2021年第48卷第4期文章目次
2021, 48(4):1-11.
DOI: 10.12177/emca.2020.230
摘要:
多自由度电机可以实现空间中的复杂运动，且具有结构简单、精确度高等优势，在机器人仿生关节、机械手臂及工业制造业上具有广阔的应用前景。对多自由度电机的背景、基本原理及技术优势进行了相关叙述。按照驱动机理的不同将多自由度电机进行分类，并对当前多自由度电机的国内外研究现状进行了总结。此外，基于多自由度电机的运动特点，对电机控制过程中的位置检测技术和运动控制策略进行了相关分析。最后，从多自由度电机的结构、控制体系、材料及制造工艺等方面进行了相关的叙述，对多自由度电机的发展趋势进行预测。通过对多自由度电机的研究与分析，为其未来的发展提供参考。
多自由度电机可以实现空间中的复杂运动，且具有结构简单、精确度高等优势，在机器人仿生关节、机械手臂及工业制造业上具有广阔的应用前景。对多自由度电机的背景、基本原理及技术优势进行了相关叙述。按照驱动机理的不同将多自由度电机进行分类，并对当前多自由度电机的国内外研究现状进行了总结。此外，基于多自由度电机的运动特点，对电机控制过程中的位置检测技术和运动控制策略进行了相关分析。最后，从多自由度电机的结构、控制体系、材料及制造工艺等方面进行了相关的叙述，对多自由度电机的发展趋势进行预测。通过对多自由度电机的研究与分析，为其未来的发展提供参考。
2021, 48(4):12-17.
DOI: 10.12177/emca.2020.223
摘要:
针对DC-DC升降压变换器存在负载电阻扰动的问题，提出一种基于扰动观测器的协同控制器策略。使用非线性扰动观测器技术对负载不确定性扰动进行估计，再将其观测值代入所设计的协同控制器中，构建一种基于非线性扰动观测器的协同控制算法，达成鲁棒稳定跟踪期望电容输出电压的目的。通过一系列仿真对比，验证了该方法的可行性以及有效性。
针对DC-DC升降压变换器存在负载电阻扰动的问题，提出一种基于扰动观测器的协同控制器策略。使用非线性扰动观测器技术对负载不确定性扰动进行估计，再将其观测值代入所设计的协同控制器中，构建一种基于非线性扰动观测器的协同控制算法，达成鲁棒稳定跟踪期望电容输出电压的目的。通过一系列仿真对比，验证了该方法的可行性以及有效性。
2021, 48(4):18-25.
DOI: 10.12177/emca.2020.228
摘要:
基于磁链函数的无刷直流电机(BLDCM)换相策略对电流噪声极为敏感，尤其在低速时，磁链函数值会产生巨大波动，导致换相超前甚至误换相的发生。通过理论分析得出函数值波动的内在机理，并且使用含有积分结构的磁链函数达到减小函数值波动的目的。另外，为了消除纯积分带来的零漂和初值误差的影响，将积分器替换成带通滤波器，并通过动态调节中心频率，获得准确的换相时间点。同时，采用一种新型的换相判断机制，减小由数值波动产生的影响，提高换相时刻判断的准确性和可靠性。数值仿真结果表明，基于改进的换相策略能够在低速、电流噪声干扰的条件下，获得准确可靠的换相信号，保证电机稳定运行。
基于磁链函数的无刷直流电机(BLDCM)换相策略对电流噪声极为敏感，尤其在低速时，磁链函数值会产生巨大波动，导致换相超前甚至误换相的发生。通过理论分析得出函数值波动的内在机理，并且使用含有积分结构的磁链函数达到减小函数值波动的目的。另外，为了消除纯积分带来的零漂和初值误差的影响，将积分器替换成带通滤波器，并通过动态调节中心频率，获得准确的换相时间点。同时，采用一种新型的换相判断机制，减小由数值波动产生的影响，提高换相时刻判断的准确性和可靠性。数值仿真结果表明，基于改进的换相策略能够在低速、电流噪声干扰的条件下，获得准确可靠的换相信号，保证电机稳定运行。
2021, 48(4):26-31.
