2021年第48卷第9期文章目次
2021, 48(9):1-7.
DOI: 10.12177/emca.2021.086
摘要:
横向磁通永磁电机（TFPMM）因结构特殊，存在功率因数低、转矩脉动大等问题，需要改进控制算法来降低电机的转矩脉动，改善控制系统性能。在传统的直接转矩控制(DTC)基础上提出空间矢量调制(SVM)的DTC策略，以改善传统控制策略中电流、磁链控制不精确，转矩脉动大的问题。针对TFPMM齿槽转矩比较大的问题，将电机齿槽转矩拟合成电角度的表达式，补偿到转矩观测器输出端，使转矩观测器能观测齿槽转矩分量，起到抑制齿槽转矩脉动的作用。仿真结果验证SVM-DTC比传统DTC的电流波形更平滑，磁链控制更精确。采用齿槽转矩补偿的方法后电机转矩脉动显著减小，验证了补偿控制算法的有效性。改进的控制算法提高了电机控制系统整体性能。
横向磁通永磁电机（TFPMM）因结构特殊，存在功率因数低、转矩脉动大等问题，需要改进控制算法来降低电机的转矩脉动，改善控制系统性能。在传统的直接转矩控制(DTC)基础上提出空间矢量调制(SVM)的DTC策略，以改善传统控制策略中电流、磁链控制不精确，转矩脉动大的问题。针对TFPMM齿槽转矩比较大的问题，将电机齿槽转矩拟合成电角度的表达式，补偿到转矩观测器输出端，使转矩观测器能观测齿槽转矩分量，起到抑制齿槽转矩脉动的作用。仿真结果验证SVM-DTC比传统DTC的电流波形更平滑，磁链控制更精确。采用齿槽转矩补偿的方法后电机转矩脉动显著减小，验证了补偿控制算法的有效性。改进的控制算法提高了电机控制系统整体性能。
2021, 48(9):8-13,35.
DOI: 10.12177/emca.2021.070
摘要:
电励磁直线同步电机(EELSM)磁悬浮控制系统能够实现直接驱动和无摩擦进给，有效提高伺服系统的稳态及其动态性能，考虑EELSM系统运行中受到不确定性扰动的问题提出自抗扰控制(ADRC)策略。根据EELSM的特殊结构和工作机理，推导EELSM系统的数学模型，包括励磁回路的电压方程、磁悬浮力方程和运动方程。设计三阶非线性自抗扰控制器(NLADRC)，将悬浮方向上的外界扰动作为系统的“总扰动”，对总扰动进行估计和补偿，可以有效提高系统抗扰能力以及跟踪精度。由于NLADRC存在多参数的整定、以及物理意义不明确等问题，总结出非线性函数参数整定的规律。最后，建立ADRC系统的仿真模型。仿真结果表明，通过与PI控制器对比，采用ADRC的EELSM伺服系统具有良好的动态性能，并且能有效抑制扰动。
电励磁直线同步电机(EELSM)磁悬浮控制系统能够实现直接驱动和无摩擦进给，有效提高伺服系统的稳态及其动态性能，考虑EELSM系统运行中受到不确定性扰动的问题提出自抗扰控制(ADRC)策略。根据EELSM的特殊结构和工作机理，推导EELSM系统的数学模型，包括励磁回路的电压方程、磁悬浮力方程和运动方程。设计三阶非线性自抗扰控制器(NLADRC)，将悬浮方向上的外界扰动作为系统的“总扰动”，对总扰动进行估计和补偿，可以有效提高系统抗扰能力以及跟踪精度。由于NLADRC存在多参数的整定、以及物理意义不明确等问题，总结出非线性函数参数整定的规律。最后，建立ADRC系统的仿真模型。仿真结果表明，通过与PI控制器对比，采用ADRC的EELSM伺服系统具有良好的动态性能，并且能有效抑制扰动。
2021, 48(9):14-20.
