2021年第48卷第6期文章目次
2021, 48(6):1-9，23.
DOI: 10.12177/emca.2021.037
摘要:
相较于传统的脉宽调制技术，随机脉宽调制具备有效的谐波频谱分散能力，从而实现机电负载噪声的削弱。随机脉宽调制技术包括起步的随机开关调制、后续的随机脉冲位置与随机开关频率等3个基本方法。随着电力电子技术的整体发展，随机脉宽调制已从传统的载波调制逐渐拓展到空间矢量调制之中，应用范围日趋广泛，谐波频谱分散与功率谱峰值抑制的效果不断提升。同时，新的优化方案不断被提出，对谐波频谱及功率谱的分散效果亦在不断提高。梳理了随机脉宽调制的研究历程，总结了数种典型的随机脉宽调制的基本原理，并对未来随机脉宽调制的研究方向作出展望，为随机脉宽调制技术的深入研究提供参考。
相较于传统的脉宽调制技术，随机脉宽调制具备有效的谐波频谱分散能力，从而实现机电负载噪声的削弱。随机脉宽调制技术包括起步的随机开关调制、后续的随机脉冲位置与随机开关频率等3个基本方法。随着电力电子技术的整体发展，随机脉宽调制已从传统的载波调制逐渐拓展到空间矢量调制之中，应用范围日趋广泛，谐波频谱分散与功率谱峰值抑制的效果不断提升。同时，新的优化方案不断被提出，对谐波频谱及功率谱的分散效果亦在不断提高。梳理了随机脉宽调制的研究历程，总结了数种典型的随机脉宽调制的基本原理，并对未来随机脉宽调制的研究方向作出展望，为随机脉宽调制技术的深入研究提供参考。
2021, 48(6):10-16.
DOI: 10.12177/emca.2021.017
摘要:
与传统单层气隙电机相比，双定子磁场调制（FMDS）电机存在较大的转矩脉动。转矩脉动随转子位置的变化而周期性变化，从而导致速度脉动。针对周期性转矩脉动、快速性与超调性的矛盾以及外部不确定干扰的存在，提出一种基于自抗扰迭代学习（ILC-ADRC）的转速外环控制器。通过设定期望转速的过渡过程，避免了阶跃输入引起过大转速超调，降低了迭代学习的初始条件要求。设计线性扩张状态观测器(LESO)以简化参数调节。加入过去周期性的转速误差信息，以补偿转矩脉动。最后，利用状态误差反馈控制律生成控制信号。仿真结果表明，该系统响应快速、无超调，有效地降低了电机的转矩脉动。
与传统单层气隙电机相比，双定子磁场调制（FMDS）电机存在较大的转矩脉动。转矩脉动随转子位置的变化而周期性变化，从而导致速度脉动。针对周期性转矩脉动、快速性与超调性的矛盾以及外部不确定干扰的存在，提出一种基于自抗扰迭代学习（ILC-ADRC）的转速外环控制器。通过设定期望转速的过渡过程，避免了阶跃输入引起过大转速超调，降低了迭代学习的初始条件要求。设计线性扩张状态观测器(LESO)以简化参数调节。加入过去周期性的转速误差信息，以补偿转矩脉动。最后，利用状态误差反馈控制律生成控制信号。仿真结果表明，该系统响应快速、无超调，有效地降低了电机的转矩脉动。
2021, 48(6):17-23.
DOI: 10.12177/emca.2021.023
摘要:
常规PID、模糊算法无法解决无刷直流电机（BLDCM）控制系统存在的强耦合、非线性等问题，在干扰作用下容易出现信号失真。针对该问题，在滑行灯伺服转向系统中，以BLDCM三闭环控制系统为研究对象，结合BP神经网络、模糊控制和PID算法，提出一种基于模糊系数修正BP神经网络的PID控制。通过Simulink建模及仿真，对比研究了该策略与常规控制算法在转矩扰动和磁通扰动状况下的动态响应特性。仿真结果显示该改进控制算法在BLDCM位置控制系统中性能优良。
常规PID、模糊算法无法解决无刷直流电机（BLDCM）控制系统存在的强耦合、非线性等问题，在干扰作用下容易出现信号失真。针对该问题，在滑行灯伺服转向系统中，以BLDCM三闭环控制系统为研究对象，结合BP神经网络、模糊控制和PID算法，提出一种基于模糊系数修正BP神经网络的PID控制。通过Simulink建模及仿真，对比研究了该策略与常规控制算法在转矩扰动和磁通扰动状况下的动态响应特性。仿真结果显示该改进控制算法在BLDCM位置控制系统中性能优良。
2021, 48(6):24-29，36.
