2022年第49卷第1期文章目次
2022, 49(1):1-7,15.
DOI: 10.12177/emca.2021.158
摘要:
针对运行环境恶劣的无位置传感器高速永磁同步电机(HSPMSM)系统，无位置传感器算法的参数依赖性是热门研究方向之一。研究了一种基于估计旋转坐标系下扩展反电动势的无位置传感器算法，利用系统稳定性分析法对算法模型的电机参数依赖性进行了定性分析。通过建立四阶扩展卡尔曼滤波观测器对电机参数进行在线辨识，并结合参数依赖性规律，实时修正位置观测器算法模型中的电机参数，有效解决了运行过程中参数变化导致系统失稳的问题。在额定功率、转速分别为60 kW与45 000 r/min的高速离心压气机系统中通过仿真验证了所提方法的有效性。
针对运行环境恶劣的无位置传感器高速永磁同步电机(HSPMSM)系统，无位置传感器算法的参数依赖性是热门研究方向之一。研究了一种基于估计旋转坐标系下扩展反电动势的无位置传感器算法，利用系统稳定性分析法对算法模型的电机参数依赖性进行了定性分析。通过建立四阶扩展卡尔曼滤波观测器对电机参数进行在线辨识，并结合参数依赖性规律，实时修正位置观测器算法模型中的电机参数，有效解决了运行过程中参数变化导致系统失稳的问题。在额定功率、转速分别为60 kW与45 000 r/min的高速离心压气机系统中通过仿真验证了所提方法的有效性。
2022, 49(1):8-15.
DOI: 10.12177/emca.2021.145
摘要:
针对电机运行过程中参数变化会影响永磁同步电机(PMSM)无位置传感器控制性能的问题，将递推的最小二乘法(RLS)用于PMSM参数的在线辨识，在最大转矩电流比控制策略下，使用基于BP神经网络改进的模型参考自适应系统构建无位置传感器控制方案，提出了基于在线参数辨识的PMSM无位置传感器控制方案。运用递推的RLS对PMSM的交轴电感和转子磁链进行在线辨识，并将参数辨识结果应用于电机无位置传感器算法中。仿真和试验证明了基于递推的RLS参数辨识算法可以对PMSM的转子磁链和交轴电感值进行准确辨识，基于参数辨识的PMSM无位置传感器控制方案性能更好。
针对电机运行过程中参数变化会影响永磁同步电机(PMSM)无位置传感器控制性能的问题，将递推的最小二乘法(RLS)用于PMSM参数的在线辨识，在最大转矩电流比控制策略下，使用基于BP神经网络改进的模型参考自适应系统构建无位置传感器控制方案，提出了基于在线参数辨识的PMSM无位置传感器控制方案。运用递推的RLS对PMSM的交轴电感和转子磁链进行在线辨识，并将参数辨识结果应用于电机无位置传感器算法中。仿真和试验证明了基于递推的RLS参数辨识算法可以对PMSM的转子磁链和交轴电感值进行准确辨识，基于参数辨识的PMSM无位置传感器控制方案性能更好。
2022, 49(1):16-21.
DOI: 10.12177/emca.2021.130
摘要:
不同的磁链和转矩预测模型使得表贴式永磁同步电机(SPMSM)模型预测转矩控制(MPTC)系统的性能有所差异。因此建立了基于转子磁链坐标系、定子磁链坐标系和静止坐标系的SPMSM MPTC系统，并进行仿真验证和对比分析。仿真结果为SPMSM MPTC的预测模型的选择提供参考。
不同的磁链和转矩预测模型使得表贴式永磁同步电机(SPMSM)模型预测转矩控制(MPTC)系统的性能有所差异。因此建立了基于转子磁链坐标系、定子磁链坐标系和静止坐标系的SPMSM MPTC系统，并进行仿真验证和对比分析。仿真结果为SPMSM MPTC的预测模型的选择提供参考。
2022, 49(1):22-27.
