2022年第49卷第9期文章目次
2022, 49(9):1-7.
DOI: 10.12177/emca.2022.087
摘要:
针对永磁直线电机（PMLM）驱动单连杆柔性机械臂（SLFM）做点到点运动时存在残余振动从而影响柔性臂末端迅速精准定位的问题，研究了基于PMLM平动柔性臂系统的试验模型辨识问题。建立了从位置指令到柔性臂根部应变振动信号的传递函数模型，并对模型采用阶跃输入法和扫频激励法进行了试验辨识，为开展基于PMLM的平动柔性臂系统抑制残余振动控制提供了模型基础。试验结果得出辨识模型在2种激励信号下的仿真输出与实际结构动态响应的吻合度均较高，验证了模型辨识结果的正确性，并反映了基于PMLM的平动柔性臂系统的动力学特性。
针对永磁直线电机（PMLM）驱动单连杆柔性机械臂（SLFM）做点到点运动时存在残余振动从而影响柔性臂末端迅速精准定位的问题，研究了基于PMLM平动柔性臂系统的试验模型辨识问题。建立了从位置指令到柔性臂根部应变振动信号的传递函数模型，并对模型采用阶跃输入法和扫频激励法进行了试验辨识，为开展基于PMLM的平动柔性臂系统抑制残余振动控制提供了模型基础。试验结果得出辨识模型在2种激励信号下的仿真输出与实际结构动态响应的吻合度均较高，验证了模型辨识结果的正确性，并反映了基于PMLM的平动柔性臂系统的动力学特性。
2022, 49(9):8-16.
DOI: 10.12177/emca.2022.091
摘要:
模型预测控制（MPC）动态性能优越、抗扰动能力强，但零电压矢量的使用可引起较大的共模电压，产生轴电流、电磁干扰等问题。基于等效零矢量的多矢量合成MPC虽可抑制共模电压，但需在同一周期使用多个有效矢量，导致开关频率高、系统效率低。因此，提出一种用于永磁同步电机（PMSM）的混合模型预测转矩控制（MPTC）策略，针对不同幅值的参考电压，分别使用虚拟矢量和多矢量合成2种电压矢量生成方式，可用较低的平均开关频率实现共模电压抑制，并保证良好的动、静态转矩控制性能。此外，通过改变控制模式的切换条件，可实现开关频率和转矩脉动的灵活切换。最后，仿真验证了所提方法的有效性。
模型预测控制（MPC）动态性能优越、抗扰动能力强，但零电压矢量的使用可引起较大的共模电压，产生轴电流、电磁干扰等问题。基于等效零矢量的多矢量合成MPC虽可抑制共模电压，但需在同一周期使用多个有效矢量，导致开关频率高、系统效率低。因此，提出一种用于永磁同步电机（PMSM）的混合模型预测转矩控制（MPTC）策略，针对不同幅值的参考电压，分别使用虚拟矢量和多矢量合成2种电压矢量生成方式，可用较低的平均开关频率实现共模电压抑制，并保证良好的动、静态转矩控制性能。此外，通过改变控制模式的切换条件，可实现开关频率和转矩脉动的灵活切换。最后，仿真验证了所提方法的有效性。
2022, 49(9):17-21.
DOI: 10.12177/emca.2022.089
摘要:
针对多步模型预测控制(MPC)计算量大的问题，将事件触发机制引入到永磁同步电机(PMSM)多步模型预测转矩控制(MPTC)，建立基于转矩误差、磁链误差和连续触发次数的事件触发机制。当满足事件触发条件时，相应的采样周期无需多步预测计算，可从已有的控制序列中选择对应的电压矢量。仿真结果表明，基于事件触发的PMSM MPTC可行，由于事件触发时，牺牲滚动优化的特性，转矩和磁链脉动轻微增大，开关频率和平均运算量有所降低。
针对多步模型预测控制(MPC)计算量大的问题，将事件触发机制引入到永磁同步电机(PMSM)多步模型预测转矩控制(MPTC)，建立基于转矩误差、磁链误差和连续触发次数的事件触发机制。当满足事件触发条件时，相应的采样周期无需多步预测计算，可从已有的控制序列中选择对应的电压矢量。仿真结果表明，基于事件触发的PMSM MPTC可行，由于事件触发时，牺牲滚动优化的特性，转矩和磁链脉动轻微增大，开关频率和平均运算量有所降低。
2022, 49(9):22-28.
DOI: 10.12177/emca.2022.077
摘要:
为了改善传统积分滑模控制（SMC）结构的永磁同步电机（PMSM）由于转换动作不连续而造成的稳态误差和超调，提升系统的稳定性，设计了一种新型的积分削弱型SMC结构。基于传统的积分型SMC结构，引入边界层概念，在层外对积分进行削弱，柔化电机的趋近运动，通过Lyapunov函数验证了此种方式的优越性。基于积分削弱型结构设计思路，在MATLAB/Simulink中分别搭建出新旧2种控制器的PMSM矢量控制模型进行对比验证。最后,通过仿真分析对比2种控制结果转速图和电磁转矩图，与传统的积分型滑模控制相比，所设计的新型SMC结构可以有效改善系统稳态误差和稳定性。
为了改善传统积分滑模控制（SMC）结构的永磁同步电机（PMSM）由于转换动作不连续而造成的稳态误差和超调，提升系统的稳定性，设计了一种新型的积分削弱型SMC结构。基于传统的积分型SMC结构，引入边界层概念，在层外对积分进行削弱，柔化电机的趋近运动，通过Lyapunov函数验证了此种方式的优越性。基于积分削弱型结构设计思路，在MATLAB/Simulink中分别搭建出新旧2种控制器的PMSM矢量控制模型进行对比验证。最后,通过仿真分析对比2种控制结果转速图和电磁转矩图，与传统的积分型滑模控制相比，所设计的新型SMC结构可以有效改善系统稳态误差和稳定性。
2022, 49(9):29-36.