DOI: 10.12177/emca.2021.077
摘要:
伺服系统中存在的非线性摩擦环节，往往会使系统的性能受到影响。针对电机伺服系统，设计了一个复合非线性轨迹跟踪控制器，并通过降阶扩展状态观测器对未测量的速度和未知扰动进行估计。为了消除摩擦力带来的不良影响，在轨迹跟踪控制的基础上，加入了自适应摩擦补偿环节。先通过MATLAB进行了仿真分析，后将该方案应用于直流电机伺服系统进行试验验证。仿真与试验结果表明，该自适应补偿方案能有效抑制摩擦产生的不利影响，实现被控系统对目标轨迹快速准确的跟踪。
伺服系统中存在的非线性摩擦环节，往往会使系统的性能受到影响。针对电机伺服系统，设计了一个复合非线性轨迹跟踪控制器，并通过降阶扩展状态观测器对未测量的速度和未知扰动进行估计。为了消除摩擦力带来的不良影响，在轨迹跟踪控制的基础上，加入了自适应摩擦补偿环节。先通过MATLAB进行了仿真分析，后将该方案应用于直流电机伺服系统进行试验验证。仿真与试验结果表明，该自适应补偿方案能有效抑制摩擦产生的不利影响，实现被控系统对目标轨迹快速准确的跟踪。
2021, 48(9):21-26.
DOI: 10.12177/emca.2021.076
摘要:
针对永磁同步电机(PMSM)单矢量模型预测电流控制(MPCC)中，电流存在较大波动问题，提出了一种改进型双矢量MPCC(TV-MPCC)算法。每个扇区用零矢量和1个有效电压矢量或者2个有效电压矢量合成1个期望电压矢量，利用价值函数最小值原理，选出最优电压矢量。通过dq轴电流无差拍控制方法来计算电压矢量的作用时间，对电流实现无差拍控制。最后在MATLAB/Simulink环境中搭建模型进行仿真，结果表明与单矢量MPCC相比，优化后的控制策略减小了电流波动，提高了系统稳定性。
针对永磁同步电机(PMSM)单矢量模型预测电流控制(MPCC)中，电流存在较大波动问题，提出了一种改进型双矢量MPCC(TV-MPCC)算法。每个扇区用零矢量和1个有效电压矢量或者2个有效电压矢量合成1个期望电压矢量，利用价值函数最小值原理，选出最优电压矢量。通过dq轴电流无差拍控制方法来计算电压矢量的作用时间，对电流实现无差拍控制。最后在MATLAB/Simulink环境中搭建模型进行仿真，结果表明与单矢量MPCC相比，优化后的控制策略减小了电流波动，提高了系统稳定性。
2021, 48(9):27-35.
DOI: 10.12177/emca.2021.063
摘要:
针对带式输送机永磁驱动系统采用PID控制器进行控制时电机的控制性能差和采用多电机驱动时电机间转速不同步、稳定性差等问题，提出了带式输送机多永磁电机驱动系统自抗扰同步控制策略。基于自抗扰控制(ADRC)技术设计了2种调速控制策略，并搭建仿真模型进行了对比试验；随后结合模糊PID控制技术对传统偏差耦合控制进行结构改进，并以矿用带式输送机多永磁电机驱动系统为控制对象，开展基于主从、传统偏差耦合和改进型偏差耦合同步控制结构的仿真。结果表明,基于二阶ADRC和改进型偏差耦合控制结构的带式输送机多永磁电机驱动系统同步控制策略具有更好的抗干扰能力、控制精度和同步性，有利于带式输送机平稳高效的安全运行。
针对带式输送机永磁驱动系统采用PID控制器进行控制时电机的控制性能差和采用多电机驱动时电机间转速不同步、稳定性差等问题，提出了带式输送机多永磁电机驱动系统自抗扰同步控制策略。基于自抗扰控制(ADRC)技术设计了2种调速控制策略，并搭建仿真模型进行了对比试验；随后结合模糊PID控制技术对传统偏差耦合控制进行结构改进，并以矿用带式输送机多永磁电机驱动系统为控制对象，开展基于主从、传统偏差耦合和改进型偏差耦合同步控制结构的仿真。结果表明,基于二阶ADRC和改进型偏差耦合控制结构的带式输送机多永磁电机驱动系统同步控制策略具有更好的抗干扰能力、控制精度和同步性，有利于带式输送机平稳高效的安全运行。
2021, 48(9):36-42.