DOI: 10.12177/emca.2021.150
摘要:
伺服系统在低速运动时其控制精度极易受到摩擦力等扰动影响。通过对滚珠丝杠平台中摩擦力和扰动的分析，提出了一种基于LuGre摩擦力模型和降阶扩张状态观测器(RESO)的扰动补偿方法。首先利用曲线拟合和遗传算法辨识出系统LuGre摩擦力模型的参数，利用辨识出参数的摩擦力模型实现对系统中摩擦力的补偿；其次通过RESO实现对摩擦力的过补偿和欠补偿以及系统中其他集总扰动的观测补偿。试验结果表明该方法不仅可以提高摩擦力补偿的效果，同时还能对系统扰动进行抑制，有效提高了系统的跟踪精度。
伺服系统在低速运动时其控制精度极易受到摩擦力等扰动影响。通过对滚珠丝杠平台中摩擦力和扰动的分析，提出了一种基于LuGre摩擦力模型和降阶扩张状态观测器(RESO)的扰动补偿方法。首先利用曲线拟合和遗传算法辨识出系统LuGre摩擦力模型的参数，利用辨识出参数的摩擦力模型实现对系统中摩擦力的补偿；其次通过RESO实现对摩擦力的过补偿和欠补偿以及系统中其他集总扰动的观测补偿。试验结果表明该方法不仅可以提高摩擦力补偿的效果，同时还能对系统扰动进行抑制，有效提高了系统的跟踪精度。
2022, 49(1):28-33,55.
DOI: 10.12177/emca.2021.157
摘要:
两相混合式步进电机是一个非线性、多变量、强耦合的系统。针对两相混合式步进电机开环控制定位精度低的问题，提出了一种基于径向基函数(RBF)神经网络的反步控制方法，该方法克服了单一反步控制对非线性系统控制参数选取困难的缺点，利用RBF神经网络的万能逼近特性，对电机运行过程中的不确定因素进行补偿，使其不过于依赖反步控制器所选取的参数，同时引入高斯基函数和自适应律，能够较好地对其中的非线性项进行逼近。利用神经网络与反步控制方法的结合，有效提高了两相混合式步进电机控制的位置跟踪精度和稳态性能。
两相混合式步进电机是一个非线性、多变量、强耦合的系统。针对两相混合式步进电机开环控制定位精度低的问题，提出了一种基于径向基函数(RBF)神经网络的反步控制方法，该方法克服了单一反步控制对非线性系统控制参数选取困难的缺点，利用RBF神经网络的万能逼近特性，对电机运行过程中的不确定因素进行补偿，使其不过于依赖反步控制器所选取的参数，同时引入高斯基函数和自适应律，能够较好地对其中的非线性项进行逼近。利用神经网络与反步控制方法的结合，有效提高了两相混合式步进电机控制的位置跟踪精度和稳态性能。
2022, 49(1):34-38.
DOI: 10.12177/emca.2021.151
摘要:
阐述了异步电机电制动的控制策略；分析实际应用中低速电制动转矩出现偏差的原因，并通过MATLAB绘制出当定向角度出现偏差时给定转矩与实际转矩在三维空间中的比例关系。为解决低速电制动时由于转子磁场定向偏差引起电机转矩不准的问题，采用基于无功功率模型的转子时间常数自适应控制进行校正。试验结果表明该控制策略可以实现校正转子磁场定向偏差的功能，具有良好的动态性能，可以满足地铁列车的性能要求。
阐述了异步电机电制动的控制策略；分析实际应用中低速电制动转矩出现偏差的原因，并通过MATLAB绘制出当定向角度出现偏差时给定转矩与实际转矩在三维空间中的比例关系。为解决低速电制动时由于转子磁场定向偏差引起电机转矩不准的问题，采用基于无功功率模型的转子时间常数自适应控制进行校正。试验结果表明该控制策略可以实现校正转子磁场定向偏差的功能，具有良好的动态性能，可以满足地铁列车的性能要求。
2022, 49(1):39-48.
