2021年第48卷第12期文章目次
2021, 48(12):1-6，20.
DOI: 10.12177/emca.2021.143
摘要:
针对航空三级式发电机存在建压超调、响应速度慢、电压稳定性差、负载扰动等问题，在双环调压结构的基础上，设计了一种基于灰狼混合粒子群算法(GWO-PSO)优化的二自由度分数阶PID(2DOF FOPID)调压控制器。利用二自由度控制，增强抗干扰和目标跟踪能力；结合分数阶控制，使参数的整定更加灵活，并具有对被控对象参数变化不敏感的特点，可以提升系统的控制性能；改进的GWO-PSO以灰狼优化算法的机制开始搜索过程，然后用PSO算法改进灰狼的位置，以平衡算法的局部搜索和全局开发的能力，利用改进的优化算法对2DOF FOPID控制器进行参数优化。仿真结果表明，所设计的控制器具有响应速度快、超调小的优点，提高了发电机的动静态性能和抗扰能力。
针对航空三级式发电机存在建压超调、响应速度慢、电压稳定性差、负载扰动等问题，在双环调压结构的基础上，设计了一种基于灰狼混合粒子群算法(GWO-PSO)优化的二自由度分数阶PID(2DOF FOPID)调压控制器。利用二自由度控制，增强抗干扰和目标跟踪能力；结合分数阶控制，使参数的整定更加灵活，并具有对被控对象参数变化不敏感的特点，可以提升系统的控制性能；改进的GWO-PSO以灰狼优化算法的机制开始搜索过程，然后用PSO算法改进灰狼的位置，以平衡算法的局部搜索和全局开发的能力，利用改进的优化算法对2DOF FOPID控制器进行参数优化。仿真结果表明，所设计的控制器具有响应速度快、超调小的优点，提高了发电机的动静态性能和抗扰能力。
2021, 48(12):7-13.
DOI: 10.12177/emca.2021.121
摘要:
建立了感应电机直接转矩控制(DTC)系统、模型预测转矩控制(MPTC)系统、基于占空比调制的DTC和MPTC系统仿真模型，并对四种控制策略进行仿真对比。仿真结果表明：控制性能上，基于占空比调制的MPTC>MPTC>基于占空比调制的DTC>DTC。通过转矩无差拍控制对电压矢量占空比优化调制，可有效减小转矩脉动，提高控制性能。
建立了感应电机直接转矩控制(DTC)系统、模型预测转矩控制(MPTC)系统、基于占空比调制的DTC和MPTC系统仿真模型，并对四种控制策略进行仿真对比。仿真结果表明：控制性能上，基于占空比调制的MPTC>MPTC>基于占空比调制的DTC>DTC。通过转矩无差拍控制对电压矢量占空比优化调制，可有效减小转矩脉动，提高控制性能。
2021, 48(12):14-20.
DOI: 10.12177/emca.2021.138
摘要:
为了提高无传感器控制的内置式永磁同步电机（IPMSM）暂态过程的响应能力和控制平稳性，引入自抗扰控制（ADRC）技术设计电流环，将交叉耦合项作为未知扰动进行观测，以提高控制精度，减少电流的振荡量与超调量；采用线性扩张观测器(LESO)技术提取位置信息，与滑模观测器相比，系统抖振小，具有更高的控制效率和稳定性。对比基于PI电流环无传感器控制系统的收敛速度及跟踪平滑性的仿真和试验结果表明，采用自抗扰控制技术设计的电流环无传感器控制系统适应性更好，电流谐波小，能够实现平滑跟踪。
为了提高无传感器控制的内置式永磁同步电机（IPMSM）暂态过程的响应能力和控制平稳性，引入自抗扰控制（ADRC）技术设计电流环，将交叉耦合项作为未知扰动进行观测，以提高控制精度，减少电流的振荡量与超调量；采用线性扩张观测器(LESO)技术提取位置信息，与滑模观测器相比，系统抖振小，具有更高的控制效率和稳定性。对比基于PI电流环无传感器控制系统的收敛速度及跟踪平滑性的仿真和试验结果表明，采用自抗扰控制技术设计的电流环无传感器控制系统适应性更好，电流谐波小，能够实现平滑跟踪。
2021, 48(12):21-29.