DOI: 10.12177/emca.2020.233
摘要:
为了提升永磁同步电机(PMSM)调速系统动态品质，提出了一种基于新型混合趋近律的积分滑模控制算法。在传统指数趋近律基础上，引入了双曲正切函数、终端吸引子和基于系统状态变量幂函数的自适应因子，并结合积分滑模面，提高了系统趋近速度自适应调节能力和干扰抑制能力，有效削弱了抖振水平。基于所提出的趋近律，设计了PMSM新型混合趋近律积分滑模速度控制器，通过仿真完成了与传统PI算法控制性能的对比分析。仿真结果表明，新型趋近律速度滑模控制器具有更好的速度跟踪精度，抗负载扰动性能更好，抖振量非常小，鲁棒性强。
为了提升永磁同步电机(PMSM)调速系统动态品质，提出了一种基于新型混合趋近律的积分滑模控制算法。在传统指数趋近律基础上，引入了双曲正切函数、终端吸引子和基于系统状态变量幂函数的自适应因子，并结合积分滑模面，提高了系统趋近速度自适应调节能力和干扰抑制能力，有效削弱了抖振水平。基于所提出的趋近律，设计了PMSM新型混合趋近律积分滑模速度控制器，通过仿真完成了与传统PI算法控制性能的对比分析。仿真结果表明，新型趋近律速度滑模控制器具有更好的速度跟踪精度，抗负载扰动性能更好，抖振量非常小，鲁棒性强。
2021, 48(4):32-37,44.
DOI: 10.12177/emca.2020.236
摘要:
针对永磁同步电机(PMSM)矢量控制中传统的PI控制鲁棒性差和传统的非奇异快速终端控制抖振较大、鲁棒性较差等问题，在速度环采用一种非奇异快速终端滑模(NFTSM)控制策略，同时引入一种高增益扩张观测器实时观测系统的匹配性扰动，将观测值作为电流的前馈补偿，提高了系统的抗干扰能力。在电流环应用一种无差拍电流预测控制策略，使电流环有更好的动态响应和更小的谐波分量。仿真结果表明，所提控制方法可有效改善系统鲁棒性差且滑模抖振过大的问题。
针对永磁同步电机(PMSM)矢量控制中传统的PI控制鲁棒性差和传统的非奇异快速终端控制抖振较大、鲁棒性较差等问题，在速度环采用一种非奇异快速终端滑模(NFTSM)控制策略，同时引入一种高增益扩张观测器实时观测系统的匹配性扰动，将观测值作为电流的前馈补偿，提高了系统的抗干扰能力。在电流环应用一种无差拍电流预测控制策略，使电流环有更好的动态响应和更小的谐波分量。仿真结果表明，所提控制方法可有效改善系统鲁棒性差且滑模抖振过大的问题。
2021, 48(4):38-44.
DOI: 10.12177/emca.2020.237
摘要:
为了获得转速平稳、调节快速的无刷直流电机(BLDCM)输出，对BLDCM控制和驱动系统进行了设计。分析了BLDCM的运行原理和转矩波动原因，并采用Buck电路直接驱动解决了转矩波动的问题。针对传统PID调速慢、精度低以及参数调节困难等问题，采用了BP神经网络对PID进行参数调节。在MATLAB/Simulink仿真平台上搭建了系统的各个模块并进行仿真。结果表明，所设计的系统调节速度快，控制过程中超调小，转速平稳，转矩波动减小。
为了获得转速平稳、调节快速的无刷直流电机(BLDCM)输出，对BLDCM控制和驱动系统进行了设计。分析了BLDCM的运行原理和转矩波动原因，并采用Buck电路直接驱动解决了转矩波动的问题。针对传统PID调速慢、精度低以及参数调节困难等问题，采用了BP神经网络对PID进行参数调节。在MATLAB/Simulink仿真平台上搭建了系统的各个模块并进行仿真。结果表明，所设计的系统调节速度快，控制过程中超调小，转速平稳，转矩波动减小。
2021, 48(4):45-52.
DOI: 10.12177/emca.2020.231
摘要:
旋转变压器作为一种常用的电机转子位置检测装置，其检测精度直接影响整个控制系统的性能。为了获得高精度的转子位置信息，研究了一种结合误差补偿的软件旋变轴角数字转换器(RDC)。首先，研究采用基于三相同步参考坐标系锁相环(SRFPLL)的位置角求解方法，滤除旋转变压器输出信号中的高频抖动分量；然后，针对旋转变压器输出信号中的零位误差、正交误差和幅值误差的影响研究采用椭圆假设算法进行消除，并研究采用谐波分离法实现对信号中的谐波误差补偿；最后，搭建仿真模型和试验平台进行了分析验证。仿真与试验结果证明了所提方法的有效性。
旋转变压器作为一种常用的电机转子位置检测装置，其检测精度直接影响整个控制系统的性能。为了获得高精度的转子位置信息，研究了一种结合误差补偿的软件旋变轴角数字转换器(RDC)。首先，研究采用基于三相同步参考坐标系锁相环(SRFPLL)的位置角求解方法，滤除旋转变压器输出信号中的高频抖动分量；然后，针对旋转变压器输出信号中的零位误差、正交误差和幅值误差的影响研究采用椭圆假设算法进行消除，并研究采用谐波分离法实现对信号中的谐波误差补偿；最后，搭建仿真模型和试验平台进行了分析验证。仿真与试验结果证明了所提方法的有效性。
2021, 48(4):53-57,94.