DOI: 10.12177/emca.2021.022
摘要:
传统模型预测控制（MPC）在三相两电平逆变器驱动感应电机系统中需对所有电压矢量进行滚动优化预测，计算成本高，实施难度大。为此，提出一种无差拍（DB）MPC，将滚动优化预测电压矢量从8个减少到3个。通过求解DB电压矢量和对DB扇区的划分，根据空间电压矢量位置确定扇区，只将扇区内矢量进行单步滚动优化预测，输出相对应的最优开关状态。仿真结果表明:DB预测转矩控制在减轻系统计算负担情况下，达到与传统MPC几乎相同的稳态跟踪性能。
传统模型预测控制（MPC）在三相两电平逆变器驱动感应电机系统中需对所有电压矢量进行滚动优化预测，计算成本高，实施难度大。为此，提出一种无差拍（DB）MPC，将滚动优化预测电压矢量从8个减少到3个。通过求解DB电压矢量和对DB扇区的划分，根据空间电压矢量位置确定扇区，只将扇区内矢量进行单步滚动优化预测，输出相对应的最优开关状态。仿真结果表明:DB预测转矩控制在减轻系统计算负担情况下，达到与传统MPC几乎相同的稳态跟踪性能。
2021, 48(6):30-36.
DOI: 10.12177/emca.2021.030
摘要:
针对永磁同步电机（PMSM）传统模型预测转矩控制（MPTC）权重系数设置复杂、转矩和磁通脉动大的问题，提出了一种改进的PMSM双矢量MPTC方法。该方法扩展虚拟矢量以增加候选电压矢量，结合电压矢量作用于转矩和磁链的原则，减少选择候选矢量的计算量。同时，针对转矩无差拍和磁通无差拍，运用候选矢量的转矩占空比和磁通占空比构造了优化规则代替传统预测转矩控制中的代价函数，避免权重系数的整定问题。仿真结果表明，所提改进方法不仅提高稳态性能，而且能保持MPTC动态响应迅速的特点。
针对永磁同步电机（PMSM）传统模型预测转矩控制（MPTC）权重系数设置复杂、转矩和磁通脉动大的问题，提出了一种改进的PMSM双矢量MPTC方法。该方法扩展虚拟矢量以增加候选电压矢量，结合电压矢量作用于转矩和磁链的原则，减少选择候选矢量的计算量。同时，针对转矩无差拍和磁通无差拍，运用候选矢量的转矩占空比和磁通占空比构造了优化规则代替传统预测转矩控制中的代价函数，避免权重系数的整定问题。仿真结果表明，所提改进方法不仅提高稳态性能，而且能保持MPTC动态响应迅速的特点。
2021, 48(6):37-43.
DOI: 10.12177/emca.2021.016
摘要:
与传统的矢量控制相比，有限集模型预测控制（FCS-MPC）通过算法直接得到驱动信号，省略了脉宽调制环节，且响应性能也比较优越。利用改进型FCS-MPC算法，构建只含有转速环的控制系统传递函数，针对负载变化和参数扰动的工况，分别利用传递函数的频率特性分析法和典型系统整定法设计基于速度环的PI自整定方案。经过仿真对比验证，发现在该控制方法下因负载转矩和参数变化引起转速变化的波动更小且恢复时间更短，证明了该方法的可行性和有效性。
与传统的矢量控制相比，有限集模型预测控制（FCS-MPC）通过算法直接得到驱动信号，省略了脉宽调制环节，且响应性能也比较优越。利用改进型FCS-MPC算法，构建只含有转速环的控制系统传递函数，针对负载变化和参数扰动的工况，分别利用传递函数的频率特性分析法和典型系统整定法设计基于速度环的PI自整定方案。经过仿真对比验证，发现在该控制方法下因负载转矩和参数变化引起转速变化的波动更小且恢复时间更短，证明了该方法的可行性和有效性。
2021, 48(6):44-48.
