2021年第48卷第10期文章目次
2021, 48(10):1-6，13.
DOI: 10.12177/emca.2021.084
摘要:
对驱动磁悬浮平台的直线磁悬浮同步电动机(LMSSM)采用基于TS模型的模糊控制。研究LMSSM结构及运行机理，建立LMSSM的数学模型，包括电压方程、推力方程、运动方程。由于LMSSM的数学模型具有不确定性的特征，因此采用TS型模糊控制，选择速度误差e和速度误差的变化率ec作为输入的语言变量，在误差较大时采用灵敏度较高的三角形隶属度函数，在误差趋近于零时采用梯形函数，用函数的线性组合作为该模糊控制器的输出，根据对象的特征提炼出4条模糊控制规则；使用MATLAB对所设计的控制器进行仿真，结果表明，该控制器规则少，控制系统响应速度快，抗扰性能好。
对驱动磁悬浮平台的直线磁悬浮同步电动机(LMSSM)采用基于TS模型的模糊控制。研究LMSSM结构及运行机理，建立LMSSM的数学模型，包括电压方程、推力方程、运动方程。由于LMSSM的数学模型具有不确定性的特征，因此采用TS型模糊控制，选择速度误差e和速度误差的变化率ec作为输入的语言变量，在误差较大时采用灵敏度较高的三角形隶属度函数，在误差趋近于零时采用梯形函数，用函数的线性组合作为该模糊控制器的输出，根据对象的特征提炼出4条模糊控制规则；使用MATLAB对所设计的控制器进行仿真，结果表明，该控制器规则少，控制系统响应速度快，抗扰性能好。
2021, 48(10):7-13.
DOI: 10.12177/emca.2021.092
摘要:
对永磁同步电机的3种模型预测电流控制方案进行了比较研究。传统模型预测电流控制策略在单个采样周期中输出一个电压矢量，选择使价值函数最小的电压矢量输出。双矢量模型预测电流控制策略在单个采样周期中输出2个电压矢量，并分别计算2个电压矢量的作用时间，使输出电压矢量与期望电压矢量更加接近。三矢量模型预测电流控制策略在单个采样周期中输出2个有效电压矢量和一个零矢量，扩大备选电压矢量的覆盖范围，减小电流脉动。为了比较3种控制策略的动、静态性能，进行了对比仿真分析。仿真结果表明，多矢量模型预测电流控制具有良好的动静态性能，与传统模型预测电流控制相比，能有效地减小电流脉动。
对永磁同步电机的3种模型预测电流控制方案进行了比较研究。传统模型预测电流控制策略在单个采样周期中输出一个电压矢量，选择使价值函数最小的电压矢量输出。双矢量模型预测电流控制策略在单个采样周期中输出2个电压矢量，并分别计算2个电压矢量的作用时间，使输出电压矢量与期望电压矢量更加接近。三矢量模型预测电流控制策略在单个采样周期中输出2个有效电压矢量和一个零矢量，扩大备选电压矢量的覆盖范围，减小电流脉动。为了比较3种控制策略的动、静态性能，进行了对比仿真分析。仿真结果表明，多矢量模型预测电流控制具有良好的动静态性能，与传统模型预测电流控制相比，能有效地减小电流脉动。
2021, 48(10):14-19.
DOI: 10.12177/emca.2021.090
摘要:
由于无传感器技术无法直接得到永磁直线同步电机（PMLSM）动子绝对位置，目前的研究中主要是通过速度积分估算动子位置。但是速度是由无传感器技术估算的，与实际速度之间仍存在微小误差，随着电机连续运动，误差量不断积累，最终可能会导致估算位置与实际位置之间的误差发散，甚至可能会使得基于无传感器控制的位置伺服系统崩溃。因此，提出一种全新的低成本、高精度位置校正策略，并进行了仿真验证，仿真结果表明该策略提高了位置估算结果的精度，并且消除了由偏差累积而导致无传感器位置伺服系统崩溃的风险。
由于无传感器技术无法直接得到永磁直线同步电机（PMLSM）动子绝对位置，目前的研究中主要是通过速度积分估算动子位置。但是速度是由无传感器技术估算的，与实际速度之间仍存在微小误差，随着电机连续运动，误差量不断积累，最终可能会导致估算位置与实际位置之间的误差发散，甚至可能会使得基于无传感器控制的位置伺服系统崩溃。因此，提出一种全新的低成本、高精度位置校正策略，并进行了仿真验证，仿真结果表明该策略提高了位置估算结果的精度，并且消除了由偏差累积而导致无传感器位置伺服系统崩溃的风险。
2021, 48(10):20-28.