DOI: 10.12177/emca.2021.091
摘要:
永磁同步电机(PMSM)及其逆变器、控制器属于装备动力系统关重件，其振动噪声指标对装备质量目标的实现有较大影响。由于极槽数配合、气隙磁密正弦度不佳等因素会使其绕组电流中包含5、7次等谐波，从而导致电机产生谐波转矩脉动，并使电机产生振动和噪声。为了减小PMSM在运转过程中的振动和噪声，探讨一种新颖的谐波抑制策略，即在PMSM系统的相电流中注入谐波电流产生谐波转矩，从而抵消已有的低次谐波转矩脉动。通过仿真及试验验证了该策略的有效性。
永磁同步电机(PMSM)及其逆变器、控制器属于装备动力系统关重件，其振动噪声指标对装备质量目标的实现有较大影响。由于极槽数配合、气隙磁密正弦度不佳等因素会使其绕组电流中包含5、7次等谐波，从而导致电机产生谐波转矩脉动，并使电机产生振动和噪声。为了减小PMSM在运转过程中的振动和噪声，探讨一种新颖的谐波抑制策略，即在PMSM系统的相电流中注入谐波电流产生谐波转矩，从而抵消已有的低次谐波转矩脉动。通过仿真及试验验证了该策略的有效性。
2021, 48(9):43-47.
DOI: 10.12177/emca.2021.079
摘要:
常规的转角自适应控制方法未能与同步电机的实际运行数据精准结合，导致实际控制中精度不足，因此提出基于关联规则与PLC设计的同步电机高精度转角自适应控制方法。计算同步电机的增益效率，将结果加权处理，得到同步电机转角理想传动比的计算方法。建立关联数据库，基于关联规则优化转角控制增益系数。以适应性系数判断算法终止条件，建立自适应模型结构，得到同步电机中的转角质心偏离距离，设计转角模糊自适应算法。在对比试验中，试验组中适应性系数均值为0.48/0.92 μm，3个对照组的均值分别为0.27/0.82、0.42/0.57、0.26/0.86 μm。通过试验数据可知,基于关联规则与PLC的同步电机高精度转角自适应控制方法比常规算法更适应同步电机的实际运行，具备更高的精度控制效果。
常规的转角自适应控制方法未能与同步电机的实际运行数据精准结合，导致实际控制中精度不足，因此提出基于关联规则与PLC设计的同步电机高精度转角自适应控制方法。计算同步电机的增益效率，将结果加权处理，得到同步电机转角理想传动比的计算方法。建立关联数据库，基于关联规则优化转角控制增益系数。以适应性系数判断算法终止条件，建立自适应模型结构，得到同步电机中的转角质心偏离距离，设计转角模糊自适应算法。在对比试验中，试验组中适应性系数均值为0.48/0.92 μm，3个对照组的均值分别为0.27/0.82、0.42/0.57、0.26/0.86 μm。通过试验数据可知,基于关联规则与PLC的同步电机高精度转角自适应控制方法比常规算法更适应同步电机的实际运行，具备更高的精度控制效果。
2021, 48(9):48-54.
DOI: 10.12177/emca.2021.082
摘要:
电梯设备中的感应电机通常采用三相六支反并联晶闸管为驱动装置的软起动器来实现电机软起动和能耗降低。在晶闸管强迫换流作用下，定子电压和电流产生大量谐波，会给电机带来损耗甚至影响电梯运行。针对这一问题，以晶闸管驱动感应电机系统为研究对象，建立了该对象的电路数学模型，采用变压恒频(VVCF)模式，计算了各次谐波频谱特性，设计了新的补偿控制律。计算结果和补偿结果通过计算机仿真加以验证，最终试验证明这一方法是有效的。
电梯设备中的感应电机通常采用三相六支反并联晶闸管为驱动装置的软起动器来实现电机软起动和能耗降低。在晶闸管强迫换流作用下，定子电压和电流产生大量谐波，会给电机带来损耗甚至影响电梯运行。针对这一问题，以晶闸管驱动感应电机系统为研究对象，建立了该对象的电路数学模型，采用变压恒频(VVCF)模式，计算了各次谐波频谱特性，设计了新的补偿控制律。计算结果和补偿结果通过计算机仿真加以验证，最终试验证明这一方法是有效的。
2021, 48(9):55-61.
