吻合，从而验证了设计的准确性和轴向通风道对端部绕组散热的有效性。
2020, 47(12):76-80.
DOI: 10.12177/emca.2020.154
摘要:
以1台海上6 MW中速永磁风力发电机为研究对象，针对不同电磁方案进行电机电磁特性仿真分析，结果显示：采用不等气隙斜槽电磁方案产生的齿槽转矩仅为额定转矩的0.74%，线电压波形畸变率为1.72%，该电磁方案下的负载特性和短路特性均能满足产品设计要求。冷却方案采用空-空冷却方式，并通过温度特性分析验证了方案的可行性。根据该设计方案制作了2台样机进行试验验证，结果表明电机空载电压、空载损耗、定子绕组温升和效率特性试验结果与仿真分析结果基本吻合，验证了该设计的合理性。
以1台海上6 MW中速永磁风力发电机为研究对象，针对不同电磁方案进行电机电磁特性仿真分析，结果显示：采用不等气隙斜槽电磁方案产生的齿槽转矩仅为额定转矩的0.74%，线电压波形畸变率为1.72%，该电磁方案下的负载特性和短路特性均能满足产品设计要求。冷却方案采用空-空冷却方式，并通过温度特性分析验证了方案的可行性。根据该设计方案制作了2台样机进行试验验证，结果表明电机空载电压、空载损耗、定子绕组温升和效率特性试验结果与仿真分析结果基本吻合，验证了该设计的合理性。
2020, 47(12):81-86.
DOI: 10.12177/emca.2020.162
摘要:
针对光储微电网并网稳定问题提出了一种有限集模型预测控制（FCS-MPC）方案。储能系统双向DC/DC变换器采用电压电流双环控制，以稳定直流母线电压。建立并网逆变器离散化数学模型，将逆变器输出电流作为成本函数控制量，构建电流预测控制器。逆变器电流采用前2步预测,并使用矢量角补偿法对控制过程进行延时补偿。利用MATLAB/Simulink搭建光伏储能微电网仿真模型，对比分析传统控制和模型预测控制的电压电流响应。结果显示,所提方案在负载变化和光伏功率波动情况下，能提高直流母线电压稳定性，减小并网电流畸变率。
针对光储微电网并网稳定问题提出了一种有限集模型预测控制（FCS-MPC）方案。储能系统双向DC/DC变换器采用电压电流双环控制，以稳定直流母线电压。建立并网逆变器离散化数学模型，将逆变器输出电流作为成本函数控制量，构建电流预测控制器。逆变器电流采用前2步预测,并使用矢量角补偿法对控制过程进行延时补偿。利用MATLAB/Simulink搭建光伏储能微电网仿真模型，对比分析传统控制和模型预测控制的电压电流响应。结果显示,所提方案在负载变化和光伏功率波动情况下，能提高直流母线电压稳定性，减小并网电流畸变率。
2020, 47(12):87-91.
DOI: 10.12177/emca.2020.161
摘要:
定子绕组匝间短路故障是永磁同步电机(PMSM)最常见的故障之一。该故障会造成三相电流不平衡，输出转矩剧烈波动，输出能力下降。故障严重时，过大的短路电流会烧毁绕组。为了解决匝间短路故障产生的问题，课题组此前提出了一种具有匝间短路故障自动容错能力的PMSM。针对该特种电机，提出了一种匝间短路故障位置的检测方法。介绍了电机的特殊结构，并通过数学模型推导出利用电机漏磁路特性和原有定子线圈判别故障线圈所在相的方法。使用ANSYS软件建立电机有限元模型，对电机不同匝间短路情况进行仿真，验证了该检测方法的正确性。
定子绕组匝间短路故障是永磁同步电机(PMSM)最常见的故障之一。该故障会造成三相电流不平衡，输出转矩剧烈波动，输出能力下降。故障严重时，过大的短路电流会烧毁绕组。为了解决匝间短路故障产生的问题，课题组此前提出了一种具有匝间短路故障自动容错能力的PMSM。针对该特种电机，提出了一种匝间短路故障位置的检测方法。介绍了电机的特殊结构，并通过数学模型推导出利用电机漏磁路特性和原有定子线圈判别故障线圈所在相的方法。使用ANSYS软件建立电机有限元模型，对电机不同匝间短路情况进行仿真，验证了该检测方法的正确性。
2020, 47(12):92-97.
DOI: 10.12177/emca.2020.158
摘要:
三电平NPC逆变器的开关器件由于耐压水平低、电网侧并网电压谐波含量少等优点，广泛应用于大功率整流场合。中性点电压平衡问题一直是该拓扑的研究关键。通过对每一个开关阶段直流侧两电容充放电的电荷波动数值检测，再通过公式变换，对传统空间矢量脉宽调制(SVPWM)的正负小矢量分次运行时间进行调整，使平衡点上下两电容充放电时间能够保持一致，达到中性点平衡控制的目的。仿真验证表明，该方法能够抑制中性点电压的波动。
三电平NPC逆变器的开关器件由于耐压水平低、电网侧并网电压谐波含量少等优点，广泛应用于大功率整流场合。中性点电压平衡问题一直是该拓扑的研究关键。通过对每一个开关阶段直流侧两电容充放电的电荷波动数值检测，再通过公式变换，对传统空间矢量脉宽调制(SVPWM)的正负小矢量分次运行时间进行调整，使平衡点上下两电容充放电时间能够保持一致，达到中性点平衡控制的目的。仿真验证表明，该方法能够抑制中性点电压的波动。
2020, 47(12):98-104.
DOI: 10.12177/emca.2020.155
摘要:
以企业电机转子车间为试验环境，生产YX3-90L-2转子的整个工艺流程为研究对象，利用工序分析法对车间内每道工艺流程分析并记录，从车间平面布置方向进行模拟研究，提出一种转子车间平面布置方法。新方法节省了2道工艺流程，转子搬运距离从546.10 m缩短至198.38 m，转子运输时间从1 053 s缩短至736 s，避免转子交叉运输5次。减少了转子的搬运距离和搬运时间，提高了转子的生产效率和企业的产能。
以企业电机转子车间为试验环境，生产YX3-90L-2转子的整个工艺流程为研究对象，利用工序分析法对车间内每道工艺流程分析并记录，从车间平面布置方向进行模拟研究，提出一种转子车间平面布置方法。新方法节省了2道工艺流程，转子搬运距离从546.10 m缩短至198.38 m，转子运输时间从1 053 s缩短至736 s，避免转子交叉运输5次。减少了转子的搬运距离和搬运时间，提高了转子的生产效率和企业的产能。
《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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