2021年第48卷第5期文章目次
2021, 48(5):1-6.
DOI: 10.12177/emca.2021.013
摘要:
针对传统直接转矩控制(DTC)方法中电压矢量切换时间不固定以及电压矢量切换点受限于滞环宽度等问题，将模型预测控制(MPC)应用于永磁同步电机(PMSM)DTC系统，提出了一种优化的电压矢量预测选择方法。一方面，将预测的定子磁链和电磁转矩送入相应的滞环控制器，从电压矢量有限集中选择合适的电压矢量以确保预测的磁链和转矩分别在各自的滞环内；另一方面，引入代价函数和优化策略，选择不同情况下相应的最优电压矢量，且可以同时考虑电流保护等额外的控制目标。在一台凸极PMSM驱动平台上对所提出的控制策略进行了试验验证。试验结果表明，所提出的控制策略能够有效地将转矩控制在滞环内，验证了该策略的有效性。
针对传统直接转矩控制(DTC)方法中电压矢量切换时间不固定以及电压矢量切换点受限于滞环宽度等问题，将模型预测控制(MPC)应用于永磁同步电机(PMSM)DTC系统，提出了一种优化的电压矢量预测选择方法。一方面，将预测的定子磁链和电磁转矩送入相应的滞环控制器，从电压矢量有限集中选择合适的电压矢量以确保预测的磁链和转矩分别在各自的滞环内；另一方面，引入代价函数和优化策略，选择不同情况下相应的最优电压矢量，且可以同时考虑电流保护等额外的控制目标。在一台凸极PMSM驱动平台上对所提出的控制策略进行了试验验证。试验结果表明，所提出的控制策略能够有效地将转矩控制在滞环内，验证了该策略的有效性。
2021, 48(5):7-13.
DOI: 10.12177/emca.2021.008
摘要:
内置式永磁同步电机(IPMSM)受转子凸极性的影响，绕组电感随转子磁极位置呈周期变化。考虑到上述特征，提出一种基于高频信号注入的IPMSM转子初始位置检测方法。将高频信号依次注入定子两相绕组，并提取定子绕组高频信号线电压，运算处理后获得没有考虑转子磁极极性的初始位置角。随后注入脉冲电压矢量进行转子极性判断，从而获得准确的初始位置角。理论分析和试验结果表明，该方法对电阻参数依赖较小，不受逆变器非线性和电流传感器检测精度的影响，能够准确检测转子初始位置角，满足IPMSM平稳起动的要求。
内置式永磁同步电机(IPMSM)受转子凸极性的影响，绕组电感随转子磁极位置呈周期变化。考虑到上述特征，提出一种基于高频信号注入的IPMSM转子初始位置检测方法。将高频信号依次注入定子两相绕组，并提取定子绕组高频信号线电压，运算处理后获得没有考虑转子磁极极性的初始位置角。随后注入脉冲电压矢量进行转子极性判断，从而获得准确的初始位置角。理论分析和试验结果表明，该方法对电阻参数依赖较小，不受逆变器非线性和电流传感器检测精度的影响，能够准确检测转子初始位置角，满足IPMSM平稳起动的要求。
2021, 48(5):14-20.
DOI: 10.12177/emca.2021.014
摘要:
永磁同步电机(PMSM)在工业领域的应用十分广泛。针对PI控制器无法解决快速性和稳定性之间的矛盾且抗扰动能力弱的问题，在PMSM矢量控制系统的转速环中用自抗扰控制(ADRC)控制器代替PI控制器。利用Simulink分别对基于ADRC和基于PI控制的PMSM矢量控制系统进行仿真，对2种策略的控制效果进行对比。利用dSPACE试验平台对仿真结果进行了初步的验证。结果表明，ADRC有效地抑制了扰动，转速调节快速且无超调，提高了系统的控制性能。
永磁同步电机(PMSM)在工业领域的应用十分广泛。针对PI控制器无法解决快速性和稳定性之间的矛盾且抗扰动能力弱的问题，在PMSM矢量控制系统的转速环中用自抗扰控制(ADRC)控制器代替PI控制器。利用Simulink分别对基于ADRC和基于PI控制的PMSM矢量控制系统进行仿真，对2种策略的控制效果进行对比。利用dSPACE试验平台对仿真结果进行了初步的验证。结果表明，ADRC有效地抑制了扰动，转速调节快速且无超调，提高了系统的控制性能。
2021, 48(5):21-25.
