2022年第49卷第5期文章目次
2022, 49(5):1-7.
DOI: 10.12177/emca.2022.005
摘要:
针对可控励磁直线同步电动机（CELSM）磁悬浮系统，提出一种区间二型模糊控制策略改善系统性能。根据CELSM磁悬浮系统的结构特点及控制原理，建立其数学模型。设计区间二型模糊控制器实现对CELSM磁悬浮系统的控制，采用磁悬浮平台气隙高度的误差及其变化率作为控制器输入，用三角形隶属度函数，建立9条模糊控制规则进行模糊推理，最后用Nie-Tan（NT）降阶算法得到系统输出。根据控制系统结构，在MATLAB软件中搭建仿真模型，经仿真验证，采用区间二型模糊控制的CELSM磁悬浮系统具有起动性能好、抗干扰能力强的优点。
针对可控励磁直线同步电动机（CELSM）磁悬浮系统，提出一种区间二型模糊控制策略改善系统性能。根据CELSM磁悬浮系统的结构特点及控制原理，建立其数学模型。设计区间二型模糊控制器实现对CELSM磁悬浮系统的控制，采用磁悬浮平台气隙高度的误差及其变化率作为控制器输入，用三角形隶属度函数，建立9条模糊控制规则进行模糊推理，最后用Nie-Tan（NT）降阶算法得到系统输出。根据控制系统结构，在MATLAB软件中搭建仿真模型，经仿真验证，采用区间二型模糊控制的CELSM磁悬浮系统具有起动性能好、抗干扰能力强的优点。
2022, 49(5):8-13.
DOI: 10.12177/emca.2022.013
摘要:
针对表贴式永磁同步电机(PMSM)模型预测转矩控制(MPTC)计算复杂的问题，训练卷积神经网络(CNN)以替代MPTC实现电压矢量的选择。仿真结果表明基于CNN的MPTC稳态性能与传统MPTC基本相当，但由于稳态和动态数据不平衡，使得基于CNN的MPTC动态下磁链脉动较大。因此，提出根据系统状态将基于CNN的MPTC与直接转矩控制(DTC)自适应切换使用的策略。仿真结果表明，该策略在保证稳态控制性能的同时可以有效抑制动态下磁链脉动。
针对表贴式永磁同步电机(PMSM)模型预测转矩控制(MPTC)计算复杂的问题，训练卷积神经网络(CNN)以替代MPTC实现电压矢量的选择。仿真结果表明基于CNN的MPTC稳态性能与传统MPTC基本相当，但由于稳态和动态数据不平衡，使得基于CNN的MPTC动态下磁链脉动较大。因此，提出根据系统状态将基于CNN的MPTC与直接转矩控制(DTC)自适应切换使用的策略。仿真结果表明，该策略在保证稳态控制性能的同时可以有效抑制动态下磁链脉动。
2022, 49(5):14-19.
DOI: 10.12177/emca.2022.021
摘要:
结合电力电子系统有限开关状态特性，近年来有限状态集模型预测控制(FCS-MPC)利用被控对象离散预测模型在同步磁阻电机(SynRM)能效提升系统中得到广泛应用。然而，FCS-MPC建模过程严重依赖电机数学模型，电机参数精确性会直接影响系统控制效果。为解决上述问题，提出一种数据驱动型模型预测控制(DD-MPC)方法。该方法不利用任何电机数学模型信息，仅基于电机运行时的输入输出数据关系，通过对数据的处理分析实现“边建模、边控制”。此外，为保证DD-MPC系统的收敛性和稳定性，设计了一种DD-MPC输入输出数据关系的高更新率实现方法，利用最近输出的三电压矢量对应电流变化信息，推演并更新全局电压矢量对应电流变化关系。最后，基于25 kW样机对DD-MPC控制效果进行测试与分析。与传统FCS-MPC方法对比，所提方法在保留FCS-MPC快速性和灵活性等优势的基础上，可有效提升系统的鲁棒性和稳定性。
结合电力电子系统有限开关状态特性，近年来有限状态集模型预测控制(FCS-MPC)利用被控对象离散预测模型在同步磁阻电机(SynRM)能效提升系统中得到广泛应用。然而，FCS-MPC建模过程严重依赖电机数学模型，电机参数精确性会直接影响系统控制效果。为解决上述问题，提出一种数据驱动型模型预测控制(DD-MPC)方法。该方法不利用任何电机数学模型信息，仅基于电机运行时的输入输出数据关系，通过对数据的处理分析实现“边建模、边控制”。此外，为保证DD-MPC系统的收敛性和稳定性，设计了一种DD-MPC输入输出数据关系的高更新率实现方法，利用最近输出的三电压矢量对应电流变化信息，推演并更新全局电压矢量对应电流变化关系。最后，基于25 kW样机对DD-MPC控制效果进行测试与分析。与传统FCS-MPC方法对比，所提方法在保留FCS-MPC快速性和灵活性等优势的基础上，可有效提升系统的鲁棒性和稳定性。
2022, 49(5):20-26.