DOI: 10.12177/emca.2021.083
摘要:
压缩机用内置式永磁同步电机(IPMSM)由于工作场合空间的限制，需要满足更高的功率密度要求，其温升成为亟待解决的问题。以一台7.5 kW IPMSM为例，基于计算流体力学和流固耦合传热理论，设计并分析了一种轴向通风式的冷却结构。在机壳开有通风槽、转子安装风刺并开有通风孔的情况下，研究了电机内部的流体流动特性，分析了进风口数目对流体流动的影响。得出了电机各部件温升分布规律，并比较了有无风刺以及增加进风口数目对电机散热的影响。最后制作了一台12极54槽轴向通风IPMSM，通过样机试验数据验证了此冷却结构的有效性。
压缩机用内置式永磁同步电机(IPMSM)由于工作场合空间的限制，需要满足更高的功率密度要求，其温升成为亟待解决的问题。以一台7.5 kW IPMSM为例，基于计算流体力学和流固耦合传热理论，设计并分析了一种轴向通风式的冷却结构。在机壳开有通风槽、转子安装风刺并开有通风孔的情况下，研究了电机内部的流体流动特性，分析了进风口数目对流体流动的影响。得出了电机各部件温升分布规律，并比较了有无风刺以及增加进风口数目对电机散热的影响。最后制作了一台12极54槽轴向通风IPMSM，通过样机试验数据验证了此冷却结构的有效性。
2021, 48(9):62-66,80.
DOI: 10.12177/emca.2021.080
摘要:
针对传统的潜水感应电机和一种具有更高效率的新型潜水永磁辅助同步磁阻电机（PMASRM），利用多物理场耦合有限元仿真，分析和对比其电磁噪声。在电磁场有限元软件中对电机的气隙磁密和径向电磁力波结果进行二维傅里叶分解，分析了气隙磁场和径向力波的时空特性。PMASRM转子磁导作用产生的气隙磁密谐波空间阶次更高，造成的径向电磁力波阶次更高，可以降低电磁噪声水平。声学仿真结果验证了上述结论。
针对传统的潜水感应电机和一种具有更高效率的新型潜水永磁辅助同步磁阻电机（PMASRM），利用多物理场耦合有限元仿真，分析和对比其电磁噪声。在电磁场有限元软件中对电机的气隙磁密和径向电磁力波结果进行二维傅里叶分解，分析了气隙磁场和径向力波的时空特性。PMASRM转子磁导作用产生的气隙磁密谐波空间阶次更高，造成的径向电磁力波阶次更高，可以降低电磁噪声水平。声学仿真结果验证了上述结论。
2021, 48(9):67-71.
DOI: 10.12177/emca.2021.081
摘要:
为满足列车牵引传动系统在牵引电机状态监测、异常诊断与预测等领域对牵引电机定子电流准确估计的需求，提出了一种基于多工况最小二乘支持向量机（LS-SVM）模型的牵引电机电流实时估计方法。该方法结合牵引电机参数和转矩转速试验测量数据，利用牵引电机机理模型计算得到定子电流估计值；然后根据列车运行规律将其分为多个运行工况，基于历史运行数据的相关变量建立各工况下定子电流的LS-SVM估计模型并研究列车不同运行工况对模型精度的影响，基于多工况模型实现牵引电机全工况下电流的实时有效估计。通过实际运行数据验证了所提方法的有效性和可行性。
为满足列车牵引传动系统在牵引电机状态监测、异常诊断与预测等领域对牵引电机定子电流准确估计的需求，提出了一种基于多工况最小二乘支持向量机（LS-SVM）模型的牵引电机电流实时估计方法。该方法结合牵引电机参数和转矩转速试验测量数据，利用牵引电机机理模型计算得到定子电流估计值；然后根据列车运行规律将其分为多个运行工况，基于历史运行数据的相关变量建立各工况下定子电流的LS-SVM估计模型并研究列车不同运行工况对模型精度的影响，基于多工况模型实现牵引电机全工况下电流的实时有效估计。通过实际运行数据验证了所提方法的有效性和可行性。
2021, 48(9):72-80.