DOI: 10.12177/emca.2021.006
摘要:
针对传统滑模控制器(SMC)存在抖振、动静态特性不佳的问题，提出一种基于加权积分型增益的SMC。新型趋近律在传统指数趋近律的基础上引入加权积分型增益，并经过李雅普诺夫定理验证滑模面的可达性。将加权积分型增益SMC与传统、积分型增益SMC进行对比。仿真结果表明，所提加权积分型增益SMC能够改善传统SMC的抖振，减小滑模观测器的估算偏差，并且具有快速性和对外部干扰的不敏感性，证明了所提控制策略的有效性与优越性。
针对传统滑模控制器(SMC)存在抖振、动静态特性不佳的问题，提出一种基于加权积分型增益的SMC。新型趋近律在传统指数趋近律的基础上引入加权积分型增益，并经过李雅普诺夫定理验证滑模面的可达性。将加权积分型增益SMC与传统、积分型增益SMC进行对比。仿真结果表明，所提加权积分型增益SMC能够改善传统SMC的抖振，减小滑模观测器的估算偏差，并且具有快速性和对外部干扰的不敏感性，证明了所提控制策略的有效性与优越性。
2021, 48(5):26-33.
DOI: 10.12177/emca.2021.004
摘要:
三相逆变器供电的电驱系统中往往会产生幅值较高、高频交变的共模电压，对电驱系统的电磁兼容性、电机轴承寿命等产生危害。为抑制共模电压，分析了SVPWM调制算法下共模电压的生成机理，对AZSPWM1、NSPWM、TSPWM等共模电压抑制算法进行了仿真与分析。结果表明种调制算法均能有效地抑制共模电压，TSPWM算法的开关损耗较低、线性调制区域无限制，综合性能较优，但3种调制算法的电机相电流谐波含量均比SVPWM高。试验结果为共模电压抑制方案的选择进一步提供了理论依据和指导。
三相逆变器供电的电驱系统中往往会产生幅值较高、高频交变的共模电压，对电驱系统的电磁兼容性、电机轴承寿命等产生危害。为抑制共模电压，分析了SVPWM调制算法下共模电压的生成机理，对AZSPWM1、NSPWM、TSPWM等共模电压抑制算法进行了仿真与分析。结果表明种调制算法均能有效地抑制共模电压，TSPWM算法的开关损耗较低、线性调制区域无限制，综合性能较优，但3种调制算法的电机相电流谐波含量均比SVPWM高。试验结果为共模电压抑制方案的选择进一步提供了理论依据和指导。
2021, 48(5):34-39.
DOI: 10.12177/emca.2021.007
摘要:
永磁磁阻直线电机（PMRLM）能实现永磁和电流的双励磁，具有推力密度大和磁场可调的优点，并且其结构简单可靠，适用于各种大型装配工厂和物流分拣中心。但由于双凸极结构和永磁磁链谐波的存在，电机的磁链和推力脉动很大。针对上述问题，建立了PMRLM的数学模型，研究了基于电流解析计算的推力稳定控制，提出了一种能通过给定推力快速计算控制电流的策略，并搭建仿真平台。仿真结果证明了所提方法的有效性和鲁棒性。
永磁磁阻直线电机（PMRLM）能实现永磁和电流的双励磁，具有推力密度大和磁场可调的优点，并且其结构简单可靠，适用于各种大型装配工厂和物流分拣中心。但由于双凸极结构和永磁磁链谐波的存在，电机的磁链和推力脉动很大。针对上述问题，建立了PMRLM的数学模型，研究了基于电流解析计算的推力稳定控制，提出了一种能通过给定推力快速计算控制电流的策略，并搭建仿真平台。仿真结果证明了所提方法的有效性和鲁棒性。
2021, 48(5):40-45.