DOI: 10.12177/emca.2022.008
摘要:
针对永磁辅助同步磁阻电机(PMASynRM)直接转矩控制(DTC)转矩脉动较大的问题,研究了基于PMASynRM的无差拍直接转矩控制（DB-DTC）方案。该方案将有效磁链的概念引入PMASynRM，提取转子位置信息应用于DB-DTC，提高了电机的运行性能；采用了基于定子磁场定向的无差拍转矩控制方法以简化计算和有效抑制转矩脉动。搭建基于定子磁场定向的无差拍直接转矩磁链控制（DB-DTFC）模型并在MATLAB/Simulink软件上进行仿真试验，验证了该算法可以有效减小磁链和转矩脉动，具有较好的动态和稳态性能。
针对永磁辅助同步磁阻电机(PMASynRM)直接转矩控制(DTC)转矩脉动较大的问题,研究了基于PMASynRM的无差拍直接转矩控制（DB-DTC）方案。该方案将有效磁链的概念引入PMASynRM，提取转子位置信息应用于DB-DTC，提高了电机的运行性能；采用了基于定子磁场定向的无差拍转矩控制方法以简化计算和有效抑制转矩脉动。搭建基于定子磁场定向的无差拍直接转矩磁链控制（DB-DTFC）模型并在MATLAB/Simulink软件上进行仿真试验，验证了该算法可以有效减小磁链和转矩脉动，具有较好的动态和稳态性能。
2022, 49(5):27-36.
DOI: 10.12177/emca.2022.007
摘要:
永磁同步电机（PMSM）在新能源汽车等领域应用广泛，其精确控制大多需要依赖准确的电机参数。利用改进的鲸鱼优化算法（WOA）对BP神经网络初始权值、阈值进行优化，基于改进的BP神经网络提出了一种高精度的PMSM参数辨识方法，实现了对PMSM定子电阻、d轴电感、q轴电感以及磁链的参数辨识。仿真验证结果表明，相较于传统BP神经网络和传统WOA算法优化的BP神经网络方法，所提出的方法具有更高的辨识精度，4个参数的辨识误差均小于2%。在电机试验平台上进一步验证了所提出方法的有效性。
永磁同步电机（PMSM）在新能源汽车等领域应用广泛，其精确控制大多需要依赖准确的电机参数。利用改进的鲸鱼优化算法（WOA）对BP神经网络初始权值、阈值进行优化，基于改进的BP神经网络提出了一种高精度的PMSM参数辨识方法，实现了对PMSM定子电阻、d轴电感、q轴电感以及磁链的参数辨识。仿真验证结果表明，相较于传统BP神经网络和传统WOA算法优化的BP神经网络方法，所提出的方法具有更高的辨识精度，4个参数的辨识误差均小于2%。在电机试验平台上进一步验证了所提出方法的有效性。
2022, 49(5):37-42.
