2021年第48卷第3期文章目次
2021, 48(3):1-6.
DOI: 10.12177/emca.2020.213
摘要:
随着电磁发射系统(EMLS)应用场景的多样化发展，单一储能器件无法同时满足不同种类载荷发射过程中高功率密度和高能量密度的储能需求。为此，分析了EMLS短时间歇式运行模式下的储能需求，介绍了EMLS储能技术的研究现状及现有缺陷。在此基础上，对“锂电池-超级电容”混合储能应用于EMLS所需要攻克的储能器件选择、并联结构设计、容量配置和实时控制等关键技术进行了论述与总结，并对电磁发射混合储能技术的未来研究与发展方向提出了展望。
随着电磁发射系统(EMLS)应用场景的多样化发展，单一储能器件无法同时满足不同种类载荷发射过程中高功率密度和高能量密度的储能需求。为此，分析了EMLS短时间歇式运行模式下的储能需求，介绍了EMLS储能技术的研究现状及现有缺陷。在此基础上，对“锂电池-超级电容”混合储能应用于EMLS所需要攻克的储能器件选择、并联结构设计、容量配置和实时控制等关键技术进行了论述与总结，并对电磁发射混合储能技术的未来研究与发展方向提出了展望。
2021, 48(3):7-15.
DOI: 10.12177/emca.2020.214
摘要:
为了减少共母线开绕组永磁同步电机(OW-PMSM)驱动系统中的电流谐波，抑制由径向电磁力引发的电机振动，提出了一种基于零序电流闭环的零矢量重分配随机开关频率空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法。该算法通过选取的零矢量产生共模电压，抵消由非零电压矢量带来的共模电压，将零序电流闭环后动态抑制零序电流，有效地减少了相电流3次谐波含量。同时，针对调制策略固有的相电流高频谐波分量，通过SVPWM中开关频率随机化，使得开关频率及其整数倍处高频谐波幅值大大减少。试验结果表明，该方法能有效降低高低频段电流谐波幅值，实现OW-PMSM全频段的减振控制。
为了减少共母线开绕组永磁同步电机(OW-PMSM)驱动系统中的电流谐波，抑制由径向电磁力引发的电机振动，提出了一种基于零序电流闭环的零矢量重分配随机开关频率空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法。该算法通过选取的零矢量产生共模电压，抵消由非零电压矢量带来的共模电压，将零序电流闭环后动态抑制零序电流，有效地减少了相电流3次谐波含量。同时，针对调制策略固有的相电流高频谐波分量，通过SVPWM中开关频率随机化，使得开关频率及其整数倍处高频谐波幅值大大减少。试验结果表明，该方法能有效降低高低频段电流谐波幅值，实现OW-PMSM全频段的减振控制。
2021, 48(3):16-21.
DOI: 10.12177/emca.2020.221
摘要:
针对永磁同步电机（PMSM）多参量辨识数学模型欠秩的情况，将电机参数分为快变化和慢变化2种类型参数，结合慢参量入口和电机稳态信息建立慢辨识模型和快辨识模型，提出了一种改进的分步迭代在线辨识方法。该方法基于电机在旋转坐标系下的稳态电压方程，分时分步固定慢变化参数，利用遗忘因子递推最小二乘算法，能够辨识表贴式永磁同步电机（SPMSM）的3个电气参数，计算压力小，辨识速度快，适于工程应用。以DSP控制器和测功机试验平台为基础的试验证明了辨识方法的可行性。
针对永磁同步电机（PMSM）多参量辨识数学模型欠秩的情况，将电机参数分为快变化和慢变化2种类型参数，结合慢参量入口和电机稳态信息建立慢辨识模型和快辨识模型，提出了一种改进的分步迭代在线辨识方法。该方法基于电机在旋转坐标系下的稳态电压方程，分时分步固定慢变化参数，利用遗忘因子递推最小二乘算法，能够辨识表贴式永磁同步电机（SPMSM）的3个电气参数，计算压力小，辨识速度快，适于工程应用。以DSP控制器和测功机试验平台为基础的试验证明了辨识方法的可行性。
2021, 48(3):22-26.