DOI: 10.12177/emca.2021.095
摘要:
高频信号注入法解决了永磁电机无速度传感控制在零速和低速运行时的许多难题，但是动态性能较慢也是一大不足。针对高频注入永磁同步电机(PMSM)无速度传感器控制动态响应问题，提出了一种基于变结构滑模控制改进的锁相环(PLL)结构。该结构在传统的PLL基础上，通过对高频信号调解后的PLL输入信号进行滑模控制从而提升PLL的动态性能。该方法比传统的PLL结构增强了系统的动态响应能力，且不需要电机参数，由于变结构滑模函数的引入,也增强了系统的鲁棒性能。仿真和试验结果证明，该方法缩短了电机动态响应时间，减小了动态响应过冲，证明了改进算法的可行性与有效性。
高频信号注入法解决了永磁电机无速度传感控制在零速和低速运行时的许多难题，但是动态性能较慢也是一大不足。针对高频注入永磁同步电机(PMSM)无速度传感器控制动态响应问题，提出了一种基于变结构滑模控制改进的锁相环(PLL)结构。该结构在传统的PLL基础上，通过对高频信号调解后的PLL输入信号进行滑模控制从而提升PLL的动态性能。该方法比传统的PLL结构增强了系统的动态响应能力，且不需要电机参数，由于变结构滑模函数的引入,也增强了系统的鲁棒性能。仿真和试验结果证明，该方法缩短了电机动态响应时间，减小了动态响应过冲，证明了改进算法的可行性与有效性。
2021, 48(10):29-34.
DOI: 10.12177/emca.2021.088
摘要:
受到带通滤波器的影响，永磁同步电机(PMSM)脉振注入法中转子位置估算精度较低。为此，提出了一种基于变论域模糊PI的PMSM无传感控制法。利用变论域模糊的方法对转速环上固定的PI参数进行动态调节，达到减少系统延时、提高转子位置估算精度的目的。仿真的结果表明，变论域模糊PI能够用于转子位置估算，并且比传统PI无传感控制法减少了0.331°平均误差。
受到带通滤波器的影响，永磁同步电机(PMSM)脉振注入法中转子位置估算精度较低。为此，提出了一种基于变论域模糊PI的PMSM无传感控制法。利用变论域模糊的方法对转速环上固定的PI参数进行动态调节，达到减少系统延时、提高转子位置估算精度的目的。仿真的结果表明，变论域模糊PI能够用于转子位置估算，并且比传统PI无传感控制法减少了0.331°平均误差。
2021, 48(10):35-40，83.
DOI: 10.12177/emca.2021.087
摘要:
在地铁同一转向架下单逆变器控制两并联异步电机的结构中，轮径差或电机参数不同等因素会导致电机间转矩差和转矩脉动较大。针对这一问题，建立了地铁同一转向架下双异步电机并联时速度耦合的负载模型，采用基于空间矢量调制(SVM)的直接转矩控制(DTC)策略，引入实时计算的加权系数，使DTC权重偏向于转矩较小的电机。该控制方案具有转矩波动更小、逆变器开关频率恒定和电机间的转矩差较小的特点。仿真结果表明，相对于平均DTC，所提出的加权DTC方法有效减小了电机转矩差和降低了转矩脉动。
在地铁同一转向架下单逆变器控制两并联异步电机的结构中，轮径差或电机参数不同等因素会导致电机间转矩差和转矩脉动较大。针对这一问题，建立了地铁同一转向架下双异步电机并联时速度耦合的负载模型，采用基于空间矢量调制(SVM)的直接转矩控制(DTC)策略，引入实时计算的加权系数，使DTC权重偏向于转矩较小的电机。该控制方案具有转矩波动更小、逆变器开关频率恒定和电机间的转矩差较小的特点。仿真结果表明，相对于平均DTC，所提出的加权DTC方法有效减小了电机转矩差和降低了转矩脉动。
2021, 48(10):41-44.