DOI: 10.12177/emca.2022.017
摘要:
利用LabVIEW RT、LabVIEW FPGA软件模块和CompactRIO硬件平台，设计了一种具有先进触发控制的励磁控制器。控制器由上位机、励磁调节器和励磁触发器构成。励磁调节器和上位机分别完成PID控制和人机交互功能。基于CompactRIO内嵌FPGA电路开发的励磁触发器则实现同步信号的频率可靠追踪和可控硅触发脉冲的高精度控制。搭建试验验证平台对新型励磁控制器进行了验证。结果表明：该控制器各部分可靠运行，整体协调有序，脉冲触发控制满足高精度要求；该控制器提高了励磁调节中的触发控制效率。
利用LabVIEW RT、LabVIEW FPGA软件模块和CompactRIO硬件平台，设计了一种具有先进触发控制的励磁控制器。控制器由上位机、励磁调节器和励磁触发器构成。励磁调节器和上位机分别完成PID控制和人机交互功能。基于CompactRIO内嵌FPGA电路开发的励磁触发器则实现同步信号的频率可靠追踪和可控硅触发脉冲的高精度控制。搭建试验验证平台对新型励磁控制器进行了验证。结果表明：该控制器各部分可靠运行，整体协调有序，脉冲触发控制满足高精度要求；该控制器提高了励磁调节中的触发控制效率。
2022, 49(5):43-47,68.
DOI: 10.12177/emca.2022.019
摘要:
永磁电机转子角度对其控制具有重要影响，目前永磁牵引电机广泛采用旋转变压器进行转子角度和速度信息的检测。基于TMS320F28377D双核CPU结合AD2S1210解码芯片构成转子位置检测系统，并采用角度分段补偿对其误差进行校正，从而为永磁电机控制算法提供了准确的转子角度信息。通过半实物仿真平台对不同转子频率下解码芯片输出的转子角度信息进行了验证。该检测方法具有精度高、抗干扰能力强的特点，满足牵引系统高可靠性和稳定性的要求，具有一定的工程意义。仿真和试验结果表明了该方法的可行性和有效性。
永磁电机转子角度对其控制具有重要影响，目前永磁牵引电机广泛采用旋转变压器进行转子角度和速度信息的检测。基于TMS320F28377D双核CPU结合AD2S1210解码芯片构成转子位置检测系统，并采用角度分段补偿对其误差进行校正，从而为永磁电机控制算法提供了准确的转子角度信息。通过半实物仿真平台对不同转子频率下解码芯片输出的转子角度信息进行了验证。该检测方法具有精度高、抗干扰能力强的特点，满足牵引系统高可靠性和稳定性的要求，具有一定的工程意义。仿真和试验结果表明了该方法的可行性和有效性。
2022, 49(5):48-53.
DOI: 10.12177/emca.2022.015
摘要:
轴向分段式爪极电机具有转矩密度高、结构简单、制造成本低以及节约材料等优点。设计了一台1.5 kW、9 000 r/min的轴向分段式爪极电机。对电机的电磁设计与温度分布进行分析，验证设计的合理性。对于爪极参数的选取，研究了爪极角与爪尖长度对电机转矩大小、转矩波动以及空载电动势的影响，给出了合适的选取范围。分析结果为新型真空干泵驱动电机产品开发提供了参考依据。
轴向分段式爪极电机具有转矩密度高、结构简单、制造成本低以及节约材料等优点。设计了一台1.5 kW、9 000 r/min的轴向分段式爪极电机。对电机的电磁设计与温度分布进行分析，验证设计的合理性。对于爪极参数的选取，研究了爪极角与爪尖长度对电机转矩大小、转矩波动以及空载电动势的影响，给出了合适的选取范围。分析结果为新型真空干泵驱动电机产品开发提供了参考依据。
2022, 49(5):54-59.
DOI: 10.12177/emca.2022.006
摘要:
磁悬浮轴承具有无摩擦、无磨损以及无需润滑等诸多优点，在鼓风机、压缩机和暖通领域有广阔的应用前景。针对65 kW、30 000 r/min热泵压缩机，基于最大承载力要求和电机转子轴径限制，设计了一款5自由度（5-DOF）主动磁悬浮轴承。针对压缩机成柜后出现的模态共振问题，通过增加安装机座支撑强度的方法抑制和消除了共振模态。该磁悬浮轴承成功应用于实际热泵压缩机，在全工况运行范围，磁悬浮轴承系统的灵敏度函数小于12 dB，转子振动峰-峰值最大值不超过80 μm，工作转速范围轴振峰-峰值小于20 μm，满足ISO 14839规定的长期稳定运行要求。
磁悬浮轴承具有无摩擦、无磨损以及无需润滑等诸多优点，在鼓风机、压缩机和暖通领域有广阔的应用前景。针对65 kW、30 000 r/min热泵压缩机，基于最大承载力要求和电机转子轴径限制，设计了一款5自由度（5-DOF）主动磁悬浮轴承。针对压缩机成柜后出现的模态共振问题，通过增加安装机座支撑强度的方法抑制和消除了共振模态。该磁悬浮轴承成功应用于实际热泵压缩机，在全工况运行范围，磁悬浮轴承系统的灵敏度函数小于12 dB，转子振动峰-峰值最大值不超过80 μm，工作转速范围轴振峰-峰值小于20 μm，满足ISO 14839规定的长期稳定运行要求。
2022, 49(5):60-63,81.