DOI: 10.12177/emca.2021.155
摘要:
准确分析电机结构以及磁饱和等因素对气隙磁场分布的影响是永磁电机设计、优化的关键。以分数槽集中绕组内置式永磁同步电机(FSCW-IPMSM)为研究对象，根据磁路分析方法和FSCW的分布规律，分别得到了考虑转子磁桥漏磁的空载永磁磁场解析模型和电枢反应磁场的解析表达式。考虑到定子齿槽结构以及转子内部永磁体分布，利用相对气隙磁导，将定子开槽和转子凸极对气隙磁场的影响考虑在内。重点结合定子铁心材料的B-H磁化曲线、定子铁心局部磁饱和特性引入铁心等效磁阻与动态磁导率来考虑定子铁心磁饱和对负载气隙磁场的影响。最后，有限元仿真和样机试验结果验证了理论分析的准确性，为该类电机的电磁设计和性能分析提供了理论基础。
准确分析电机结构以及磁饱和等因素对气隙磁场分布的影响是永磁电机设计、优化的关键。以分数槽集中绕组内置式永磁同步电机(FSCW-IPMSM)为研究对象，根据磁路分析方法和FSCW的分布规律，分别得到了考虑转子磁桥漏磁的空载永磁磁场解析模型和电枢反应磁场的解析表达式。考虑到定子齿槽结构以及转子内部永磁体分布，利用相对气隙磁导，将定子开槽和转子凸极对气隙磁场的影响考虑在内。重点结合定子铁心材料的B-H磁化曲线、定子铁心局部磁饱和特性引入铁心等效磁阻与动态磁导率来考虑定子铁心磁饱和对负载气隙磁场的影响。最后，有限元仿真和样机试验结果验证了理论分析的准确性，为该类电机的电磁设计和性能分析提供了理论基础。
2022, 49(1):49-55.
DOI: 10.12177/emca.2021.152
摘要:
当前低速大转矩传动系统存在机械振动、刚性摩擦等问题，根据调制型磁齿轮效应，磁场调制型永磁齿轮电机(FPGM)可用于低速大转矩直驱。通过分析FPGM与分数槽集中绕组永磁同步电机(FSCW-PMSM)的绕组磁动势各次谐波在电机中的作用，定性比较两者的异同。通过建立FPGM和FSCW-PMSM的有限元模型，分析了两者转矩特性、功率因数和参数特性的区别，验证了FPGM产生大转矩的能力，并为关键参数的分析设计提供了参考。搭建FPGM样机空载试验平台，并将试验数据与有限元分析结果进行对比，证明以FPGM提供低速大转矩方案的可行性。
当前低速大转矩传动系统存在机械振动、刚性摩擦等问题，根据调制型磁齿轮效应，磁场调制型永磁齿轮电机(FPGM)可用于低速大转矩直驱。通过分析FPGM与分数槽集中绕组永磁同步电机(FSCW-PMSM)的绕组磁动势各次谐波在电机中的作用，定性比较两者的异同。通过建立FPGM和FSCW-PMSM的有限元模型，分析了两者转矩特性、功率因数和参数特性的区别，验证了FPGM产生大转矩的能力，并为关键参数的分析设计提供了参考。搭建FPGM样机空载试验平台，并将试验数据与有限元分析结果进行对比，证明以FPGM提供低速大转矩方案的可行性。
2022, 49(1):56-61.