DOI: 10.12177/emca.2020.220
摘要:
针对永磁同步电机(PMSM)滑模控制指数趋近律中趋近速度与抖振之间的矛盾问题，基于快速幂次趋近律提出一种幂次项系数自适应调节的新型趋近律。所提趋近律将系统状态引入幂次项系数中，实现了系统状态由较远处到滑模面附近的趋近过程中加入幂次项的作用，在保证幂次项特点的前提下，动态响应过程的收敛速度大大提高。负载转矩是滑模速度控制器中的一个扰动项，设计了带有幂次项的滑模观测器，将观测值作为转矩前馈补偿。仿真结果表明,与快速幂次趋近律相比，所提趋近律具有更快的收敛速度，负载观测器能准确跟踪负载变化，提升了系统抗扰性能。
针对永磁同步电机(PMSM)滑模控制指数趋近律中趋近速度与抖振之间的矛盾问题，基于快速幂次趋近律提出一种幂次项系数自适应调节的新型趋近律。所提趋近律将系统状态引入幂次项系数中，实现了系统状态由较远处到滑模面附近的趋近过程中加入幂次项的作用，在保证幂次项特点的前提下，动态响应过程的收敛速度大大提高。负载转矩是滑模速度控制器中的一个扰动项，设计了带有幂次项的滑模观测器，将观测值作为转矩前馈补偿。仿真结果表明,与快速幂次趋近律相比，所提趋近律具有更快的收敛速度，负载观测器能准确跟踪负载变化，提升了系统抗扰性能。
2021, 48(3):27-35.
DOI: 10.12177/emca.2020.211
摘要:
在减速比较大的末端齿轮传动机构中，齿隙的存在将导致系统的动态性能表现大幅降低。针对常见的对齿隙进行数学建模及仿真的分析方法，在Creo中建立实体模型，导入Adams并与MATLAB/Simulink进行联合仿真的方式来验证双电机驱动消隙策略的有效性，并设计基于双电机控制系统的扩张状态观测器(ESO)对扰动进行补偿。仿真结果表明：采用的双电机同步消隙策略能有效解决末端齿轮传动机构的齿隙问题，所设计的补偿器能可靠抑制扰动对伺服系统的影响。
在减速比较大的末端齿轮传动机构中，齿隙的存在将导致系统的动态性能表现大幅降低。针对常见的对齿隙进行数学建模及仿真的分析方法，在Creo中建立实体模型，导入Adams并与MATLAB/Simulink进行联合仿真的方式来验证双电机驱动消隙策略的有效性，并设计基于双电机控制系统的扩张状态观测器(ESO)对扰动进行补偿。仿真结果表明：采用的双电机同步消隙策略能有效解决末端齿轮传动机构的齿隙问题，所设计的补偿器能可靠抑制扰动对伺服系统的影响。
2021, 48(3):36-41.
DOI: 10.12177/emca.2020.208
摘要:
传统模型预测控制(MPC)需要对永磁同步电机(PMSM)的所有电压矢量进行动态预测，存在计算量大，计算周期长的问题。因此，提出一种改进型模型预测电流控制(MPCC)方案，该方案采用一种缩减电压矢量选择的方式，降低了算法的冗余度和计算量，提高了控制效率。在此基础上，采用全阶滑模观测器对PMSM的转子位置和转速进行精准估测，在设计全阶滑模观测器的过程中，将模糊控制的思想融入传统滑模观测器中，有效解决了转子位置和转速在观测过程中存在抖振的问题。最后，通过仿真验证了该方案的正确性和实用性。
传统模型预测控制(MPC)需要对永磁同步电机(PMSM)的所有电压矢量进行动态预测，存在计算量大，计算周期长的问题。因此，提出一种改进型模型预测电流控制(MPCC)方案，该方案采用一种缩减电压矢量选择的方式，降低了算法的冗余度和计算量，提高了控制效率。在此基础上，采用全阶滑模观测器对PMSM的转子位置和转速进行精准估测，在设计全阶滑模观测器的过程中，将模糊控制的思想融入传统滑模观测器中，有效解决了转子位置和转速在观测过程中存在抖振的问题。最后，通过仿真验证了该方案的正确性和实用性。
2021, 48(3):42-48.