DOI: 10.12177/emca.2021.225
摘要:
随着风电市场的发展，风力发电机功率逐渐提高，电机体积越来越大，体积增大为直驱电机运输带来困难。当电机外径大于5 m时，运输成本会随着电机直径增加而迅速增加。为了解决这一问题，需要考虑将电机沿着径向分为若干个模块，运输到项目现场后再进行电机总装配。电机分瓣后同一个线圈无法同时存在于不同的两瓣电机上，采用空槽结构可以有效解决这个问题。首先提出采用空槽结构实现直驱电机的分瓣技术。其次通过对比空槽与不空槽电机的电磁性能分析空槽的可行性。最后对比不同极槽配合下空槽对电机的电磁性能影响，得出空槽方案的可行性。
随着风电市场的发展，风力发电机功率逐渐提高，电机体积越来越大，体积增大为直驱电机运输带来困难。当电机外径大于5 m时，运输成本会随着电机直径增加而迅速增加。为了解决这一问题，需要考虑将电机沿着径向分为若干个模块，运输到项目现场后再进行电机总装配。电机分瓣后同一个线圈无法同时存在于不同的两瓣电机上，采用空槽结构可以有效解决这个问题。首先提出采用空槽结构实现直驱电机的分瓣技术。其次通过对比空槽与不空槽电机的电磁性能分析空槽的可行性。最后对比不同极槽配合下空槽对电机的电磁性能影响，得出空槽方案的可行性。
2022, 49(5):64-68.
DOI: 10.12177/emca.2022.004
摘要:
建立精确的开关磁阻电机（SRM）模型对于改善SRM的性能和控制效果有着重要的影响。针对SRM运行时磁路的高度饱和和严重非线性问题，提出了基于思维进化算法（MEA）优化的反向传播(BP)神经网络算法的SRM非线性模型。利用ANSYS Maxwell软件建立了四相8/6极SRM模型并进行有限元计算，通过仿真和试验值的对比验证了该模型的精度比未经MEA优化的BP神经网络模型更高，可以更好地反映SRM运行时的磁链特性和转矩特性，且具有较好的泛化能力。
建立精确的开关磁阻电机（SRM）模型对于改善SRM的性能和控制效果有着重要的影响。针对SRM运行时磁路的高度饱和和严重非线性问题，提出了基于思维进化算法（MEA）优化的反向传播(BP)神经网络算法的SRM非线性模型。利用ANSYS Maxwell软件建立了四相8/6极SRM模型并进行有限元计算，通过仿真和试验值的对比验证了该模型的精度比未经MEA优化的BP神经网络模型更高，可以更好地反映SRM运行时的磁链特性和转矩特性，且具有较好的泛化能力。
2022, 49(5):69-74.