DOI: 10.12177/emca.2021.100
摘要:
定子磁链大多采用反电动势积分而得,反电动势的初值和偏置会导致积分结果存在严重偏差。通过分析三相感应电机定子电压、反电动势、定子磁链的幅值和相位关系，提出了一种新的定子磁链计算方法，该方法原理简单，易于实现，计算量小。通过仿真验证了该方法的可行性与有效性。
定子磁链大多采用反电动势积分而得,反电动势的初值和偏置会导致积分结果存在严重偏差。通过分析三相感应电机定子电压、反电动势、定子磁链的幅值和相位关系，提出了一种新的定子磁链计算方法，该方法原理简单，易于实现，计算量小。通过仿真验证了该方法的可行性与有效性。
2021, 48(10):45-50，70.
DOI: 10.12177/emca.2021.107
摘要:
永磁同步电机性能优良，但无法调节永磁体励磁，导致调速范围小。利用磁桥增大d轴电感以及利用W型永磁体减小q轴电感，提出一种新型的反凸极永磁同步电机（NSPMSM）转子结构。通过理论分析NSPMSM的转矩和弱磁调速的特点，利用有限元方法验证该电机具有反凸极性。研究转子结构参数对NSPMSM电磁转矩和调速性能的影响。有限元弱磁仿真分析结果与理论分析结果相符合，验证了其提高弱磁调速范围的有效性。
永磁同步电机性能优良，但无法调节永磁体励磁，导致调速范围小。利用磁桥增大d轴电感以及利用W型永磁体减小q轴电感，提出一种新型的反凸极永磁同步电机（NSPMSM）转子结构。通过理论分析NSPMSM的转矩和弱磁调速的特点，利用有限元方法验证该电机具有反凸极性。研究转子结构参数对NSPMSM电磁转矩和调速性能的影响。有限元弱磁仿真分析结果与理论分析结果相符合，验证了其提高弱磁调速范围的有效性。
2021, 48(10):51-57.
DOI: 10.12177/emca.2021.103
摘要:
随着全电飞机大量使用，如何实现电机轻量化、提高功率密度从而满足更高性能要求，逐渐成为研究热门问题。以一台全电飞机用外转子表贴式永磁同步电机（SPMSM）为研究对象，基于有限元仿真对6063t6铝合金和钢2种材质下静态力学场进行了分析，确定选用更为轻质的6063t6铝合金材料。在安全系数为10的前提下，轻量化设计端盖厚度2 mm、机壳厚度5 mm。提出了一种镂空式机壳结构，并配合“蟹钳”式加强筋，成功将该结构的安全系数由5.5提高到10以上，优化后机壳成功减重51.92%。对比分析“蟹钳”式与“一字型”加强筋结构，验证了“蟹钳”式加强筋的优越性。结构优化后的电机，既满足轻量化设计又满足可靠运行要求。
随着全电飞机大量使用，如何实现电机轻量化、提高功率密度从而满足更高性能要求，逐渐成为研究热门问题。以一台全电飞机用外转子表贴式永磁同步电机（SPMSM）为研究对象，基于有限元仿真对6063t6铝合金和钢2种材质下静态力学场进行了分析，确定选用更为轻质的6063t6铝合金材料。在安全系数为10的前提下，轻量化设计端盖厚度2 mm、机壳厚度5 mm。提出了一种镂空式机壳结构，并配合“蟹钳”式加强筋，成功将该结构的安全系数由5.5提高到10以上，优化后机壳成功减重51.92%。对比分析“蟹钳”式与“一字型”加强筋结构，验证了“蟹钳”式加强筋的优越性。结构优化后的电机，既满足轻量化设计又满足可靠运行要求。
2021, 48(10):58-64.