DOI: 10.12177/emca.2020.212
摘要:
以某款增程器用48 V永磁同步发电机（PMSG）的空载气隙磁密波形畸变率为优化目标，永磁体极弧系数、气隙长度、磁钢厚度、磁极偏心距为变量，磁钢质量和电机效率为评价参考指标，利用RMxprt参数化扫描功能和Taguchi方法建立正交试验矩阵，ANSYS Maxwell二维有限元仿真分析得到数据样本。通过傅里叶模型拟合样本数据，构造适应度函数。最后，采用粒子群算法（PSO）进行寻优，得到了一组最优的磁钢参数并进行有限元验证。结果表明，采用Taguchi-PSO方法，使空载气隙磁密波形得到了较大改善，并减少了磁钢用量。
以某款增程器用48 V永磁同步发电机（PMSG）的空载气隙磁密波形畸变率为优化目标，永磁体极弧系数、气隙长度、磁钢厚度、磁极偏心距为变量，磁钢质量和电机效率为评价参考指标，利用RMxprt参数化扫描功能和Taguchi方法建立正交试验矩阵，ANSYS Maxwell二维有限元仿真分析得到数据样本。通过傅里叶模型拟合样本数据，构造适应度函数。最后，采用粒子群算法（PSO）进行寻优，得到了一组最优的磁钢参数并进行有限元验证。结果表明，采用Taguchi-PSO方法，使空载气隙磁密波形得到了较大改善，并减少了磁钢用量。
2021, 48(3):49-54.
DOI: 10.12177/emca.2020.209
摘要:
研究了用于磁悬浮列车牵引系统的混合励磁磁通切换直线磁悬浮电动机(HEFSLMSM)。该电动机的永磁体、励磁绕组以及电枢绕组均位于初级短动子上,而次级长定子仅由导磁铁心构成,适合于长定子磁悬浮列车的应用场合，结构简单、价格低廉、坚固耐用,可大大降低系统成本。通过研究HEFSLMSM磁悬浮运行原理，建立HEFSLMSM的磁链方程、电压方程,并且根据磁链方程和电压方程推导出磁悬浮力和电磁推力的数学模型。对电动机静态特性以及电磁力进行有限元计算,结果验证了该电动机磁悬浮运行的可行性。
研究了用于磁悬浮列车牵引系统的混合励磁磁通切换直线磁悬浮电动机(HEFSLMSM)。该电动机的永磁体、励磁绕组以及电枢绕组均位于初级短动子上,而次级长定子仅由导磁铁心构成,适合于长定子磁悬浮列车的应用场合，结构简单、价格低廉、坚固耐用,可大大降低系统成本。通过研究HEFSLMSM磁悬浮运行原理，建立HEFSLMSM的磁链方程、电压方程,并且根据磁链方程和电压方程推导出磁悬浮力和电磁推力的数学模型。对电动机静态特性以及电磁力进行有限元计算,结果验证了该电动机磁悬浮运行的可行性。
2021, 48(3):55-61.