DOI: 10.12177/emca.2021.018
摘要:
为了改善使用PI控制算法和指数滑模控制（SMC）算法的永磁同步电机（PMSM）速度控制系统的鲁棒性差和突加负载转矩恢复较慢的问题，设计了一种改进趋近律SMC算法，并将该方法用在PMSM调速系统的速度控制器上。为了验证所提出的改进趋近律SMC算法的可行性，使用MATLAB/Simulink对PMSM双闭环调速系统仿真建模，并对比了传统的指数趋近律SMC算法、PI控制算法。结果表明设计的改进趋近律滑模速度控制器具有较好的鲁棒性和抗负载扰动性。
为了改善使用PI控制算法和指数滑模控制（SMC）算法的永磁同步电机（PMSM）速度控制系统的鲁棒性差和突加负载转矩恢复较慢的问题，设计了一种改进趋近律SMC算法，并将该方法用在PMSM调速系统的速度控制器上。为了验证所提出的改进趋近律SMC算法的可行性，使用MATLAB/Simulink对PMSM双闭环调速系统仿真建模，并对比了传统的指数趋近律SMC算法、PI控制算法。结果表明设计的改进趋近律滑模速度控制器具有较好的鲁棒性和抗负载扰动性。
2021, 48(6):49-56，62.
DOI: 10.12177/emca.2021.025
摘要:
为了研究电励磁双凸极电机(DSEM)的控制策略，必须建立精确控制模型。DSEM定转子均为双凸极结构，存在明显的边缘效应和高度的局部饱和现象，其磁链和转矩均为电枢电流、励磁电流及转子位置角的非线性函数，难以采用常规方法建立精确控制模型。在深入分析电机电磁特性的基础上，通过有限元仿真分别建立磁链与转矩关于电流与转子位置角关系的数据表。采用Simulink三维查表法，分别对DSEM磁链函数和转矩函数进行建模，并与电压方程一起构成DSEM仿真模型。针对模型各个环节进行了分析验证，以励磁绕组滞环斩波空载反电动势及电枢电流采用不对称控制策略为例，将仿真结果与有限元仿真及试验结果进行了对比，验证了所建模型的精确性、有效性及建模方法的可行性。
为了研究电励磁双凸极电机(DSEM)的控制策略，必须建立精确控制模型。DSEM定转子均为双凸极结构，存在明显的边缘效应和高度的局部饱和现象，其磁链和转矩均为电枢电流、励磁电流及转子位置角的非线性函数，难以采用常规方法建立精确控制模型。在深入分析电机电磁特性的基础上，通过有限元仿真分别建立磁链与转矩关于电流与转子位置角关系的数据表。采用Simulink三维查表法，分别对DSEM磁链函数和转矩函数进行建模，并与电压方程一起构成DSEM仿真模型。针对模型各个环节进行了分析验证，以励磁绕组滞环斩波空载反电动势及电枢电流采用不对称控制策略为例，将仿真结果与有限元仿真及试验结果进行了对比，验证了所建模型的精确性、有效性及建模方法的可行性。
2021, 48(6):57-62.
DOI: 10.12177/emca.2021.027
摘要:
五相永磁同步电机(PMSM)可通过注入三次谐波电流来提高电机的转矩密度。除三次谐波外，削弱永磁体产生的其他次空间谐波可以降低电机的转矩脉动、减小电机的振动和噪声。因此，针对三次谐波注入式五相内嵌式永磁同步电机(IPMSM)，提出一种转子铁心形状优化设计方法。理论推导转子铁心形状的解析表达式，根据电机参数进行有限元建模，得到优化后的电机模型气隙磁密谐波含量及转矩脉动。与优化前的电机模型进行仿真对比，得到的结果与理论分析吻合，气隙磁场优化效果显著。
五相永磁同步电机(PMSM)可通过注入三次谐波电流来提高电机的转矩密度。除三次谐波外，削弱永磁体产生的其他次空间谐波可以降低电机的转矩脉动、减小电机的振动和噪声。因此，针对三次谐波注入式五相内嵌式永磁同步电机(IPMSM)，提出一种转子铁心形状优化设计方法。理论推导转子铁心形状的解析表达式，根据电机参数进行有限元建模，得到优化后的电机模型气隙磁密谐波含量及转矩脉动。与优化前的电机模型进行仿真对比，得到的结果与理论分析吻合，气隙磁场优化效果显著。
2021, 48(6):63-68.