DOI: 10.12177/emca.2022.018
摘要:
系统阐述了无轴承永磁同步电机的基本原理和工作特性，分析了转子永磁体、牵引电流激励、悬浮电流激励相互耦合激励下输出牵引转矩、x轴及y轴悬浮力随初始角度的变化特性曲线，研究了x轴及y轴方向不同偏心距下单边磁拉力的变化规律，并通过有限元仿真进行验证。结果表明：y轴方向偏心后会造成y轴方向的单边磁拉力周期平均值增加，以及x轴、y轴方向的动态振幅波动值的增加。随着y轴方向偏心距离的增加，y轴方向偏移的单边磁拉力平均值及振幅呈线性增加趋势，x轴方向偏移的单边磁拉力平均值近似为0，振幅呈线性增加趋势。转子永磁体、牵引及悬浮绕组电流共同耦合激励将产生旋转牵引力、x轴及y轴方向悬浮力，只要针对x、y轴所处位置所产生的悬浮力进行反向补偿，使电机转子在x、y轴方向的合成作用力为0，就可以保证电机旋转过程中转子在不偏心状态下运行。
系统阐述了无轴承永磁同步电机的基本原理和工作特性，分析了转子永磁体、牵引电流激励、悬浮电流激励相互耦合激励下输出牵引转矩、x轴及y轴悬浮力随初始角度的变化特性曲线，研究了x轴及y轴方向不同偏心距下单边磁拉力的变化规律，并通过有限元仿真进行验证。结果表明：y轴方向偏心后会造成y轴方向的单边磁拉力周期平均值增加，以及x轴、y轴方向的动态振幅波动值的增加。随着y轴方向偏心距离的增加，y轴方向偏移的单边磁拉力平均值及振幅呈线性增加趋势，x轴方向偏移的单边磁拉力平均值近似为0，振幅呈线性增加趋势。转子永磁体、牵引及悬浮绕组电流共同耦合激励将产生旋转牵引力、x轴及y轴方向悬浮力，只要针对x、y轴所处位置所产生的悬浮力进行反向补偿，使电机转子在x、y轴方向的合成作用力为0，就可以保证电机旋转过程中转子在不偏心状态下运行。
2022, 49(5):75-81.
DOI: 10.12177/emca.2022.012
摘要:
定子端部漏感是定子漏感参数的重要组成部分，准确的端部漏感计算是电机过渡过程分析和高性能电机控制的关键。利用能量法、Boit-Savart定律、矢量磁位法对喇叭口形、半椭圆形以及半矩形绕组端部漏感进行计算，并与试验测试结果对比，分析得到不同形状端部漏感最合适的计算方法。分析结果表明，喇叭口形绕组端部漏感宜采用矢量磁位法计算，半椭圆形绕组端部漏感宜采用能量法计算，半矩形绕组端部漏感宜采用Boit-Savart法或矢量磁位法计算。
定子端部漏感是定子漏感参数的重要组成部分，准确的端部漏感计算是电机过渡过程分析和高性能电机控制的关键。利用能量法、Boit-Savart定律、矢量磁位法对喇叭口形、半椭圆形以及半矩形绕组端部漏感进行计算，并与试验测试结果对比，分析得到不同形状端部漏感最合适的计算方法。分析结果表明，喇叭口形绕组端部漏感宜采用矢量磁位法计算，半椭圆形绕组端部漏感宜采用能量法计算，半矩形绕组端部漏感宜采用Boit-Savart法或矢量磁位法计算。
2022, 49(5):82-86.
DOI: 10.12177/emca.2022.009
摘要:
电动汽车对加速性和续航里程的要求不断提升，从而对电驱系统功率密度和效率的要求也在不断提升。针对这一需求，分析了SiC半导体材料的优势，提出一种基于SiC的纯电驱动系统方案。分别对SiC基和Si基电驱动单元进行了台架对比测试，测试结果表明SiC基电驱动单元在不增加零件尺寸的前提下，可大幅提高输出功率与效率，进而提升电动汽车的加速性与续航里程。作为一种有效提升电动汽车性能的解决方案，SiC基电驱动单元将是未来高性能电动汽车的重要发展方向。
电动汽车对加速性和续航里程的要求不断提升，从而对电驱系统功率密度和效率的要求也在不断提升。针对这一需求，分析了SiC半导体材料的优势，提出一种基于SiC的纯电驱动系统方案。分别对SiC基和Si基电驱动单元进行了台架对比测试，测试结果表明SiC基电驱动单元在不增加零件尺寸的前提下，可大幅提高输出功率与效率，进而提升电动汽车的加速性与续航里程。作为一种有效提升电动汽车性能的解决方案，SiC基电驱动单元将是未来高性能电动汽车的重要发展方向。
2022, 49(5):87-93.