DOI: 10.12177/emca.2020.206
摘要:
高压电机的定子通常采用成型绕组，同时需配套开口槽，导致电机成本增加、气隙磁场谐波含量增大、齿槽转矩增大等一系列问题。为了解决上述问题，可以采用散嵌圆铜线绕组。对于高压电机采用散绕组，绝缘问题是关注和研究的重点。以1台高压散绕组电机为例，利用有限元法分析了高压电机采用散绕组的绝缘结构可靠性，分别分析了匝间绝缘、主绝缘、层间绝缘和端部绝缘的绝缘情况以及主绝缘被冲片毛刺划伤情况下的电场强度分布，并根据分析结果针对电机槽内绝缘做出了优化，制造了1台样机并对样机进行了耐电压试验。验证了高压电机定子采用散绕组在一定程度上是可行的，为高压电机定子绝缘结构设计提供了参考。
高压电机的定子通常采用成型绕组，同时需配套开口槽，导致电机成本增加、气隙磁场谐波含量增大、齿槽转矩增大等一系列问题。为了解决上述问题，可以采用散嵌圆铜线绕组。对于高压电机采用散绕组，绝缘问题是关注和研究的重点。以1台高压散绕组电机为例，利用有限元法分析了高压电机采用散绕组的绝缘结构可靠性，分别分析了匝间绝缘、主绝缘、层间绝缘和端部绝缘的绝缘情况以及主绝缘被冲片毛刺划伤情况下的电场强度分布，并根据分析结果针对电机槽内绝缘做出了优化，制造了1台样机并对样机进行了耐电压试验。验证了高压电机定子采用散绕组在一定程度上是可行的，为高压电机定子绝缘结构设计提供了参考。
2021, 48(3):62-67.
DOI: 10.12177/emca.2020.207
摘要:
从Park方程的基本原理出发，建立了六相同步发电机的基本方程，得到了六相同步发电机的d轴等值电路和q轴等值电路。等值电路中的综合互感抗体现了六相同步发电机2个Y之间的磁耦作用，由电枢反应电抗和综合漏互感抗2部分组成。通过对六相同步发电机单Y运行(另一Y开路)和双Y运行的分析，得出双Y运行同步电抗为2倍的单Y运行同步电抗与单Y自漏抗之差。以空载短路试验的实例，测试了六相同步发电机特性曲线，以及d轴同步电抗、自漏抗和短路比。从电磁理论分析和实际运行特性2方面，验证了六相同步发电机的稳态电磁参数。
从Park方程的基本原理出发，建立了六相同步发电机的基本方程，得到了六相同步发电机的d轴等值电路和q轴等值电路。等值电路中的综合互感抗体现了六相同步发电机2个Y之间的磁耦作用，由电枢反应电抗和综合漏互感抗2部分组成。通过对六相同步发电机单Y运行(另一Y开路)和双Y运行的分析，得出双Y运行同步电抗为2倍的单Y运行同步电抗与单Y自漏抗之差。以空载短路试验的实例，测试了六相同步发电机特性曲线，以及d轴同步电抗、自漏抗和短路比。从电磁理论分析和实际运行特性2方面，验证了六相同步发电机的稳态电磁参数。
2021, 48(3):68-74.
DOI: 10.12177/emca.2020.217
摘要:
针对传统的并联接口变换器控制策略存在功率分配精度低、惯性小以及循环功率等问题，提出了交直流混合微电网并联接口变换器的虚拟同步发电机(VSG)控制策略。将小交流电压信号源注入到直流子网的DC/DC转换器中，使直流子网的功率-电压下垂控制变为功率-频率下垂控制。将原本采集的局部母线直流电压变为全局直流叠加频率，从而将直流子网的叠加频率与虚拟同步机的虚拟频率差值作为VSG的机械力矩。通过与传统控制策略的仿真结果比对分析，验证了所提方法的有效性和优越性。
针对传统的并联接口变换器控制策略存在功率分配精度低、惯性小以及循环功率等问题，提出了交直流混合微电网并联接口变换器的虚拟同步发电机(VSG)控制策略。将小交流电压信号源注入到直流子网的DC/DC转换器中，使直流子网的功率-电压下垂控制变为功率-频率下垂控制。将原本采集的局部母线直流电压变为全局直流叠加频率，从而将直流子网的叠加频率与虚拟同步机的虚拟频率差值作为VSG的机械力矩。通过与传统控制策略的仿真结果比对分析，验证了所提方法的有效性和优越性。
2021, 48(3):75-80.