DOI: 10.12177/emca.2021.021
摘要:
针对复杂的多层磁障同步磁阻电机（SynRM），在定、转子快速设计方面进行研究。以1台3 kW、4极电机为例，对比不同绕组形式下SynRM的性能。为降低转矩脉动，提出典型C型磁障转子的简化模型。研究各参数对电机输出转矩和转矩脉动的影响，并借助多目标优化算法进一步优化磁障参数，为同类电机的设计分析提供参考。
针对复杂的多层磁障同步磁阻电机（SynRM），在定、转子快速设计方面进行研究。以1台3 kW、4极电机为例，对比不同绕组形式下SynRM的性能。为降低转矩脉动，提出典型C型磁障转子的简化模型。研究各参数对电机输出转矩和转矩脉动的影响，并借助多目标优化算法进一步优化磁障参数，为同类电机的设计分析提供参考。
2021, 48(6):69-76.
DOI: 10.12177/emca.2021.032
摘要:
针对真空泵用驱动电机在极端真空环境工作时发热严重的问题，对真空泵用电机的冷却系统进行设计和分析。以1台2.9 kW屏蔽式异步电机作为研究对象，通过有限元软件建立机壳带有螺旋水路的电机三维模型，对其进行损耗计算。根据螺旋水道的流速和压强分布验证了水道尺寸设计的合理性，并对电机各部分温度分布情况进行仿真分析。根据电机在二倍额定负载和冷却水故障条件下的温度变化情况来分析电机能安全运行的时间。最后对样机进行了温升试验，将得到的测试结果和仿真结果进行对比分析，验证了机壳带有螺旋水道的冷却系统对真空干泵驱动电机具有一定的冷却效果，为极端真空环境下真空泵用驱动电机的进一步研究提供科学依据。
针对真空泵用驱动电机在极端真空环境工作时发热严重的问题，对真空泵用电机的冷却系统进行设计和分析。以1台2.9 kW屏蔽式异步电机作为研究对象，通过有限元软件建立机壳带有螺旋水路的电机三维模型，对其进行损耗计算。根据螺旋水道的流速和压强分布验证了水道尺寸设计的合理性，并对电机各部分温度分布情况进行仿真分析。根据电机在二倍额定负载和冷却水故障条件下的温度变化情况来分析电机能安全运行的时间。最后对样机进行了温升试验，将得到的测试结果和仿真结果进行对比分析，验证了机壳带有螺旋水道的冷却系统对真空干泵驱动电机具有一定的冷却效果，为极端真空环境下真空泵用驱动电机的进一步研究提供科学依据。
2021, 48(6):77-82.
DOI: 10.12177/emca.2021.019
摘要:
为研究10 kV紧凑型异步电机额定工况运行时，内、外双风扇作用下电机内的流体流动状况以及电机各部件的温度分布情况，采用流体场与温度场耦合的方法建立电机三维散热模型，并对内外风扇以及转子自力性扇叶周围空气建立旋转气域模型。将电磁场有限元仿真计算得到的绕组铜耗、定子铁心损耗、转子铝耗等作为热源，在计算流体力学理论分析的基础上，对电机温度场作出合理的基本假设并给出相应的边界条件，通过流热耦合仿真计算得到电机在双风扇随轴转动情况下电机内外流体场中流体流动及电机各部件温度的空间分布特征。仿真结果表明，电机温度最大值位于转子绕组中部，定子绕组温度最大值为113 ℃，满足F级绝缘要求；内风扇工作时可以有效降低定、转子温度。
为研究10 kV紧凑型异步电机额定工况运行时，内、外双风扇作用下电机内的流体流动状况以及电机各部件的温度分布情况，采用流体场与温度场耦合的方法建立电机三维散热模型，并对内外风扇以及转子自力性扇叶周围空气建立旋转气域模型。将电磁场有限元仿真计算得到的绕组铜耗、定子铁心损耗、转子铝耗等作为热源，在计算流体力学理论分析的基础上，对电机温度场作出合理的基本假设并给出相应的边界条件，通过流热耦合仿真计算得到电机在双风扇随轴转动情况下电机内外流体场中流体流动及电机各部件温度的空间分布特征。仿真结果表明，电机温度最大值位于转子绕组中部，定子绕组温度最大值为113 ℃，满足F级绝缘要求；内风扇工作时可以有效降低定、转子温度。
2021, 48(6):83-88，99.