DOI: 10.12177/emca.2020.074
摘要:
永磁式线性力电机是直驱式电液伺服阀的重要部件之一，其驱动力可以对进入阀口的金属碎片进行切割，防止阀口被碎片挡住，因此，准确预测其驱动力对永磁式线性力电机的设计具有极其重要的研究意义。首先基于ANSOFT对永磁式线性力电机电磁场进行有限元仿真，获得其零位在极限电流作用下的驱动力。其次根据优化目标和约束条件确定永磁式线性力电机的关键结构参数及其取值范围。随后，采用基于最大最小距离准则的拉丁超立方算法进行关键结构参数在多维空间尺度上的样本采样。最后，提出带有转换层的深度神经网络模型，把电机结构参数经过转换层后提取出电机模型的100个参数，使深度神经网络能从更多的特征中组合出新的高维特征，从而提高模型预测精度，且应用PReLU激活函数和SmoothL1Loss损失函数，建立了舵机用永磁式线性力电机驱动力预测模型。与传统的预测模型Kriging和RBF相比，充分验证了此模型的有效性和准确性。
永磁式线性力电机是直驱式电液伺服阀的重要部件之一，其驱动力可以对进入阀口的金属碎片进行切割，防止阀口被碎片挡住，因此，准确预测其驱动力对永磁式线性力电机的设计具有极其重要的研究意义。首先基于ANSOFT对永磁式线性力电机电磁场进行有限元仿真，获得其零位在极限电流作用下的驱动力。其次根据优化目标和约束条件确定永磁式线性力电机的关键结构参数及其取值范围。随后，采用基于最大最小距离准则的拉丁超立方算法进行关键结构参数在多维空间尺度上的样本采样。最后，提出带有转换层的深度神经网络模型，把电机结构参数经过转换层后提取出电机模型的100个参数，使深度神经网络能从更多的特征中组合出新的高维特征，从而提高模型预测精度，且应用PReLU激活函数和SmoothL1Loss损失函数，建立了舵机用永磁式线性力电机驱动力预测模型。与传统的预测模型Kriging和RBF相比，充分验证了此模型的有效性和准确性。
2021, 48(9):81-89.
DOI: 10.12177/emca.2021.078
摘要:
针对具有不确定干扰的汽轮发电机励磁与汽阀综合控制系统，建立鲁棒综合控制模型。运用基于 Sum of Squares(SOS） 分解技术的鲁棒控制方法(SOSRCA)，设计电力系统鲁棒综合控制方法。该方法充分考虑了综合系统中存在的不确定参数及干扰，使发电机组具有较好的鲁棒性能。控制方法的求解过程是算法化、程序化的，避免了繁琐的递归设计和参数估计过程。最后，在三机电力系统仿真中，对基于SOSRCA所得出的鲁棒综合控制律进行仿真分析与讨论，验证其有效性及优越性。
针对具有不确定干扰的汽轮发电机励磁与汽阀综合控制系统，建立鲁棒综合控制模型。运用基于 Sum of Squares(SOS） 分解技术的鲁棒控制方法(SOSRCA)，设计电力系统鲁棒综合控制方法。该方法充分考虑了综合系统中存在的不确定参数及干扰，使发电机组具有较好的鲁棒性能。控制方法的求解过程是算法化、程序化的，避免了繁琐的递归设计和参数估计过程。最后，在三机电力系统仿真中，对基于SOSRCA所得出的鲁棒综合控制律进行仿真分析与讨论，验证其有效性及优越性。
2021, 48(9):90-95.