DOI: 10.12177/emca.2020.219
摘要:
模块化多电平变换器(MMC)子模块(SM)的数量与直流侧电压成正比，当SM增加时，会导致MMC的开关损耗急剧增加，因此降低功率器件的开关频率一直是MMC的重要研究方向之一。采用最近电平逼近调制(NLM)方式，提出一种基于全桥型SM的改进均压排序法，旨在降低MMC中功率器件IGBT的开关频率，该方法实现相对简单，无需额外的控制器，且易于扩展。最后，通过在MATLAB/Simulink平台搭建了19个全桥SM的仿真模型，验证了该方法的有效性。验证了所提全桥型SM优化均压策略，可以有效避免IGBT不必要的反复投切，降低IGBT的开关损耗，同时对外部输出特性不会产生负面影响。
模块化多电平变换器(MMC)子模块(SM)的数量与直流侧电压成正比，当SM增加时，会导致MMC的开关损耗急剧增加，因此降低功率器件的开关频率一直是MMC的重要研究方向之一。采用最近电平逼近调制(NLM)方式，提出一种基于全桥型SM的改进均压排序法，旨在降低MMC中功率器件IGBT的开关频率，该方法实现相对简单，无需额外的控制器，且易于扩展。最后，通过在MATLAB/Simulink平台搭建了19个全桥SM的仿真模型，验证了该方法的有效性。验证了所提全桥型SM优化均压策略，可以有效避免IGBT不必要的反复投切，降低IGBT的开关损耗，同时对外部输出特性不会产生负面影响。
2021, 48(3):81-86.
DOI: 10.12177/emca.2020.199
摘要:
LLC谐振变换器由于谐振特性，能够较容易实现软开关和增大变换器功率密度，在中大功率场合得到广泛应用。为了增大功率密度提高输出容量，设计了一种非对称半桥交错并联输出式LLC谐振DC-DC变换器，对变换器的工作过程进行了分析。分析了不同k值对变换器的影响，对谐振网络进行了等效分析。不同谐振频率下变换器分布在不同的工作区域，不同的工作区域中开关MOS管实现软开关过程的难易程度不等。通过仿真和样机测试验证了设计的变换器开关管能够实现零电压开关（ZVS），能够有效减小变换器的开关损耗。
LLC谐振变换器由于谐振特性，能够较容易实现软开关和增大变换器功率密度，在中大功率场合得到广泛应用。为了增大功率密度提高输出容量，设计了一种非对称半桥交错并联输出式LLC谐振DC-DC变换器，对变换器的工作过程进行了分析。分析了不同k值对变换器的影响，对谐振网络进行了等效分析。不同谐振频率下变换器分布在不同的工作区域，不同的工作区域中开关MOS管实现软开关过程的难易程度不等。通过仿真和样机测试验证了设计的变换器开关管能够实现零电压开关（ZVS），能够有效减小变换器的开关损耗。
2021, 48(3):87-93.
DOI: 10.12177/emca.2020.216
摘要:
随着新能源的并网与特高压直流输电的发展，电网对无功调节的要求也逐步提高，因此大型调相机再次被投入使用。为了便于对调相机轴承进行故障诊断，提出了一种基于随机子空间识别(SSI)和多核支持向量机(MSVM)的故障诊断方法。在调相机轴承外侧表面不同的位置利用振动传感器采集振动信号，利用随机子空间模型进行特征提取，再根据高斯支持向量机和多核学习方法构造MSVM，然后将提取出的特征数据输入MSVM进行故障诊断。试验结果证明，基于SSI-MSVM的故障诊断方法能够适用于调相机轴承，且可以成功对故障进行辨识。
随着新能源的并网与特高压直流输电的发展，电网对无功调节的要求也逐步提高，因此大型调相机再次被投入使用。为了便于对调相机轴承进行故障诊断，提出了一种基于随机子空间识别(SSI)和多核支持向量机(MSVM)的故障诊断方法。在调相机轴承外侧表面不同的位置利用振动传感器采集振动信号，利用随机子空间模型进行特征提取，再根据高斯支持向量机和多核学习方法构造MSVM，然后将提取出的特征数据输入MSVM进行故障诊断。试验结果证明，基于SSI-MSVM的故障诊断方法能够适用于调相机轴承，且可以成功对故障进行辨识。
2021, 48(3):94-98.