DOI: 10.12177/emca.2021.026
摘要:
为更好地指导电机设计，以一台3 MW空-空冷双馈风力发电机为研究对象，基于流体力学及数值传热学理论，结合空-空冷却器和发电机模型，搭建了三维流动与传热耦合求解的物理模型和数学模型。依据基本假设和边界条件，采用Fluent软件对电机在额定工况下的稳态三维流场和温度场进行数值求解。通过电阻法和埋置检温计(ETD)法测得电机在额定工况下绕组的平均温升和最高温升。通过对比数值结果和试验数据发现误差在5 K之内，验证了数值方法的正确性。最后，对电机流场和温度场分布进行数值模拟，对电机18档通风道内流量进行数值计算，为新产品电机设计和优化提供支撑。
为更好地指导电机设计，以一台3 MW空-空冷双馈风力发电机为研究对象，基于流体力学及数值传热学理论，结合空-空冷却器和发电机模型，搭建了三维流动与传热耦合求解的物理模型和数学模型。依据基本假设和边界条件，采用Fluent软件对电机在额定工况下的稳态三维流场和温度场进行数值求解。通过电阻法和埋置检温计(ETD)法测得电机在额定工况下绕组的平均温升和最高温升。通过对比数值结果和试验数据发现误差在5 K之内，验证了数值方法的正确性。最后，对电机流场和温度场分布进行数值模拟，对电机18档通风道内流量进行数值计算，为新产品电机设计和优化提供支撑。
2021, 48(6):89-94.
DOI: 10.12177/emca.2021.029
摘要:
永磁辅助同步磁阻电机良好的运行特性与电机的电感参数密切相关，在电磁方案设计阶段需要对电感参数进行准确计算。介绍了等效交直轴法、静态场法、瞬态场法和冻结磁导率法计算交直轴电感参数的原理，并采用上述四种方法进行了电机交直轴电感参数的仿真计算。进行样机试制，并采用伏安法测试了样机电感参数，将仿真结果与测试结果进行对比，以验证各方法的准确性。结果表明，冻结磁导率法仿真得到的交直轴电感参数与实测结果的误差在3%以内，采用冻结磁导率法的计算结果更为准确。
永磁辅助同步磁阻电机良好的运行特性与电机的电感参数密切相关，在电磁方案设计阶段需要对电感参数进行准确计算。介绍了等效交直轴法、静态场法、瞬态场法和冻结磁导率法计算交直轴电感参数的原理，并采用上述四种方法进行了电机交直轴电感参数的仿真计算。进行样机试制，并采用伏安法测试了样机电感参数，将仿真结果与测试结果进行对比，以验证各方法的准确性。结果表明，冻结磁导率法仿真得到的交直轴电感参数与实测结果的误差在3%以内，采用冻结磁导率法的计算结果更为准确。
2021, 48(6):95-99.