DOI: 10.12177/emca.2021.015
摘要:
针对永磁同步电机(PMSM)系统速度环采用传统的PI控制时，无法兼顾转速超调量与响应快速性要求的问题，提出采用二自由度(2-DOF)PI控制策略设计速度环控制器。同时，为减小负载转矩、电机参数变化等扰动因素的影响，将其作为总扰动，利用扩张状态观测器(ESO)进行观测，并基于观测值进行前馈补偿。仿真结果表明，采用所设计的2-DOF PI控制，可以有效减小转速的超调量，提高转速的跟随性能和系统的抗扰动性能。采用基于ESO的2-DOF PI控制，进一步提高了系统的抗负载扰动性能，同时可以实现转速的快速响应和无超调控制。所提控制策略的正确性和有效性得到了验证。
针对永磁同步电机(PMSM)系统速度环采用传统的PI控制时，无法兼顾转速超调量与响应快速性要求的问题，提出采用二自由度(2-DOF)PI控制策略设计速度环控制器。同时，为减小负载转矩、电机参数变化等扰动因素的影响，将其作为总扰动，利用扩张状态观测器(ESO)进行观测，并基于观测值进行前馈补偿。仿真结果表明，采用所设计的2-DOF PI控制，可以有效减小转速的超调量，提高转速的跟随性能和系统的抗扰动性能。采用基于ESO的2-DOF PI控制，进一步提高了系统的抗负载扰动性能，同时可以实现转速的快速响应和无超调控制。所提控制策略的正确性和有效性得到了验证。
2021, 48(5):46-52,65.
DOI: 10.12177/emca.2021.002
摘要:
为了解决真空泵用电机工作在真空环境中，转子不易散热的问题，需要严格控制真空泵用电机的温升，从而提高系统运行的稳定性。开关磁阻电机（SRM）转子无绕组，转子损耗较小，整体温升较低，对于提升真空泵用驱动电机的性能具有重要意义。在传统SRM的基础上，设计了一款真空泵用横向磁通SRM，由于定子绕组空间较大，有利于电机散热，进一步减少了定子的损耗，从而降低了电机的整体温升。最后，对同功率、同体积的异步电机、径向SRM和横向磁通SRM进行了温度场、轴承的热应力和热形变的对比分析。结果表明，横向磁通SRM的温升、轴承的热应力和热形变均最小，说明横向磁通SRM作为真空泵用驱动电机的可行性。
为了解决真空泵用电机工作在真空环境中，转子不易散热的问题，需要严格控制真空泵用电机的温升，从而提高系统运行的稳定性。开关磁阻电机（SRM）转子无绕组，转子损耗较小，整体温升较低，对于提升真空泵用驱动电机的性能具有重要意义。在传统SRM的基础上，设计了一款真空泵用横向磁通SRM，由于定子绕组空间较大，有利于电机散热，进一步减少了定子的损耗，从而降低了电机的整体温升。最后，对同功率、同体积的异步电机、径向SRM和横向磁通SRM进行了温度场、轴承的热应力和热形变的对比分析。结果表明，横向磁通SRM的温升、轴承的热应力和热形变均最小，说明横向磁通SRM作为真空泵用驱动电机的可行性。
2021, 48(5):53-59.
DOI: 10.12177/emca.2021.005
摘要:
针对真空干泵驱动用电机运行过程中转子热量不易散出，使热量通过转轴传导至轴承引起轴承抱死的问题，以3.0 kW驱动电机为例，分别设计了异步电机(IM)、永磁同步电机(PMSM)和双凸极永磁电机(DSPM)3种方案。在保证3种电机外形尺寸、功率等级和额定转速相同的前提下确定了结构和电磁方案。同时，基于相同的冷却条件分别对3种电机关键部件进行了温度场和应力场仿真。分析结果表明，在额定运行时双凸极永磁电机的转子温升更低，其轴承热形变量最小，能够有效降低电机运行中轴承抱死的风险，更有利于真空干泵机组的长时间稳定运行。
针对真空干泵驱动用电机运行过程中转子热量不易散出，使热量通过转轴传导至轴承引起轴承抱死的问题，以3.0 kW驱动电机为例，分别设计了异步电机(IM)、永磁同步电机(PMSM)和双凸极永磁电机(DSPM)3种方案。在保证3种电机外形尺寸、功率等级和额定转速相同的前提下确定了结构和电磁方案。同时，基于相同的冷却条件分别对3种电机关键部件进行了温度场和应力场仿真。分析结果表明，在额定运行时双凸极永磁电机的转子温升更低，其轴承热形变量最小，能够有效降低电机运行中轴承抱死的风险，更有利于真空干泵机组的长时间稳定运行。
2021, 48(5):60-65.