DOI: 10.12177/emca.2021.135
摘要:
针对电动汽车内置式永磁同步电机(IPMSM)的宽速域鲁棒抗扰转速跟踪问题，提出了一种高性能IPMSM非线性控制技术。其中采用最大转矩电流比(MTPA)方案和弱磁方案实现了IPMSM的宽速域运行，并通过泰勒展开对算法进行了化简。考虑消除虚拟控制器的微分噪声，引入二阶滑模微分器对其导数进行了估计，并设计了误差补偿信号。此外，为了提高系统在宽速域运行下的抗干扰能力，设计了一种扰动观测器估计负载转矩，对控制器进行了前馈补偿，并结合积分滑模控制(SMC)增强了系统的鲁棒性。最后，通过李雅普诺夫稳定性判据证明了系统的稳定性。基于FPGA搭建了IPMSM硬件在环(HIL)平台，验证了本文设计的控制器具有优异的抗干扰能力和鲁棒性。
针对电动汽车内置式永磁同步电机(IPMSM)的宽速域鲁棒抗扰转速跟踪问题，提出了一种高性能IPMSM非线性控制技术。其中采用最大转矩电流比(MTPA)方案和弱磁方案实现了IPMSM的宽速域运行，并通过泰勒展开对算法进行了化简。考虑消除虚拟控制器的微分噪声，引入二阶滑模微分器对其导数进行了估计，并设计了误差补偿信号。此外，为了提高系统在宽速域运行下的抗干扰能力，设计了一种扰动观测器估计负载转矩，对控制器进行了前馈补偿，并结合积分滑模控制(SMC)增强了系统的鲁棒性。最后，通过李雅普诺夫稳定性判据证明了系统的稳定性。基于FPGA搭建了IPMSM硬件在环(HIL)平台，验证了本文设计的控制器具有优异的抗干扰能力和鲁棒性。
2021, 48(12):30-36.
DOI: 10.12177/emca.2021.149
摘要:
逆变器非线性和电机反电动势谐波给永磁同步电机（PMSM）系统引入了电流谐波，在对其特性分析的基础上，将复矢量PI控制器用于电流谐波的抑制。在磁场定向矢量控制的d、q轴电流环中，将若干复矢量PI控制器与原有PI控制器并联，其中心频率随着电机转速自适应调节，PI控制器调节d、q轴中的直流分量，通过复矢量PI控制器在中心频率处的高增益无静差跟踪控制d、q轴中不同频率的交流量，从而达到抑制电流谐波的目的。仿真和试验结果表明，复矢量PI控制器对电流的5、7等频次的谐波具有良好的抑制效果。
逆变器非线性和电机反电动势谐波给永磁同步电机（PMSM）系统引入了电流谐波，在对其特性分析的基础上，将复矢量PI控制器用于电流谐波的抑制。在磁场定向矢量控制的d、q轴电流环中，将若干复矢量PI控制器与原有PI控制器并联，其中心频率随着电机转速自适应调节，PI控制器调节d、q轴中的直流分量，通过复矢量PI控制器在中心频率处的高增益无静差跟踪控制d、q轴中不同频率的交流量，从而达到抑制电流谐波的目的。仿真和试验结果表明，复矢量PI控制器对电流的5、7等频次的谐波具有良好的抑制效果。
2021, 48(12):37-42，53.