DOI: 10.12177/emca.2021.031
摘要:
为了满足核电无损检测（NDT）自动化检查装备研制的需求，开发了一种以STM32为主控制器的通用型低成本小型直流电机运动控制器。该控制器主要由单片机最小系统、电机驱动电路、编码器信号处理电路和通信电路组成。通过STM32内部的增量PID算法和积分分离位置式PID算法来调节脉宽调制（PWM）输出，达到了快速、稳定、静态误差小的理想控制效果。基于此控制器，设计开发了一套双轴运动控制系统，实现对管道外壁面焊缝区域自动化栅格扫查的应用。
为了满足核电无损检测（NDT）自动化检查装备研制的需求，开发了一种以STM32为主控制器的通用型低成本小型直流电机运动控制器。该控制器主要由单片机最小系统、电机驱动电路、编码器信号处理电路和通信电路组成。通过STM32内部的增量PID算法和积分分离位置式PID算法来调节脉宽调制（PWM）输出，达到了快速、稳定、静态误差小的理想控制效果。基于此控制器，设计开发了一套双轴运动控制系统，实现对管道外壁面焊缝区域自动化栅格扫查的应用。
2021, 48(6):100-107，113.
DOI: 10.12177/emca.2021.020
摘要:
为克服二次型Boost变换器升压能力受限、开关应力大等问题，提出一种非隔离改进二次型Boost高增益DC-DC变换器。所提出的变换器具有两种拓扑结构。对两种拓扑结构的工作原理进行了分析，从理论上推导了电路拓扑的电压增益和开关应力，并与现有变换器进行比较。提出的变换器在提高输出增益的同时，还能降低开关应力、提高转换效率。在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型，仿真结果验证了理论计算的正确性。搭建了样机，通过理论推导和样机试验结果的对比分析，验证了该变换器设计方案的可行性。
为克服二次型Boost变换器升压能力受限、开关应力大等问题，提出一种非隔离改进二次型Boost高增益DC-DC变换器。所提出的变换器具有两种拓扑结构。对两种拓扑结构的工作原理进行了分析，从理论上推导了电路拓扑的电压增益和开关应力，并与现有变换器进行比较。提出的变换器在提高输出增益的同时，还能降低开关应力、提高转换效率。在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型，仿真结果验证了理论计算的正确性。搭建了样机，通过理论推导和样机试验结果的对比分析，验证了该变换器设计方案的可行性。
2021, 48(6):108-113.
DOI: 10.12177/emca.2021.033
摘要:
提出了一种基于波形相似度因子的双馈风电场送出线路单相接地保护方法。推导出电网故障下的风力发电机端口短路电流表达式，分析风电送出线路故障后故障电流的暂态特性。在此基础上，建立了风电送出系统的0模瞬时值模型。然后，利用区内外故障时模型差异特征构造0模电压波形相似度因子，进行故障定位。最后，通过仿真验证了该方法在各种单相接地故障情况下，均能正确识别区内外故障，不受过渡电阻和频率偏移影响。
提出了一种基于波形相似度因子的双馈风电场送出线路单相接地保护方法。推导出电网故障下的风力发电机端口短路电流表达式，分析风电送出线路故障后故障电流的暂态特性。在此基础上，建立了风电送出系统的0模瞬时值模型。然后，利用区内外故障时模型差异特征构造0模电压波形相似度因子，进行故障定位。最后，通过仿真验证了该方法在各种单相接地故障情况下，均能正确识别区内外故障，不受过渡电阻和频率偏移影响。
2021, 48(6):114-117.
DOI: 10.12177/emca.2021.028
摘要:
在消除电动机轴承温度异常升高现象的过程中，摸索出一种电动机在线维护方法，避免了因电动机轴承温度异常造成电动机停运事故。其中在线置换润滑油脂技术的应用，替代了传统的电动机离线更换润滑油脂工作，延长了电动机轴承的使用寿命，降低工人劳动强度，提高了企业的经济效益。
在消除电动机轴承温度异常升高现象的过程中，摸索出一种电动机在线维护方法，避免了因电动机轴承温度异常造成电动机停运事故。其中在线置换润滑油脂技术的应用，替代了传统的电动机离线更换润滑油脂工作，延长了电动机轴承的使用寿命，降低工人劳动强度，提高了企业的经济效益。
《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
- 电话：021-62574990-574/462（编辑部），021-62574990-416（广告部）
- 电子邮箱：eec@seari.com.cn （编辑部），wangzm@seari.com.cn（广告部）
- 网址：http://www.motor-abc.cn/djykzyy/home
- 邮发代号：4-199
- 国内定价：15元/册
- 影响因子：0.752