DOI: 10.12177/emca.2021.159
摘要:
一般牵引电机噪声由冷却风扇噪声、电磁振动噪声和机械噪声组成，其中冷却风扇引起的气动噪声是重要构成部分。建立牵引电机整机计算流体动力学（CFD）计算模型，利用DES-SST湍流模型计算牵引电机内流场，通过回转面、子午面上流线和旋涡强度分布发现风扇流道内流动分离现象十分显著，风扇进风口及叶尖处存在高强度的旋涡运动。建立牵引电机整机气动噪声有限元计算模型，以非定常流场计算结果为声源预测牵引电机辐射噪声。计算结果表明，噪声监测点上仿真计算值与试验值的总声压级最小相差0.1 dB(A)，多点平均声压级相差1.8 dB(A)，计算结果较准确。牵引电机气动噪声由离散噪声和宽频噪声组成，其中离散噪声的最高峰值来自于冷却风扇的偶极子噪声，且风扇叶片不等间距排列导致叶片通过频率的基频由369 Hz偏移至221 Hz。同时该频率下噪声的辐射指向性呈现典型的偶极子特征，并主要从牵引电机进出风口向外传播。试验结果可为牵引电机降噪优化工作提供参考。
一般牵引电机噪声由冷却风扇噪声、电磁振动噪声和机械噪声组成，其中冷却风扇引起的气动噪声是重要构成部分。建立牵引电机整机计算流体动力学（CFD）计算模型，利用DES-SST湍流模型计算牵引电机内流场，通过回转面、子午面上流线和旋涡强度分布发现风扇流道内流动分离现象十分显著，风扇进风口及叶尖处存在高强度的旋涡运动。建立牵引电机整机气动噪声有限元计算模型，以非定常流场计算结果为声源预测牵引电机辐射噪声。计算结果表明，噪声监测点上仿真计算值与试验值的总声压级最小相差0.1 dB(A)，多点平均声压级相差1.8 dB(A)，计算结果较准确。牵引电机气动噪声由离散噪声和宽频噪声组成，其中离散噪声的最高峰值来自于冷却风扇的偶极子噪声，且风扇叶片不等间距排列导致叶片通过频率的基频由369 Hz偏移至221 Hz。同时该频率下噪声的辐射指向性呈现典型的偶极子特征，并主要从牵引电机进出风口向外传播。试验结果可为牵引电机降噪优化工作提供参考。
2022, 49(1):62-68.
DOI: 10.12177/emca.2021.146
摘要:
介绍了单元电机的基本概念。以12槽双层的分数槽集中绕组为例，给出绕线原则，并在不确定单元电机极对数的情况下，用交流电机绕组理论、函数的傅里叶级数展开两种方法，从一个线圈、一组线圈、一相绕组到三相绕组详细推导了分数槽集中绕组各次谐波的绕组因数和磁动势，得出了分数槽集中绕组的一般特点和普遍规律。最后指出转子极对数接近但不等于定子槽数的一半是采用分数槽集中绕组的永磁电机的最佳选择。
介绍了单元电机的基本概念。以12槽双层的分数槽集中绕组为例，给出绕线原则，并在不确定单元电机极对数的情况下，用交流电机绕组理论、函数的傅里叶级数展开两种方法，从一个线圈、一组线圈、一相绕组到三相绕组详细推导了分数槽集中绕组各次谐波的绕组因数和磁动势，得出了分数槽集中绕组的一般特点和普遍规律。最后指出转子极对数接近但不等于定子槽数的一半是采用分数槽集中绕组的永磁电机的最佳选择。
2022, 49(1):69-73.
DOI: 10.12177/emca.2021.168
摘要:
根据双绕组发电机与普通三相同步发电机的内在关系，参照三相电机突然短路电磁转矩的分析方法，进行了双绕组发电机交流侧带负载时直流侧突然短路的电磁转矩解析分析，得到了简明的交变转矩、平均转矩及总电磁转矩的解析式，并通过试验进行了验证。所得双绕组发电机交流侧带负载时直流侧突然短路电磁转矩的计算式简明、准确、物理意义明确，特别适合于工程应用。
根据双绕组发电机与普通三相同步发电机的内在关系，参照三相电机突然短路电磁转矩的分析方法，进行了双绕组发电机交流侧带负载时直流侧突然短路的电磁转矩解析分析，得到了简明的交变转矩、平均转矩及总电磁转矩的解析式，并通过试验进行了验证。所得双绕组发电机交流侧带负载时直流侧突然短路电磁转矩的计算式简明、准确、物理意义明确，特别适合于工程应用。
2022, 49(1):74-79,95.