DOI: 10.12177/emca.2020.235
摘要:
针对传统PID控制器因参数无法随负载变化而实时改变，导致火炮随动系统控制效果不佳的问题，设计了以空间矢量控制为理论基础的三闭环随动控制系统。该随动控制系统采用永磁同步电机(PMSM)作为执行电机，并在系统位置环上加入了经自适应模拟退火粒子群优化算法(ASAPSO)优化参数后的模糊控制器。通过搭建系统仿真模型，将这2种控制器分别运用在该随动控制系统的位置环上，对比了2种控制器的位置响应、抗转矩扰动能力和目标跟踪能力。结果发现，模糊控制器的参数经ASAPSO优化后，系统的静态特性和动态特性比传统PID控制器更好，能够有效克服转矩扰动等非线性因素的影响，系统具有较好的目标跟踪性能。
针对传统PID控制器因参数无法随负载变化而实时改变，导致火炮随动系统控制效果不佳的问题，设计了以空间矢量控制为理论基础的三闭环随动控制系统。该随动控制系统采用永磁同步电机(PMSM)作为执行电机，并在系统位置环上加入了经自适应模拟退火粒子群优化算法(ASAPSO)优化参数后的模糊控制器。通过搭建系统仿真模型，将这2种控制器分别运用在该随动控制系统的位置环上，对比了2种控制器的位置响应、抗转矩扰动能力和目标跟踪能力。结果发现，模糊控制器的参数经ASAPSO优化后，系统的静态特性和动态特性比传统PID控制器更好，能够有效克服转矩扰动等非线性因素的影响，系统具有较好的目标跟踪性能。
2021, 48(4):58-64.
DOI: 10.12177/emca.2021.003
摘要:
针对真空泵用驱动电机在额定运行过程中转子热膨胀积累导致轴承抱死的工程问题，根据实际真空泵驱动工况要求，设计了1台磁通切换永磁同步电机(FSPMSM)。利用有限元软件，分析对比了具有相同技术要求的FSPMSM，表贴式永磁同步电机（SPMSM）和内置式永磁同步电机（IPMSM）的电磁场、温度场及热应力场。综合分析了上述3种电机的性能差异，研究表明：FSPMSM的转子温升、轴承热形变等均优于2台转子永磁型电机。验证了FSPMSM相比于传统转子永磁型电机能更好地减小运行时的转子损耗与温升，为永磁电机拓扑结构的选择和新产品研发提供了科学的参考依据。
针对真空泵用驱动电机在额定运行过程中转子热膨胀积累导致轴承抱死的工程问题，根据实际真空泵驱动工况要求，设计了1台磁通切换永磁同步电机(FSPMSM)。利用有限元软件，分析对比了具有相同技术要求的FSPMSM，表贴式永磁同步电机（SPMSM）和内置式永磁同步电机（IPMSM）的电磁场、温度场及热应力场。综合分析了上述3种电机的性能差异，研究表明：FSPMSM的转子温升、轴承热形变等均优于2台转子永磁型电机。验证了FSPMSM相比于传统转子永磁型电机能更好地减小运行时的转子损耗与温升，为永磁电机拓扑结构的选择和新产品研发提供了科学的参考依据。
2021, 48(4):65-70,109.
DOI: 10.12177/emca.2020.225
摘要:
以分数槽永磁同步直线电机(FPMSLM)为研究对象，利用解析法推导其空载气隙磁场解析式，并用有限元法进行验证。推导了FPMSLM定转子整体耦合长度下的空载气隙磁场解析式。以2台分数槽永磁同步单元电机为例，同时用解析法和有限元法对其定转子不同相对位置下的空载气隙磁场进行计算，2种方法得出的空载气隙磁密波形具有良好的吻合性，验证了解析法计算FPMSLM空载气隙磁场的可行性，并为FPMSLM空载气隙磁场的优化提供理论支持。
以分数槽永磁同步直线电机(FPMSLM)为研究对象，利用解析法推导其空载气隙磁场解析式，并用有限元法进行验证。推导了FPMSLM定转子整体耦合长度下的空载气隙磁场解析式。以2台分数槽永磁同步单元电机为例，同时用解析法和有限元法对其定转子不同相对位置下的空载气隙磁场进行计算，2种方法得出的空载气隙磁密波形具有良好的吻合性，验证了解析法计算FPMSLM空载气隙磁场的可行性，并为FPMSLM空载气隙磁场的优化提供理论支持。
2021, 48(4):71-76.