DOI: 10.12177/emca.2020.229
摘要:
超高速永磁同步电机(PMSM)转速较高，永磁体抗拉强度相对较小，需要在转子永磁体外设置护套并通过过盈配合使永磁体上产生径向压应力，抵消转子高速旋转时所产生的离心力，对永磁体进行保护。提出了一种超高速PMSM转子不导磁合金护套厚度及过盈量计算分析方法。以1台120 000 r/min超高速PMSM为例，运用有限元法进行温度场及转子静力学耦合仿真分析，对数值法进行验证，并通过优化设计，使电机转子在满足结构强度要求的情况下，合理计算护套的厚度及过盈量，有效降低转子护套的厚度，从而减小转子铁耗，为超高速电机转子设计提供参考。
超高速永磁同步电机(PMSM)转速较高，永磁体抗拉强度相对较小，需要在转子永磁体外设置护套并通过过盈配合使永磁体上产生径向压应力，抵消转子高速旋转时所产生的离心力，对永磁体进行保护。提出了一种超高速PMSM转子不导磁合金护套厚度及过盈量计算分析方法。以1台120 000 r/min超高速PMSM为例，运用有限元法进行温度场及转子静力学耦合仿真分析，对数值法进行验证，并通过优化设计，使电机转子在满足结构强度要求的情况下，合理计算护套的厚度及过盈量，有效降低转子护套的厚度，从而减小转子铁耗，为超高速电机转子设计提供参考。
2021, 48(5):66-71.
DOI: 10.12177/emca.2021.024
摘要:
介绍YX400-4 6 kV 1级能效高压箱式电机研制过程。主要通过电磁优化、减薄绝缘设计、结构改进特别是通风结构改进等有效措施，使电机的效率提升至国家1级能效水平。研制结果验证了上述措施的有效性。电机的效率超过目前国家对一般高效电机的2级能效要求，在节能减排、绿色环保方面更具有突出表现。
介绍YX400-4 6 kV 1级能效高压箱式电机研制过程。主要通过电磁优化、减薄绝缘设计、结构改进特别是通风结构改进等有效措施，使电机的效率提升至国家1级能效水平。研制结果验证了上述措施的有效性。电机的效率超过目前国家对一般高效电机的2级能效要求，在节能减排、绿色环保方面更具有突出表现。
2021, 48(5):72-78.
DOI: 10.12177/emca.2021.009
摘要:
随着新能源的大规模应用，储能装置作为一种可控电源，因具有调峰幅度大、响应速度快等优点而在保证微电网正常运行方面具有重要作用。介绍了一种两级式储能逆变器，一级是三相全控桥构成的网侧变换器，另一级是3个交错并联回路构成的直流变换器。阐述了该储能逆变器在并网和离网工作模式下的控制原理及并离网切换的技术关键点。通过MATLAB仿真验证了该储能逆变器采用所提控制策略可以实现并网、离网的正常运行以及并离网切换的顺利过渡，采用3个交错并联回路结构的直流变换器可以提高总输出电流能力，通过载波移相可以减小总输出电流波动。储能逆变器可靠地实现了微电网的并网和离网运行控制，有效地改善了可再生能源发电输出功率的连续性，为新能源领域进一步发展提供了技术保障。
随着新能源的大规模应用，储能装置作为一种可控电源，因具有调峰幅度大、响应速度快等优点而在保证微电网正常运行方面具有重要作用。介绍了一种两级式储能逆变器，一级是三相全控桥构成的网侧变换器，另一级是3个交错并联回路构成的直流变换器。阐述了该储能逆变器在并网和离网工作模式下的控制原理及并离网切换的技术关键点。通过MATLAB仿真验证了该储能逆变器采用所提控制策略可以实现并网、离网的正常运行以及并离网切换的顺利过渡，采用3个交错并联回路结构的直流变换器可以提高总输出电流能力，通过载波移相可以减小总输出电流波动。储能逆变器可靠地实现了微电网的并网和离网运行控制，有效地改善了可再生能源发电输出功率的连续性，为新能源领域进一步发展提供了技术保障。
2021, 48(5):79-85.