DOI: 10.12177/emca.2021.160
摘要:
为了准确计算永磁同步电机(PMSM)转子的挠度，降低电机的生产制造成本，基于理论解析和有限元法，分析与计算了转子偏心电磁力和挠度。推导了PMSM不平衡磁拉力的解析表达式，详细介绍了不平衡磁拉力和转子挠度的有限元计算方法。以355 kW 1 500 r/min PMSM为例，对比了不平衡磁拉力、转子挠度的有限元和解析法的计算结果，验证了有限元法的可靠性，对PMSM转子机械的准确计算和振动噪声分析具有一定的参考意义。
为了准确计算永磁同步电机(PMSM)转子的挠度，降低电机的生产制造成本，基于理论解析和有限元法，分析与计算了转子偏心电磁力和挠度。推导了PMSM不平衡磁拉力的解析表达式，详细介绍了不平衡磁拉力和转子挠度的有限元计算方法。以355 kW 1 500 r/min PMSM为例，对比了不平衡磁拉力、转子挠度的有限元和解析法的计算结果，验证了有限元法的可靠性，对PMSM转子机械的准确计算和振动噪声分析具有一定的参考意义。
2022, 49(1):80-87.
DOI: 10.12177/emca.2021.165
摘要:
高速主轴电机是电主轴的关键核心部件，电机发热直接影响电主轴的加工精度和运行可靠性。以一台10万转主轴异步电机为例，对高速异步主轴电动机进行深入的热分析，设计高效的散热冷却结构，确保主轴电机的可靠平稳运行。确定主轴电机的主要热源，研究转子转速、转子表面粗糙度对主轴电机风摩损耗的影响规律；考虑旋转磁场和谐波对铁耗计算的影响，采用齿轭分区的有限元法提高仿真精度，分析电机铁耗的分布规律。基于流体力学对电机进行3D热仿真，对比主流的周向螺旋型和轴向Z字型两种冷却结构的冷却效果，确定高效的冷却结构设计方案，并进一步采用转子铁心开空气槽的设计方案，增加转子铁心与转轴之间的热阻，提高电机的散热能力，确保电机的转轴温升在安全范围内，最后校核转子结构的机械强度，保证主轴电机运行的可靠性。
高速主轴电机是电主轴的关键核心部件，电机发热直接影响电主轴的加工精度和运行可靠性。以一台10万转主轴异步电机为例，对高速异步主轴电动机进行深入的热分析，设计高效的散热冷却结构，确保主轴电机的可靠平稳运行。确定主轴电机的主要热源，研究转子转速、转子表面粗糙度对主轴电机风摩损耗的影响规律；考虑旋转磁场和谐波对铁耗计算的影响，采用齿轭分区的有限元法提高仿真精度，分析电机铁耗的分布规律。基于流体力学对电机进行3D热仿真，对比主流的周向螺旋型和轴向Z字型两种冷却结构的冷却效果，确定高效的冷却结构设计方案，并进一步采用转子铁心开空气槽的设计方案，增加转子铁心与转轴之间的热阻，提高电机的散热能力，确保电机的转轴温升在安全范围内，最后校核转子结构的机械强度，保证主轴电机运行的可靠性。
2022, 49(1):88-95.