DOI: 10.12177/emca.2021.072
摘要:
针对微电网并网时的电流冲击、电压畸变、功率振荡的问题，提出了一种基于无锁相环(PLL)的虚拟同步发电机（VSG）离并网切换控制策略。建立了VSG的控制模型。然后，在离并网切换的过程中，设计了一种无PLL的预同步控制单元，省去了PLL环节，避免了PLL对系统控制精度以及响应速度的影响，简化了控制算法，缩短了预同步的时间，加速了离并网切换过程。同时直接将角频率差值反馈回功率环，避免了Δθ符号跳变对控制过程产生的影响，并引入了积分抗饱和环节以加速调节恢复过程。最后进行了仿真验证，验证了该控制策略的可行性。
针对微电网并网时的电流冲击、电压畸变、功率振荡的问题，提出了一种基于无锁相环(PLL)的虚拟同步发电机（VSG）离并网切换控制策略。建立了VSG的控制模型。然后，在离并网切换的过程中，设计了一种无PLL的预同步控制单元，省去了PLL环节，避免了PLL对系统控制精度以及响应速度的影响，简化了控制算法，缩短了预同步的时间，加速了离并网切换过程。同时直接将角频率差值反馈回功率环，避免了Δθ符号跳变对控制过程产生的影响，并引入了积分抗饱和环节以加速调节恢复过程。最后进行了仿真验证，验证了该控制策略的可行性。
2021, 48(9):96-102.
DOI: 10.12177/emca.2021.073
摘要:
依据新欧洲驾驶循环工况，以减小电机中高速运行区间的铁耗为目标，对车用永磁同步电机（PMSM）的铁耗进行分析和优化。以一台额定功率35 kW的新能源汽车驱动用PMSM为对象，从电机成本和加工难度角度出发选择转子开辅助槽优化电机的铁耗；对比分析车用电机不同工况下的气隙磁密谐波含量，结合定子特征点处磁密轨迹的观测，分析高速磁场畸变对铁耗的影响；通过转子开辅助槽设计减小气隙磁密谐波，降低涡流损耗，优化齿顶铁损密度；优化后电机铁损最大可减小16%。通过负载试验验证了理论分析的正确性。
依据新欧洲驾驶循环工况，以减小电机中高速运行区间的铁耗为目标，对车用永磁同步电机（PMSM）的铁耗进行分析和优化。以一台额定功率35 kW的新能源汽车驱动用PMSM为对象，从电机成本和加工难度角度出发选择转子开辅助槽优化电机的铁耗；对比分析车用电机不同工况下的气隙磁密谐波含量，结合定子特征点处磁密轨迹的观测，分析高速磁场畸变对铁耗的影响；通过转子开辅助槽设计减小气隙磁密谐波，降低涡流损耗，优化齿顶铁损密度；优化后电机铁损最大可减小16%。通过负载试验验证了理论分析的正确性。
2021, 48(9):103-109.
DOI: 10.12177/emca.2021.085
摘要:
为获得某地铁车辆永磁同步电机的噪声特性，开展了永磁同步电机的电磁力波理论分析和振动噪声测试，从A计权声压级、1/3倍频程和色谱图等指标分析不同测试工况与转速下的噪声特性。研究结果表明：永磁同步电机噪声主要由电磁振动产生，加速过程的主要频谱成分是48阶、56阶和104阶等阶次成分以及以开关频率及其倍频为中心的调制成分，减速过程无开关频率作用，其余阶次成分一致；电机在316 Hz、440 Hz和910 Hz等频率处存在局部模态，在电机阶次激励作用下易引发共振。振动噪声测试及特性分析可为永磁同步电机的应用提供指导。
为获得某地铁车辆永磁同步电机的噪声特性，开展了永磁同步电机的电磁力波理论分析和振动噪声测试，从A计权声压级、1/3倍频程和色谱图等指标分析不同测试工况与转速下的噪声特性。研究结果表明：永磁同步电机噪声主要由电磁振动产生，加速过程的主要频谱成分是48阶、56阶和104阶等阶次成分以及以开关频率及其倍频为中心的调制成分，减速过程无开关频率作用，其余阶次成分一致；电机在316 Hz、440 Hz和910 Hz等频率处存在局部模态，在电机阶次激励作用下易引发共振。振动噪声测试及特性分析可为永磁同步电机的应用提供指导。
《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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