DOI: 10.12177/emca.2021.099
摘要:
针对永磁耦合器在运行时导体铜盘侧产热较大而使装置无法正常工作的问题，提出一种能够有效提高导体铜盘散热能力的结构。首先，基于流固耦合数学模型和传热学理论方程，通过有限元仿真计算了不同转差及不同气隙长度下的永磁耦合器的导体铜盘温度分布，并将仿真结果与试验测试结果进行对比，验证了仿真计算方法的准确性。其次，针对导体铜盘温升过高，热量无法导出的问题，提出一种在端盖外侧添加导风散热片的结构，并仿真分析不同形状的散热片对散热效果的影响。最后，仿真分析了导风散热片的高度、厚度以及数量对导体铜盘温升的影响，进而得到导风散热片设计参数的最优区间，为永磁耦合器的风冷散热结构设计提供了科学依据。
针对永磁耦合器在运行时导体铜盘侧产热较大而使装置无法正常工作的问题，提出一种能够有效提高导体铜盘散热能力的结构。首先，基于流固耦合数学模型和传热学理论方程，通过有限元仿真计算了不同转差及不同气隙长度下的永磁耦合器的导体铜盘温度分布，并将仿真结果与试验测试结果进行对比，验证了仿真计算方法的准确性。其次，针对导体铜盘温升过高，热量无法导出的问题，提出一种在端盖外侧添加导风散热片的结构，并仿真分析不同形状的散热片对散热效果的影响。最后，仿真分析了导风散热片的高度、厚度以及数量对导体铜盘温升的影响，进而得到导风散热片设计参数的最优区间，为永磁耦合器的风冷散热结构设计提供了科学依据。
2021, 48(10):65-70.
DOI: 10.12177/emca.2021.105
摘要:
电感参数直接影响电机稳态和动态的运行性能。车用驱动电机的磁路饱和和交叉耦合效应严重，进一步增加了电感参数精确计算的难度。计算电感时若忽略饱和效应的影响，会导致转矩控制精度不足。结合车用电机负载电流范围大、磁路饱和变化复杂的特点，对比分析了视在电感和增量电感随负载电流增大的变化关系及两者之间变化的差异，进而研究了电机斜极对电感的影响。结果表明：在磁路高度饱和时，两种电感的计算结果差距较大，增量自感为视在自感的11%~30%；斜极会影响磁导率的分布，对电机自感参数影响很大，互感次之。
电感参数直接影响电机稳态和动态的运行性能。车用驱动电机的磁路饱和和交叉耦合效应严重，进一步增加了电感参数精确计算的难度。计算电感时若忽略饱和效应的影响，会导致转矩控制精度不足。结合车用电机负载电流范围大、磁路饱和变化复杂的特点，对比分析了视在电感和增量电感随负载电流增大的变化关系及两者之间变化的差异，进而研究了电机斜极对电感的影响。结果表明：在磁路高度饱和时，两种电感的计算结果差距较大，增量自感为视在自感的11%~30%；斜极会影响磁导率的分布，对电机自感参数影响很大，互感次之。
2021, 48(10):71-76，83.
DOI: 10.12177/emca.2021.089
摘要:
针对目前一些采用不对称磁障法降低内置式永磁同步电机(IPMSM)转矩脉动的研究并未细致分析其对电机电磁振动噪声产生何种影响的问题，以一台37 kW IPMSM为研究对象，建立了原始电机和具有不对称磁障结构电机的电磁场有限元模型与振动噪声耦合模型，对比分析了不对称磁障结构对电机振动噪声的影响。从理论上分析了永磁电机径向电磁力波的阶次、频率特征，并利用有限元法与二维傅里叶分解法对得到的气隙处径向电磁力波进行分解。建立定子结构有限元模型，对其进行模态分析。在仿真平台搭建振动噪声耦合模型，仿真得到电机定子振动响应与电磁噪声。结果表明，采用不对称磁障的设计方法虽然能降低电机的转矩脉动并且不会牺牲电机输出转矩，但会产生其他倍频的电磁力，增加相对应频率点的振动响应，增大电机的振动噪声，设计时需综合考虑。
针对目前一些采用不对称磁障法降低内置式永磁同步电机(IPMSM)转矩脉动的研究并未细致分析其对电机电磁振动噪声产生何种影响的问题，以一台37 kW IPMSM为研究对象，建立了原始电机和具有不对称磁障结构电机的电磁场有限元模型与振动噪声耦合模型，对比分析了不对称磁障结构对电机振动噪声的影响。从理论上分析了永磁电机径向电磁力波的阶次、频率特征，并利用有限元法与二维傅里叶分解法对得到的气隙处径向电磁力波进行分解。建立定子结构有限元模型，对其进行模态分析。在仿真平台搭建振动噪声耦合模型，仿真得到电机定子振动响应与电磁噪声。结果表明，采用不对称磁障的设计方法虽然能降低电机的转矩脉动并且不会牺牲电机输出转矩，但会产生其他倍频的电磁力，增加相对应频率点的振动响应，增大电机的振动噪声，设计时需综合考虑。
2021, 48(10):77-83.