DOI: 10.12177/emca.2020.239
摘要:
大规模新能源发电并网降低了系统惯性和一次调频能力。新能源同步机(MGP)可以提供无延时的、真实的旋转惯量。介绍了新能源经MGP并网的系统结构和惯量水平，计算了MGP对初始频率变化率(ROCOF)的抑制作用。然后基于光伏(PV)驱动MGP并网的直流电压反馈控制策略，提出了一种定减载率控制算法，并引入频率反馈环，形成PV调用有功储备驱动MGP参与电力系统调频的综合控制策略。通过3机9节点仿真系统对减载控制算法进行验证，并进一步对比了源、网两端功率波动下PV采用不同方式并网参与系统一次调频的效果。结果表明，在综合控制策略下PV经MGP并网能为系统提供更强的频率支撑。
大规模新能源发电并网降低了系统惯性和一次调频能力。新能源同步机(MGP)可以提供无延时的、真实的旋转惯量。介绍了新能源经MGP并网的系统结构和惯量水平，计算了MGP对初始频率变化率(ROCOF)的抑制作用。然后基于光伏(PV)驱动MGP并网的直流电压反馈控制策略，提出了一种定减载率控制算法，并引入频率反馈环，形成PV调用有功储备驱动MGP参与电力系统调频的综合控制策略。通过3机9节点仿真系统对减载控制算法进行验证，并进一步对比了源、网两端功率波动下PV采用不同方式并网参与系统一次调频的效果。结果表明，在综合控制策略下PV经MGP并网能为系统提供更强的频率支撑。
2021, 48(5):86-92.
DOI: 10.12177/emca.2020.241
摘要:
为提升风电功率预测精度，提出基于二层分解技术和粒子群优化长短期记忆（PSO-LSTM）神经网络组合的超短期风电功率预测模型。对风电功率原始数据，采用快速集合经验模态分解（FEEMD）方法将其分解为一系列本征模态函数（IMF）分量和余项，针对高频分量采用变分模态分解（VMD）进行二层分解。运用样本熵来解决分量个数过多、计算量繁杂的问题。通过偏自相关函数(PACF)筛选出与预测值关联程度高的元素确定输入维数。最后，选用PSO来优化LSTM相关参数建立预测模型并叠加获得最终值。试验结果表明，该组合模型有效提高了预测精度。
为提升风电功率预测精度，提出基于二层分解技术和粒子群优化长短期记忆（PSO-LSTM）神经网络组合的超短期风电功率预测模型。对风电功率原始数据，采用快速集合经验模态分解（FEEMD）方法将其分解为一系列本征模态函数（IMF）分量和余项，针对高频分量采用变分模态分解（VMD）进行二层分解。运用样本熵来解决分量个数过多、计算量繁杂的问题。通过偏自相关函数(PACF)筛选出与预测值关联程度高的元素确定输入维数。最后，选用PSO来优化LSTM相关参数建立预测模型并叠加获得最终值。试验结果表明，该组合模型有效提高了预测精度。
2021, 48(5):93-98.
DOI: 10.12177/emca.2021.012
摘要:
为研究与电机智能制造生产线相匹配的高存储密度仓储系统，提出一种由多个回型存储模块连接而成的多模块网格仓储系统，并提出一种最优循环动作方法，使系统内的负载快速地循环移动出库。将系统抽象为节点和边组成的图模型，提出环和循环移动的概念，证明得到一次循环移动所需的最少动作步数。结果表明：在规定的负载配置下，最少可通过2步动作完成一次全库负载的循环移动。最后以一个系统实例为对象，利用所提方法构建最优循环移动，实现系统全负载的快速循环移动与拣选。研究结果可为多模块网格仓储系统的性能分析和设计优化提供理论依据。
为研究与电机智能制造生产线相匹配的高存储密度仓储系统，提出一种由多个回型存储模块连接而成的多模块网格仓储系统，并提出一种最优循环动作方法，使系统内的负载快速地循环移动出库。将系统抽象为节点和边组成的图模型，提出环和循环移动的概念，证明得到一次循环移动所需的最少动作步数。结果表明：在规定的负载配置下，最少可通过2步动作完成一次全库负载的循环移动。最后以一个系统实例为对象，利用所提方法构建最优循环移动，实现系统全负载的快速循环移动与拣选。研究结果可为多模块网格仓储系统的性能分析和设计优化提供理论依据。
2021, 48(5):99-104.