DOI: 10.12177/emca.2022.016
摘要:
变压器绕组松动故障给电力系统安全稳定埋下巨大隐患，目前缺乏切实有效的诊断方法。因此提出一种基于50 Hz倍频小波时频熵和RUSBoost的变压器绕组松动声纹识别方法。首先，针对变压器声纹特点提出50 Hz倍频小波时频熵，用于声纹信号特征提取。然后，针对变压器故障样本较少导致的样本不平衡的问题，提出基于RUSBoost模型的模式识别。最后，在现场实测数据的基础上验证了该方法的有效性。研究结果表明，所提方法对变压器绕组不同松动程度的故障均能实现可靠诊断，平均识别准确率达到了98.9%。样本较少的75%松动和100%松动的识别准确率也分别高达97.2%和94.6%。相较于RF、DT、KNN以及SVM等传统模型，总体识别准确率至少提高3.3%，样本较少的75%松动和100%松动的识别准确率至少提高了2.8%和2.5%。
变压器绕组松动故障给电力系统安全稳定埋下巨大隐患，目前缺乏切实有效的诊断方法。因此提出一种基于50 Hz倍频小波时频熵和RUSBoost的变压器绕组松动声纹识别方法。首先，针对变压器声纹特点提出50 Hz倍频小波时频熵，用于声纹信号特征提取。然后，针对变压器故障样本较少导致的样本不平衡的问题，提出基于RUSBoost模型的模式识别。最后，在现场实测数据的基础上验证了该方法的有效性。研究结果表明，所提方法对变压器绕组不同松动程度的故障均能实现可靠诊断，平均识别准确率达到了98.9%。样本较少的75%松动和100%松动的识别准确率也分别高达97.2%和94.6%。相较于RF、DT、KNN以及SVM等传统模型，总体识别准确率至少提高3.3%，样本较少的75%松动和100%松动的识别准确率至少提高了2.8%和2.5%。
2022, 49(5):94-102.
DOI: 10.12177/emca.2022.010
摘要:
配电网中Z源网络的引入可以灵活控制电压的输出，实现高效率的电能变换。为了详细分析准Z源网络拓扑的模型特征，利用状态空间法和小信号建模方法提出、分析并验证了一种应用于配电网中准Z源网络的小信号模型特征。首先，利用状态空间法推导了准Z源网络的数学模型；然后，利用小信号模型对准Z源网络进行暂态分析，并得出电感电流和电容电压传递函数。另外，详细分析了两种传递函数的零、极点分布情况，并得出了系统稳定性变化的特征。最后，利用MATLAB/Simulink软件仿真的结果和物理样机试验验证了所提方法的有效性。
配电网中Z源网络的引入可以灵活控制电压的输出，实现高效率的电能变换。为了详细分析准Z源网络拓扑的模型特征，利用状态空间法和小信号建模方法提出、分析并验证了一种应用于配电网中准Z源网络的小信号模型特征。首先，利用状态空间法推导了准Z源网络的数学模型；然后，利用小信号模型对准Z源网络进行暂态分析，并得出电感电流和电容电压传递函数。另外，详细分析了两种传递函数的零、极点分布情况，并得出了系统稳定性变化的特征。最后，利用MATLAB/Simulink软件仿真的结果和物理样机试验验证了所提方法的有效性。
2022, 49(5):103-109.
DOI: 10.12177/emca.2022.014
摘要:
简要介绍了电机综合测试系统的组成，在此基础上分析了电机测试系统采集分析软件的开发功能需求，设计了系统软件架构。同时，基于该软件架构利用Visual Studio 2019开发环境中的C#编程语言进行电机综合测试系统采集分析软件的开发。详细介绍了软件人机界面的设计，并以三相异步电机作为典型案例，详述了试验软件典型试验项目的功能设计及实现过程。
简要介绍了电机综合测试系统的组成，在此基础上分析了电机测试系统采集分析软件的开发功能需求，设计了系统软件架构。同时，基于该软件架构利用Visual Studio 2019开发环境中的C#编程语言进行电机综合测试系统采集分析软件的开发。详细介绍了软件人机界面的设计，并以三相异步电机作为典型案例，详述了试验软件典型试验项目的功能设计及实现过程。
《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
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