DOI: 10.12177/emca.2021.161
摘要:
针对传统异步电机驱动提花喷气织机传动链冗长、系统效率低、噪音大等问题，提出一种永磁电机直驱系统。为保证布匹质量，采用遗传算法优化转子偏心距和极弧系数，削弱电机转矩脉动。由于提花喷气织机负载不断变化，持续影响电机磁热性能，提出一种瞬态磁热双向耦合逐次逼近稳态温升的计算方法。对比分析了不同功率点下电机温升分布规律及电磁性能，得到最佳功率点。最后研制了一台3.1 kW的样机并进行试验，试验数据与仿真结果基本吻合，验证了所提的采用瞬态磁热双向耦合逐次逼近稳态温升进而选取最佳功率点的合理性，为提花喷气织机直驱永磁电机设计提供了依据。
针对传统异步电机驱动提花喷气织机传动链冗长、系统效率低、噪音大等问题，提出一种永磁电机直驱系统。为保证布匹质量，采用遗传算法优化转子偏心距和极弧系数，削弱电机转矩脉动。由于提花喷气织机负载不断变化，持续影响电机磁热性能，提出一种瞬态磁热双向耦合逐次逼近稳态温升的计算方法。对比分析了不同功率点下电机温升分布规律及电磁性能，得到最佳功率点。最后研制了一台3.1 kW的样机并进行试验，试验数据与仿真结果基本吻合，验证了所提的采用瞬态磁热双向耦合逐次逼近稳态温升进而选取最佳功率点的合理性，为提花喷气织机直驱永磁电机设计提供了依据。
2022, 49(1):96-102.
DOI: 10.12177/emca.2021.164
摘要:
在MATLAB/Simulink软件中搭建三级式无刷交流同步发电机调压控制系统模型时，需要选取合适的PI参数使系统的输出电压满足相应的指标。考虑到传统的PI参数整定方法计算复杂，且计算出的参数需要经过多次调整才能满足系统指标，设计了一种基于粒子群（PSO）算法整定PI参数的方法，用以提高三级式同步发电机调压控制系统模型的PI参数整定效率。仿真结果验证了PSO算法整定无刷交流发电系统PI参数的可行性，可以根据需要的输出电压指标整定合适的PI参数。
在MATLAB/Simulink软件中搭建三级式无刷交流同步发电机调压控制系统模型时，需要选取合适的PI参数使系统的输出电压满足相应的指标。考虑到传统的PI参数整定方法计算复杂，且计算出的参数需要经过多次调整才能满足系统指标，设计了一种基于粒子群（PSO）算法整定PI参数的方法，用以提高三级式同步发电机调压控制系统模型的PI参数整定效率。仿真结果验证了PSO算法整定无刷交流发电系统PI参数的可行性，可以根据需要的输出电压指标整定合适的PI参数。
2022, 49(1):103-109.
DOI: 10.12177/emca.2021.166
摘要:
为了使货运列车运行过程切近实际，提出了一种基于加速度自适应的货运列车质点模型平滑切换方法。首先，建立列车的单质点和多质点模型，基于扰动加速度偏差变化率进行列车多模型的自适应切换研究。然后，为了降低大功率机车牵引电机的工作能耗，引入货运列车牵引控制的多目标和约束条件，建立了多目标优化模型，并提出一种新型的多目标飞蛾扑火(MOMFO)算法用于优化货运列车运行过程。最后，采用HXD1型电力机车牵引50节C80货车作为研究对象，通过仿真验证了所提方法对货运列车牵引电机节能及运行过程优化具有重要意义。
为了使货运列车运行过程切近实际，提出了一种基于加速度自适应的货运列车质点模型平滑切换方法。首先，建立列车的单质点和多质点模型，基于扰动加速度偏差变化率进行列车多模型的自适应切换研究。然后，为了降低大功率机车牵引电机的工作能耗，引入货运列车牵引控制的多目标和约束条件，建立了多目标优化模型，并提出一种新型的多目标飞蛾扑火(MOMFO)算法用于优化货运列车运行过程。最后，采用HXD1型电力机车牵引50节C80货车作为研究对象，通过仿真验证了所提方法对货运列车牵引电机节能及运行过程优化具有重要意义。
《电机与控制应用》
月刊，1959年创刊
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- 刊号：ISSN 1673-6540
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