DOI: 10.12177/emca.2021.011
摘要:
随着电机制造要求逐步提高、自动化逐渐普及，智能制造将成为未来主流的生产制造模式。基于对传统电机制造现状和发展趋势的分析，厘清智能制造优势及智能制造推进误区，概括智能制造推进内容及策略。以江苏大中电机股份有限公司相关项目为例，介绍智能制造的侧重内容、实施步骤、原则及实施成果。结果表明：总体生产效率提高了35.75%，生产运营成本降低了26.21%，产品不良率降低了75.84%。在此基础上概括电机行业智能制造推进参考战略，为中小型电机行业发展提供支持。
随着电机制造要求逐步提高、自动化逐渐普及，智能制造将成为未来主流的生产制造模式。基于对传统电机制造现状和发展趋势的分析，厘清智能制造优势及智能制造推进误区，概括智能制造推进内容及策略。以江苏大中电机股份有限公司相关项目为例，介绍智能制造的侧重内容、实施步骤、原则及实施成果。结果表明：总体生产效率提高了35.75%，生产运营成本降低了26.21%，产品不良率降低了75.84%。在此基础上概括电机行业智能制造推进参考战略，为中小型电机行业发展提供支持。
2021, 48(5):105-112.
DOI: 10.12177/emca.2021.010
摘要:
随着中国制造智能政策的实施，电机行业逐步开展智能制造项目，但在项目实施过程中存在落地难、建设周期长、智能化程度不高等问题。介绍了数字孪生在电机智能车间建设中的应用前景，探讨了电机智能车间虚拟建模、孪生数据采集与实时驱动、增强现实（AR）孪生交互等仿真技术，并结合电机嵌线车间智能化建设阐述数字孪生在电机智能制造推进过程中的应用方法、流程和范围等。结果表明：数字孪生能有效缩减车间的调试周期和生产成本，提高电机智能车间项目的可靠性和可验证性。
随着中国制造智能政策的实施，电机行业逐步开展智能制造项目，但在项目实施过程中存在落地难、建设周期长、智能化程度不高等问题。介绍了数字孪生在电机智能车间建设中的应用前景，探讨了电机智能车间虚拟建模、孪生数据采集与实时驱动、增强现实（AR）孪生交互等仿真技术，并结合电机嵌线车间智能化建设阐述数字孪生在电机智能制造推进过程中的应用方法、流程和范围等。结果表明：数字孪生能有效缩减车间的调试周期和生产成本，提高电机智能车间项目的可靠性和可验证性。
2021, 48(5):113-117.
DOI: 10.12177/emca.2020.240
摘要:
针对客车用某型号永磁同步轮边电机的轻量化设计开展了分析。提出了电机轻量化的设计方案和原则，对电机的转子端板、转子冲片、机壳和后端盖进行轻量化设计。利用有限元分析软件对轻量化后的电机转子进行模态分析，并分析了轮边电机的随机振动。有限元分析结果满足电机的设计要求，可以确保轮边电机使用的可靠性。对轮边电机轻量化设计的探讨为进一步减轻电机质量提供了思路。
针对客车用某型号永磁同步轮边电机的轻量化设计开展了分析。提出了电机轻量化的设计方案和原则，对电机的转子端板、转子冲片、机壳和后端盖进行轻量化设计。利用有限元分析软件对轻量化后的电机转子进行模态分析，并分析了轮边电机的随机振动。有限元分析结果满足电机的设计要求，可以确保轮边电机使用的可靠性。对轮边电机轻量化设计的探讨为进一步减轻电机质量提供了思路。
《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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