DOI: 10.12177/emca.2020.218
摘要:
振动试验是驱动电机系统设计验证及电动汽车可靠性重要测试项目。简要分析了振动试验国标、ISO、IEC标准的关系，试验条件及应用现状。主要分析了依据现行国标GB/T 18488.1—2015进行振动试验的不足，并探讨了振动测试标准修订改进方向。
振动试验是驱动电机系统设计验证及电动汽车可靠性重要测试项目。简要分析了振动试验国标、ISO、IEC标准的关系，试验条件及应用现状。主要分析了依据现行国标GB/T 18488.1—2015进行振动试验的不足，并探讨了振动测试标准修订改进方向。
2021, 48(3):99-103.
DOI: 10.12177/emca.2020.200
摘要:
为了使内燃机车永磁同步发电系统在内燃机全速范围内和突变性负载条件下均能稳定控制中间直流环节电压且减小电压的脉振，采用Super-Twisting高阶滑模算法对电压外环进行控制得到给定转矩，与传统PI外环控制相比，中间直流环节电压开始的超调减小，且电压跟随性、稳定性得到提升。同时，为了提高发电系统变流器容量利用率，在矢量控制的基础上，提出改进的功率因数控制策略对电机进行控制。仿真试验表明，所提发电系统在内燃机宽转速范围、突变性负载条件下，可以得到平稳且能够快速恢复的中间直流电压。同时，发电系统在切换转矩内无功功率基本能稳定在零附近，超过切换转矩后无功功率依旧保持较低水平，提高了变流器容量利用率。
为了使内燃机车永磁同步发电系统在内燃机全速范围内和突变性负载条件下均能稳定控制中间直流环节电压且减小电压的脉振，采用Super-Twisting高阶滑模算法对电压外环进行控制得到给定转矩，与传统PI外环控制相比，中间直流环节电压开始的超调减小，且电压跟随性、稳定性得到提升。同时，为了提高发电系统变流器容量利用率，在矢量控制的基础上，提出改进的功率因数控制策略对电机进行控制。仿真试验表明，所提发电系统在内燃机宽转速范围、突变性负载条件下，可以得到平稳且能够快速恢复的中间直流电压。同时，发电系统在切换转矩内无功功率基本能稳定在零附近，超过切换转矩后无功功率依旧保持较低水平，提高了变流器容量利用率。
2021, 48(3):104-109.
DOI: 10.12177/emca.2020.215
摘要:
为了降低大功率机车牵引电机运行能耗，提出了一种基于牵引功率动态分配的机车牵引电机节能控制方法。首先，结合现场运行数据，建立牵引电机效率与其发挥牵引力及运行速度间的数学模型。然后，利用机车自动驾驶系统规划的区间速度及牵引力运行曲线，基于所建立的数学模型对不同牵引力分配策略下综合牵引电机能耗指标等进行计算，并选择最小化目标函数值的牵引力功率分配方案，控制机车各轴牵引力输出。最后，基于HXD1型自动驾驶机车现场某条线路各区间运行数据，对所提方法进行仿真分析，验证了该方法的有效性。
为了降低大功率机车牵引电机运行能耗，提出了一种基于牵引功率动态分配的机车牵引电机节能控制方法。首先，结合现场运行数据，建立牵引电机效率与其发挥牵引力及运行速度间的数学模型。然后，利用机车自动驾驶系统规划的区间速度及牵引力运行曲线，基于所建立的数学模型对不同牵引力分配策略下综合牵引电机能耗指标等进行计算，并选择最小化目标函数值的牵引力功率分配方案，控制机车各轴牵引力输出。最后，基于HXD1型自动驾驶机车现场某条线路各区间运行数据，对所提方法进行仿真分析，验证了该方法的有效性。
《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
- 地址：上海市武宁路505号
- 邮编：200063
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