DOI: 10.12177/emca.2021.125
摘要:
以变频电机定子绕组为研究对象，分析变频器输出的脉宽调制（PWM）脉冲波频率、峰值、上升时间对电机绕组暂态电压分布特性的影响。研究结果显示，频率的增加对电机损耗有直接影响，进而通过损耗影响电压分布，频率和损耗的增加对绕组对地电压与匝间电压幅值都有一定的抑制作用。随着尖峰系数的增大，各线圈对地电压幅值都有所增加，且最大对地电压幅值位置由靠近中性点转移至电机端。尖峰系数对匝间电压分布影响相对较小，匝间电压的变化范围在60~75 V之间，不同尖峰系数下匝间电压分布均匀。脉冲上升沿时间对电压分布影响较大，随着脉冲上升沿时间的减少，对地电压及匝间电压成线性增加。上升沿时间对匝间电压幅值及分布的均匀程度起着决定性的影响。
以变频电机定子绕组为研究对象，分析变频器输出的脉宽调制（PWM）脉冲波频率、峰值、上升时间对电机绕组暂态电压分布特性的影响。研究结果显示，频率的增加对电机损耗有直接影响，进而通过损耗影响电压分布，频率和损耗的增加对绕组对地电压与匝间电压幅值都有一定的抑制作用。随着尖峰系数的增大，各线圈对地电压幅值都有所增加，且最大对地电压幅值位置由靠近中性点转移至电机端。尖峰系数对匝间电压分布影响相对较小，匝间电压的变化范围在60~75 V之间，不同尖峰系数下匝间电压分布均匀。脉冲上升沿时间对电压分布影响较大，随着脉冲上升沿时间的减少，对地电压及匝间电压成线性增加。上升沿时间对匝间电压幅值及分布的均匀程度起着决定性的影响。
2021, 48(12):43-47.
DOI: 10.12177/emca.2021.148
摘要:
为了提高永磁同步电机（PMSM）的性能，选取磁钢厚度、偏心距和极弧系数作为变量，优化电机的齿槽转矩和气隙磁密畸变率。首先通过正交设计法仿真获得各变量的样本空间，然后采用支持向量机(SVM)对仿真数据集进行拟合，得到齿槽转矩和空载气隙磁密畸变率的拟合模型，最后应用多目标文化差分进化（MOCDE）算法进行优化。以一台48槽8极的PMSM为例进行仿真验证，分析结果表明基于SVM的模型准确可靠，结合MOCDE算法能有效优化齿槽转矩和气隙磁密畸变率。
为了提高永磁同步电机（PMSM）的性能，选取磁钢厚度、偏心距和极弧系数作为变量，优化电机的齿槽转矩和气隙磁密畸变率。首先通过正交设计法仿真获得各变量的样本空间，然后采用支持向量机(SVM)对仿真数据集进行拟合，得到齿槽转矩和空载气隙磁密畸变率的拟合模型，最后应用多目标文化差分进化（MOCDE）算法进行优化。以一台48槽8极的PMSM为例进行仿真验证，分析结果表明基于SVM的模型准确可靠，结合MOCDE算法能有效优化齿槽转矩和气隙磁密畸变率。
2021, 48(12):48-53.
DOI: 10.12177/emca.2021.141
摘要:
磁力离合器(MC)安装过程中存在一定的轴系偏差。针对两转子之间存在角向和径向偏差的情况，基于偏差模型和三维有限元方法，分析和研究MC的磁场分布、涡流分布、轴向磁拉力、转矩等基本电磁特性。随着径向偏差距离的增加，气隙磁场和导体盘涡流分布整体沿径向偏差，MC转矩呈下降趋势。随着角向偏差的增加，气隙磁场和涡流密度呈非对称分布，且出现明显的不平衡轴向磁拉力，但是输出转矩先下降然后平稳上升。
磁力离合器(MC)安装过程中存在一定的轴系偏差。针对两转子之间存在角向和径向偏差的情况，基于偏差模型和三维有限元方法，分析和研究MC的磁场分布、涡流分布、轴向磁拉力、转矩等基本电磁特性。随着径向偏差距离的增加，气隙磁场和导体盘涡流分布整体沿径向偏差，MC转矩呈下降趋势。随着角向偏差的增加，气隙磁场和涡流密度呈非对称分布，且出现明显的不平衡轴向磁拉力，但是输出转矩先下降然后平稳上升。
2021, 48(12):54-60，110.