DOI: 10.12177/emca.2020.210
摘要:
永磁体分割可有效降低表贴式永磁同步电机(SPMSM)永磁体涡流损耗，且对电机性能影响最小。分析了永磁体轴向分割和圆周向分割与永磁体涡流损耗的关系，推导了SPMSM永磁体涡流损耗解析解。影响永磁体涡流损耗的因素，包括气隙磁密、齿谐波频率（转速和槽数）、齿距、永磁体电阻率和永磁体磁导率等。根据分析结果可知，永磁体圆周向分割对降低永磁体涡流损耗起主要作用，并通过试验验证了解析解的准确性。
永磁体分割可有效降低表贴式永磁同步电机(SPMSM)永磁体涡流损耗，且对电机性能影响最小。分析了永磁体轴向分割和圆周向分割与永磁体涡流损耗的关系，推导了SPMSM永磁体涡流损耗解析解。影响永磁体涡流损耗的因素，包括气隙磁密、齿谐波频率（转速和槽数）、齿距、永磁体电阻率和永磁体磁导率等。根据分析结果可知，永磁体圆周向分割对降低永磁体涡流损耗起主要作用，并通过试验验证了解析解的准确性。
2021, 48(4):77-82.
DOI: 10.12177/emca.2020.227
摘要:
为了在矿用工程车原有结构的基础上改善整车的传动系统，对牵引电机的体积提出了较高的要求。然而，通过研究发现，常规的径向电机不满足体积要求。因此，设计了一款轴向磁通永磁电机，既能够满足电机的空间体积要求，也能满足运行工况的要求。为了保证电机在各种工况下均能稳定运行，对电机的空载与负载、温度与转子机械强度进行了有限元分析，并设计了电机的水路结构。
为了在矿用工程车原有结构的基础上改善整车的传动系统，对牵引电机的体积提出了较高的要求。然而，通过研究发现，常规的径向电机不满足体积要求。因此，设计了一款轴向磁通永磁电机，既能够满足电机的空间体积要求，也能满足运行工况的要求。为了保证电机在各种工况下均能稳定运行，对电机的空载与负载、温度与转子机械强度进行了有限元分析，并设计了电机的水路结构。
13 轨道牵引电机导条涨紧方案
2021, 48(4):83-88.
DOI: 10.12177/emca.2020.234
摘要:
转子导条涨紧是保障轨道牵引电机端部稳定性的重要工序。为了识别涨紧方案对导条槽内紧固特性的影响，优化了转子涨紧制造工艺。应用有限元塑性分析方法，得到涨紧时的应力与变形分布，对导条槽内接触状态与接触压力进行了分析，识别出不同涨紧方案下导条侧边受力相关性影响。同时，基于该方案下的工艺验证与仿真分析结果吻合度高，对牵引电机铁心结构设计与应用具有一定指导意义。
转子导条涨紧是保障轨道牵引电机端部稳定性的重要工序。为了识别涨紧方案对导条槽内紧固特性的影响，优化了转子涨紧制造工艺。应用有限元塑性分析方法，得到涨紧时的应力与变形分布，对导条槽内接触状态与接触压力进行了分析，识别出不同涨紧方案下导条侧边受力相关性影响。同时，基于该方案下的工艺验证与仿真分析结果吻合度高，对牵引电机铁心结构设计与应用具有一定指导意义。
2021, 48(4):89-93.
DOI: 10.12177/emca.2020.238
摘要:
研发了单机功率630 kW的开关磁阻电机（SRM）驱动系统，使用双机同步驱动技术在中国国内8 000 t电动螺旋压力机上成功应用。设计并优化了电机电磁参数，对电机结构件和连接件的机械强度进行了应力计算；控制器采用CAN隔离模块，实现多台电机的转矩实时同步性；采用复合铜排等工艺措施，减小主回路杂散电感及回流面积，抑制IGBT尖峰电压；采用光纤驱动方式，避免强磁场干扰，保证信号传输质量和系统可靠性。测试结果表明，该SRM驱动系统各项性能指标均满足8 000 t电动螺旋压力机的使用要求。
研发了单机功率630 kW的开关磁阻电机（SRM）驱动系统，使用双机同步驱动技术在中国国内8 000 t电动螺旋压力机上成功应用。设计并优化了电机电磁参数，对电机结构件和连接件的机械强度进行了应力计算；控制器采用CAN隔离模块，实现多台电机的转矩实时同步性；采用复合铜排等工艺措施，减小主回路杂散电感及回流面积，抑制IGBT尖峰电压；采用光纤驱动方式，避免强磁场干扰，保证信号传输质量和系统可靠性。测试结果表明，该SRM驱动系统各项性能指标均满足8 000 t电动螺旋压力机的使用要求。
2021, 48(4):94-98.