DOI: 10.12177/emca.2021.098
摘要:
针对牵引传动系统电机过流的实时诊断与精确故障溯源问题，提出了一种基于故障时序特征模式识别的实时诊断方法。首先对导致牵引电机过流的常见故障源进行分析，接着通过总结与工况强关联的事件时序变化规律，离线设计出电机过流故障时序特征模式诊断规则库，然后在线实时采集相关的传感器信号以及系统工况信息，计算相关特征量和事件标志，并与离线设计好的工况事件时序特征模式诊断规则库中各模式及诊断规则进行实时匹配，从而实现牵引电机过流故障的实时诊断与精确溯源。最后，基于现场故障案例数据进行测试，验证了所提方法的有效性。
针对牵引传动系统电机过流的实时诊断与精确故障溯源问题，提出了一种基于故障时序特征模式识别的实时诊断方法。首先对导致牵引电机过流的常见故障源进行分析，接着通过总结与工况强关联的事件时序变化规律，离线设计出电机过流故障时序特征模式诊断规则库，然后在线实时采集相关的传感器信号以及系统工况信息，计算相关特征量和事件标志，并与离线设计好的工况事件时序特征模式诊断规则库中各模式及诊断规则进行实时匹配，从而实现牵引电机过流故障的实时诊断与精确溯源。最后，基于现场故障案例数据进行测试，验证了所提方法的有效性。
2021, 48(10):84-90，102.
DOI: 10.12177/emca.2021.096
摘要:
为了提高发电机失磁保护的选择性和速动性，提出了一种基于支持向量机（SVM）进行轨迹智能识别的发电机失磁保护方法。机端测量阻抗轨迹蕴含大量发电机运行信息，其运动特征能反映发电机的运行状态。首先对机端测量阻抗轨迹进行运动特征提取，将提取的运动特征序列分别进行统计学参数计算，形成24维特征；其次通过相关系数分析和前向序惯法进行特征选择，形成相应的训练输入特征空间，并采用遗传模拟退火算法对SVM进行参数寻优；最后通过仿真样本验证了该方法可准确识别失磁故障。相比传统失磁保护，该方法提高了发电机失磁保护动作的选择性和速动性。
为了提高发电机失磁保护的选择性和速动性，提出了一种基于支持向量机（SVM）进行轨迹智能识别的发电机失磁保护方法。机端测量阻抗轨迹蕴含大量发电机运行信息，其运动特征能反映发电机的运行状态。首先对机端测量阻抗轨迹进行运动特征提取，将提取的运动特征序列分别进行统计学参数计算，形成24维特征；其次通过相关系数分析和前向序惯法进行特征选择，形成相应的训练输入特征空间，并采用遗传模拟退火算法对SVM进行参数寻优；最后通过仿真样本验证了该方法可准确识别失磁故障。相比传统失磁保护，该方法提高了发电机失磁保护动作的选择性和速动性。
2021, 48(10):91-97，102.