DOI: 10.12177/emca.2021.127
摘要:
随着我国科技水平快速发展，感应电机不再仅仅是传统工农业生产中使用最多的电机，也是电动汽车领域和航天科技等热点问题中应用较为广泛的动力源。对此，电机中的过载保护技术也需要越来越智能化。在传统的电阻法过载保护基础上提出了一种更加智能的保护方法，实现了对电机运行时定子电阻的实时辨识，再通过电阻与温度的关系直接推算出电机内部温度。以一台1DPT160M系列的变频调速感应电机为例进行试验，验证了该方法的可行性，为电机保护器的过载保护技术提供了新方法。
随着我国科技水平快速发展，感应电机不再仅仅是传统工农业生产中使用最多的电机，也是电动汽车领域和航天科技等热点问题中应用较为广泛的动力源。对此，电机中的过载保护技术也需要越来越智能化。在传统的电阻法过载保护基础上提出了一种更加智能的保护方法，实现了对电机运行时定子电阻的实时辨识，再通过电阻与温度的关系直接推算出电机内部温度。以一台1DPT160M系列的变频调速感应电机为例进行试验，验证了该方法的可行性，为电机保护器的过载保护技术提供了新方法。
2021, 48(12):61-65，77.
DOI: 10.12177/emca.2021.140
摘要:
同步调相机在直流输电系统中有着重要作用，为更加及时、直观地了解同步调相机运行状态，利用Java Web技术以及Python编程，实现对同步调相机的实时状态监测与故障的准确预警。前端可视化页面将同步调相机运行数据以散点图、折线图及报表的方式展现。后端故障预警程序对故障的判断以弹出框的形式展现于前端界面中，供工作人员及时了解同步调相机故障信息，保证同步调相机运行的安全稳定性。
同步调相机在直流输电系统中有着重要作用，为更加及时、直观地了解同步调相机运行状态，利用Java Web技术以及Python编程，实现对同步调相机的实时状态监测与故障的准确预警。前端可视化页面将同步调相机运行数据以散点图、折线图及报表的方式展现。后端故障预警程序对故障的判断以弹出框的形式展现于前端界面中，供工作人员及时了解同步调相机故障信息，保证同步调相机运行的安全稳定性。
2021, 48(12):66-70.
DOI: 10.12177/emca.2021.139
摘要:
针对风机轴承振动信号故障特征提取困难的问题，提出了一种基于多尺度模糊熵(MFE)特征提取,并结合乌燕鸥优化算法(STOA)优化支持向量机(SVM)的风机轴承故障诊断方法。首先采集原始振动信号并计算其多层次模糊熵，其次构造故障特征向量集合作为SVM的输入，最后采用STOA优化SVM对轴承故障进行分类诊断。通过凯斯西储大学轴承振动数据进行仿真，结果显示轴承故障诊断准确率达到了99.3%，证明了所提方法具有较高的准确度和有效性。
针对风机轴承振动信号故障特征提取困难的问题，提出了一种基于多尺度模糊熵(MFE)特征提取,并结合乌燕鸥优化算法(STOA)优化支持向量机(SVM)的风机轴承故障诊断方法。首先采集原始振动信号并计算其多层次模糊熵，其次构造故障特征向量集合作为SVM的输入，最后采用STOA优化SVM对轴承故障进行分类诊断。通过凯斯西储大学轴承振动数据进行仿真，结果显示轴承故障诊断准确率达到了99.3%，证明了所提方法具有较高的准确度和有效性。
2021, 48(12):71-77.