DOI: 10.12177/emca.2020.226
摘要:
为了实现电力机车小型化轻量化的发展要求，国内外专家考虑通过采用提高变压器的工作频率减小变压器整体的体积和质量。铁心作为高频变压器的关键部件，可以准确计算铁心损耗，对中高频变压器的设计和优化具有重要作用。针对高频变压器铁心通常是工作在方波或脉宽调制（PWM）波等非正弦激励下的特点，对传统Steinmetz损耗计算模型进行了优化改进，给出了考虑磁密的变化率及波形系数对损耗的影响的Steinmetz改进损耗模型。同时，为了提高损耗模型在不同特征频率下的通用性，进一步对损耗模型系数的非线性进行研究，给出了模型系数随频率变化的非线性函数。最后，利用有限元计算结果同实物测量结果进行比较，证明了所提损耗模型在方波激励下对纳米晶体铁心计算的准确性。
为了实现电力机车小型化轻量化的发展要求，国内外专家考虑通过采用提高变压器的工作频率减小变压器整体的体积和质量。铁心作为高频变压器的关键部件，可以准确计算铁心损耗，对中高频变压器的设计和优化具有重要作用。针对高频变压器铁心通常是工作在方波或脉宽调制（PWM）波等非正弦激励下的特点，对传统Steinmetz损耗计算模型进行了优化改进，给出了考虑磁密的变化率及波形系数对损耗的影响的Steinmetz改进损耗模型。同时，为了提高损耗模型在不同特征频率下的通用性，进一步对损耗模型系数的非线性进行研究，给出了模型系数随频率变化的非线性函数。最后，利用有限元计算结果同实物测量结果进行比较，证明了所提损耗模型在方波激励下对纳米晶体铁心计算的准确性。
2021, 48(4):99-103.
DOI: 10.12177/emca.2020.222
摘要:
根据功能安全标准，不同的汽车安全完整性等级(ASIL)对应不同的硬件指标要求。通过对硬件指标和诊断覆盖率的分析，提出了可以满足功能安全硬件指标要求的转向系统控制器方案。该方案包括扭矩传感器、电机位置传感器、电机电流传感器、微控制器等部件，并对系统硬件指标的符合性进行了分析验证。
根据功能安全标准，不同的汽车安全完整性等级(ASIL)对应不同的硬件指标要求。通过对硬件指标和诊断覆盖率的分析，提出了可以满足功能安全硬件指标要求的转向系统控制器方案。该方案包括扭矩传感器、电机位置传感器、电机电流传感器、微控制器等部件，并对系统硬件指标的符合性进行了分析验证。
2021, 48(4):104-109.
DOI: 10.12177/emca.2021.001
摘要:
针对局部阴影状态下光伏阵列P-U特性曲线多峰值的问题，提出了一种基于搜索-计算-判断的三步法全局最大功率点跟踪(GMPPT)策略。该方法使用改进型扰动观察法反向搜索第一个峰值点，利用计算和判断减小搜索区域，将多峰值间接转化为单峰值搜索，解决了搜索过程中陷入局部极值的问题。通过建立3种阴影状态下的模型，将该方法与现有最大功率点跟踪(MPPT)算法进行仿真对比，并建立相应的试验进行验证。仿真及试验结果表明，该方法在有、无阴影状态下均能稳定实现GMPPT，有效地提高了系统的跟踪精度和跟踪速度。
针对局部阴影状态下光伏阵列P-U特性曲线多峰值的问题，提出了一种基于搜索-计算-判断的三步法全局最大功率点跟踪(GMPPT)策略。该方法使用改进型扰动观察法反向搜索第一个峰值点，利用计算和判断减小搜索区域，将多峰值间接转化为单峰值搜索，解决了搜索过程中陷入局部极值的问题。通过建立3种阴影状态下的模型，将该方法与现有最大功率点跟踪(MPPT)算法进行仿真对比，并建立相应的试验进行验证。仿真及试验结果表明，该方法在有、无阴影状态下均能稳定实现GMPPT，有效地提高了系统的跟踪精度和跟踪速度。
《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
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