DOI: 10.12177/emca.2021.094
摘要:
特高压（UHV）变电站在站用电切换过程中，调相机循泵电机会出现冲击电流过大导致多级跳闸的情况。为研究切换策略，首先定量分析失电残压的频率和幅值随时间的变化，并进行相关仿真研究。其次对重合闸时的瞬态进行研究，通过仿真模型得到冲击电流随时间的变化规律，发现冲击电流的最大值略滞后于相位相反的点，最小值略滞后于相位相同的点，且该滞后的量取决于失电残压的衰减速率，提出一种基于失电残压和电源电压幅值差的切换方法。针对仿真结果进行分析，为维护人员提供一定的参考依据，尽可能降低投切过程中的冲击电流，避免切换失败。
特高压（UHV）变电站在站用电切换过程中，调相机循泵电机会出现冲击电流过大导致多级跳闸的情况。为研究切换策略，首先定量分析失电残压的频率和幅值随时间的变化，并进行相关仿真研究。其次对重合闸时的瞬态进行研究，通过仿真模型得到冲击电流随时间的变化规律，发现冲击电流的最大值略滞后于相位相反的点，最小值略滞后于相位相同的点，且该滞后的量取决于失电残压的衰减速率，提出一种基于失电残压和电源电压幅值差的切换方法。针对仿真结果进行分析，为维护人员提供一定的参考依据，尽可能降低投切过程中的冲击电流，避免切换失败。
2021, 48(10):98-102.
DOI: 10.12177/emca.2021.093
摘要:
针对一款碳化硅控制器用膜电容器，采用有限元热仿真分析和台架测试相结合的方法研究其内部温度分布情况。设计了膜电容器内部结构，介绍了该膜电容器在碳化硅控制器内部的结构布置情况，建立了膜电容器的热仿真模型，重点研究了膜电容器在碳化硅控制器额定工况下的温度分布规律。制作膜电容器样品并在其内部埋设热电偶，对该膜电容器在额定工况下的实际温度进行了台架测试验证。通过仿真和测试结果的对比分析，证明了采用有限元热仿真研究碳化硅控制器用膜电容器的有效性。研究结果对于碳化硅控制器用膜电容器的高效散热设计具有一定的参考价值。
针对一款碳化硅控制器用膜电容器，采用有限元热仿真分析和台架测试相结合的方法研究其内部温度分布情况。设计了膜电容器内部结构，介绍了该膜电容器在碳化硅控制器内部的结构布置情况，建立了膜电容器的热仿真模型，重点研究了膜电容器在碳化硅控制器额定工况下的温度分布规律。制作膜电容器样品并在其内部埋设热电偶，对该膜电容器在额定工况下的实际温度进行了台架测试验证。通过仿真和测试结果的对比分析，证明了采用有限元热仿真研究碳化硅控制器用膜电容器的有效性。研究结果对于碳化硅控制器用膜电容器的高效散热设计具有一定的参考价值。
2021, 48(10):103-109.
DOI: 10.12177/emca.2021.102
摘要:
两级式单相逆变器的输出瞬时功率包含2倍于输出电压频率的脉动功率，致使前级DC/DC变换器的输入存在二次纹波电流。前级DC/DC变换器控制环路的优化是解决该问题有效且低成本的方法。通过环路等效，给出了单环控制以及双环控制的等效电路模型，基于虚拟阻抗的概念分析了电压外环以及电流内环在二次纹波电流传递过程中的作用。在此基础之上，解释并归纳了现有控制策略的抑制原理，指出其中存在的局限性，并给出了2种优化方案。最后，构建了1.5 kVA两级式单相逆变器原理样机进行了仿真及试验验证，验证了分析方法的可行性以及控制策略优化的有效性。
两级式单相逆变器的输出瞬时功率包含2倍于输出电压频率的脉动功率，致使前级DC/DC变换器的输入存在二次纹波电流。前级DC/DC变换器控制环路的优化是解决该问题有效且低成本的方法。通过环路等效，给出了单环控制以及双环控制的等效电路模型，基于虚拟阻抗的概念分析了电压外环以及电流内环在二次纹波电流传递过程中的作用。在此基础之上，解释并归纳了现有控制策略的抑制原理，指出其中存在的局限性，并给出了2种优化方案。最后，构建了1.5 kVA两级式单相逆变器原理样机进行了仿真及试验验证，验证了分析方法的可行性以及控制策略优化的有效性。
《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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