DOI: 10.12177/emca.2021.137
摘要:
随着产业升级、可靠性需求逐渐上升，电动机的故障检测成为当前研究的热点问题。由于电机可检测的信号较少、负载工况复杂、信号处理误差等原因，鼠笼型电机转子断条特征存在较难检测的问题。以电机转子断条（坏条）作为研究对象，经过断条故障有限元仿真建模，通过多种信号处理方法研究对比，提出一种准确率较高、抗干扰性较优的检测方法，达到甄别转子断条（坏条）故障类型及预测故障程度的目标。
随着产业升级、可靠性需求逐渐上升，电动机的故障检测成为当前研究的热点问题。由于电机可检测的信号较少、负载工况复杂、信号处理误差等原因，鼠笼型电机转子断条特征存在较难检测的问题。以电机转子断条（坏条）作为研究对象，经过断条故障有限元仿真建模，通过多种信号处理方法研究对比，提出一种准确率较高、抗干扰性较优的检测方法，达到甄别转子断条（坏条）故障类型及预测故障程度的目标。
2021, 48(12):78-84，93.
DOI: 10.12177/emca.2021.129
摘要:
为了准确判断双Y型三相异步电动机不对称运行的故障过程，依据电机不对称理论，借助ANSYS有限元分析软件，建立双Y型三相异步电动机的仿真模型，验证了定子绕组不对称时三相电流异常的特性，分析了电阻不对称率对电机运行特性的影响，讨论了电机运行故障的三种工况。结果表明，由绕组不对称导致的三相电流异常是循环放大的，且三相电流的幅值和相角不对称程度随着故障程度的增大而增大。
为了准确判断双Y型三相异步电动机不对称运行的故障过程，依据电机不对称理论，借助ANSYS有限元分析软件，建立双Y型三相异步电动机的仿真模型，验证了定子绕组不对称时三相电流异常的特性，分析了电阻不对称率对电机运行特性的影响，讨论了电机运行故障的三种工况。结果表明，由绕组不对称导致的三相电流异常是循环放大的，且三相电流的幅值和相角不对称程度随着故障程度的增大而增大。
2021, 48(12):85-93.
DOI: 10.12177/emca.2021.118
摘要:
短期风速具有间歇性、波动性、非线性和非平稳性等特点，具有高度的复杂性，预测难度较大。风速信号可以看成是由复杂度较低、规律较强的简单信号耦合而成，所以可利用分解方法使之分为多尺度的波动分量，降低分量复杂度，增强其规律性，可以提高其预测精度。因此，为了提高神经网络的学习效率，采用Kmeans算法对原始风速数据进行相似日聚类；其次，使用VMD分解风速序列，提取多尺度规律；最后，由于LSTM神经网络捕捉长时间依赖的序列的波动规律的能力较强，使用LSTM神经网络对分解后的风速分量进行预测，将各分量预测值叠加得到最终预测结果。通过大量试验和不同方法之间的比较表明，基于KmeansVMDLSTM的组合预测模型可以有效提高风速短期预测的准确率。
短期风速具有间歇性、波动性、非线性和非平稳性等特点，具有高度的复杂性，预测难度较大。风速信号可以看成是由复杂度较低、规律较强的简单信号耦合而成，所以可利用分解方法使之分为多尺度的波动分量，降低分量复杂度，增强其规律性，可以提高其预测精度。因此，为了提高神经网络的学习效率，采用Kmeans算法对原始风速数据进行相似日聚类；其次，使用VMD分解风速序列，提取多尺度规律；最后，由于LSTM神经网络捕捉长时间依赖的序列的波动规律的能力较强，使用LSTM神经网络对分解后的风速分量进行预测，将各分量预测值叠加得到最终预测结果。通过大量试验和不同方法之间的比较表明，基于KmeansVMDLSTM的组合预测模型可以有效提高风速短期预测的准确率。
2021, 48(12):94-103.
DOI: 10.12177/emca.2021.132
摘要:
分散在MOSFET栅极、源极、漏极的寄生电感由于封装以及印制电路板（PCB）走线，改变了MOSFET的开关特性。通过仿真分析对比，指出MOSFET寄生电感存在如下特性：源极电感对栅极驱动形成负反馈，导致开关速度变慢，采用开尔文连接，可以将栅极回路与功率回路解耦，提高驱动速度；在米勒效应发生时刻需要合理地降低栅极电感来降低栅极驱动电流；漏极电感通过米勒电容影响MOSFET的开通速度，在关断时刻导致电压应力增加；在并联的回路当中，非对称的布局将导致MOSFET之间的动态不均流；当MOSFET在开关过程中，环路电感与MOSFET自身的结电容产生振荡时，可以在电路增加吸收电容减小环路电感，改变振荡特性。
分散在MOSFET栅极、源极、漏极的寄生电感由于封装以及印制电路板（PCB）走线，改变了MOSFET的开关特性。通过仿真分析对比，指出MOSFET寄生电感存在如下特性：源极电感对栅极驱动形成负反馈，导致开关速度变慢，采用开尔文连接，可以将栅极回路与功率回路解耦，提高驱动速度；在米勒效应发生时刻需要合理地降低栅极电感来降低栅极驱动电流；漏极电感通过米勒电容影响MOSFET的开通速度，在关断时刻导致电压应力增加；在并联的回路当中，非对称的布局将导致MOSFET之间的动态不均流；当MOSFET在开关过程中，环路电感与MOSFET自身的结电容产生振荡时，可以在电路增加吸收电容减小环路电感，改变振荡特性。
2021, 48(12):104-110.
DOI: 10.12177/emca.2021.134
摘要:
为提高孤岛有限容量系统的稳定性和经济性，通常采用多台同型或异型发电机组并机运行的方法来实现系统的输出扩容。机组的并机控制、负荷分配策略是决定系统运行稳定的核心因素，因此设计了一种基于CAN总线的柴电机组控制系统。首先，针对CAN总线控制系统进行总体设计；然后，针对柴电机组并机运行要求，对其调速、调压、负荷均衡分配控制策略进行分析研究，制定了并机控制、负荷分配策略；最后，结合工程应用案例，成功实现了该控制系统在同型/异型机组间的应用，该系统还具有完善的发动机燃油控制、故障诊断功能。
为提高孤岛有限容量系统的稳定性和经济性，通常采用多台同型或异型发电机组并机运行的方法来实现系统的输出扩容。机组的并机控制、负荷分配策略是决定系统运行稳定的核心因素，因此设计了一种基于CAN总线的柴电机组控制系统。首先，针对CAN总线控制系统进行总体设计；然后，针对柴电机组并机运行要求，对其调速、调压、负荷均衡分配控制策略进行分析研究，制定了并机控制、负荷分配策略；最后，结合工程应用案例，成功实现了该控制系统在同型/异型机组间的应用，该系统还具有完善的发动机燃油控制、故障诊断功能。
2021, 48(12):111-119.
DOI: 10.12177/emca.2021.144
摘要:
核电厂柴油发电机需要具备起动速度快、有功功率大、供电时间长、可靠性高、带载性能好等特点，而机组的调速系统作为机组的核心控制部件，对机组的稳定可靠运行起着至关重要的作用。为解决柴油发电机在外电网运行状况波动时传统调速控制方法引起的低频振荡等问题，提出了一种基于电力系统稳定器（PSS）和模糊PID控制的柴油发电机调速方法。基于MATLAB Simulink仿真软件搭建柴油发电机调速系统模型，将实际工程运行数据与基于PSS和PID的转速控制方法进行仿真对比。结果表明该方法具有较高的适应性和鲁棒性，不仅提高了柴油机转速的控制精度，还加强了端电压与功率的稳定。
核电厂柴油发电机需要具备起动速度快、有功功率大、供电时间长、可靠性高、带载性能好等特点，而机组的调速系统作为机组的核心控制部件，对机组的稳定可靠运行起着至关重要的作用。为解决柴油发电机在外电网运行状况波动时传统调速控制方法引起的低频振荡等问题，提出了一种基于电力系统稳定器（PSS）和模糊PID控制的柴油发电机调速方法。基于MATLAB Simulink仿真软件搭建柴油发电机调速系统模型，将实际工程运行数据与基于PSS和PID的转速控制方法进行仿真对比。结果表明该方法具有较高的适应性和鲁棒性，不仅提高了柴油机转速的控制精度，还加强了端电压与功率的稳定。
《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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