DOI: 10.12177/emca.2022.095
摘要:
为了削弱永磁直线电机(PMLM)运动中存在于动子与定子之间的法向力波动，在推导分析法向力波动产生原理的基础上，采用最优极弧系数和磁极倒角法削弱齿槽法向力，采用优化铁心长度及端齿形状削弱端部法向力，以达到综合削弱PMLM法向力波动的目的。通过有限元仿真证明了所采用方法的有效性，可以在满足推力要求的的情况下，极大地削弱PMLM的法向力波动。所得结论可为永磁直线电机的设计提供一定的理论指导。
为了削弱永磁直线电机(PMLM)运动中存在于动子与定子之间的法向力波动，在推导分析法向力波动产生原理的基础上，采用最优极弧系数和磁极倒角法削弱齿槽法向力，采用优化铁心长度及端齿形状削弱端部法向力，以达到综合削弱PMLM法向力波动的目的。通过有限元仿真证明了所采用方法的有效性，可以在满足推力要求的的情况下，极大地削弱PMLM的法向力波动。所得结论可为永磁直线电机的设计提供一定的理论指导。
2022, 49(9):37-43.
DOI: 10.12177/emca.2022.088
摘要:
在传统磁通切换直线电机的基础上，提出了一种可用于轨道交通的横向磁场磁通切换电励磁磁悬浮直线电机（TMFFSEEMSLM）。研究TMFFSEEMSLM的结构与运行原理，该电机的定子为U形磁极，动子为双H形并通过横梁连接，产生横向磁通进行导向，电枢绕组和励磁绕组均位于电机短初级上实现磁通切换，次级仅由导磁铁心构成，电励磁实现气隙磁场调节，极大地降低了远距离轨道交通的制造成本，磁悬浮使电机的初级和次级实现无摩擦运动；建立该磁悬浮直线电机的数学模型，推导电压、磁链方程以及悬浮力、电磁推力和导向力的解析表达式；建立电机的三维有限元模型，分析电机的磁场分布及其电磁参数，对电机的悬浮力、电磁推力、导向力进行仿真，研究结果验证了电机结构的可行性，可以实现牵引、悬浮与导向的一体化。
在传统磁通切换直线电机的基础上，提出了一种可用于轨道交通的横向磁场磁通切换电励磁磁悬浮直线电机（TMFFSEEMSLM）。研究TMFFSEEMSLM的结构与运行原理，该电机的定子为U形磁极，动子为双H形并通过横梁连接，产生横向磁通进行导向，电枢绕组和励磁绕组均位于电机短初级上实现磁通切换，次级仅由导磁铁心构成，电励磁实现气隙磁场调节，极大地降低了远距离轨道交通的制造成本，磁悬浮使电机的初级和次级实现无摩擦运动；建立该磁悬浮直线电机的数学模型，推导电压、磁链方程以及悬浮力、电磁推力和导向力的解析表达式；建立电机的三维有限元模型，分析电机的磁场分布及其电磁参数，对电机的悬浮力、电磁推力、导向力进行仿真，研究结果验证了电机结构的可行性，可以实现牵引、悬浮与导向的一体化。
2022, 49(9):44-49.
DOI: 10.12177/emca.2022.047
摘要:
以高精度直线电机为研究对象，提出一种直线电机推力波动补偿的方法。通过解析法分析，归纳了直线电机磁阻力的一般规律，合理设置补偿器参数，进而为抑制直线电机的推力波动提供了理论依据。最后以一台6槽8极电机为例，进行了有限元分析与试验验证，结果均表明补偿器对磁阻力补偿效果达到60%以上。
以高精度直线电机为研究对象，提出一种直线电机推力波动补偿的方法。通过解析法分析，归纳了直线电机磁阻力的一般规律，合理设置补偿器参数，进而为抑制直线电机的推力波动提供了理论依据。最后以一台6槽8极电机为例，进行了有限元分析与试验验证，结果均表明补偿器对磁阻力补偿效果达到60%以上。
2022, 49(9):50-56.
DOI: 10.12177/emca.2022.092
摘要:
以中低速磁浮列车悬浮控制器主电路为研究对象，建立了充电回路和斩波器电路的数学模型。利用dSPACE实时仿真软件和硬件平台建立了悬浮控制器主电路仿真模型，并对充电回路和斩波器电路以及电流跟随情况进行了仿真验证和对比分析。仿真和测试结果表明，建立的悬浮控制器主电路仿真模型较为准确，为后续用仿真模型替代真实的悬浮控制器主电路提供了理论依据，为悬浮控制策略的开发与调试奠定了基础。
以中低速磁浮列车悬浮控制器主电路为研究对象，建立了充电回路和斩波器电路的数学模型。利用dSPACE实时仿真软件和硬件平台建立了悬浮控制器主电路仿真模型，并对充电回路和斩波器电路以及电流跟随情况进行了仿真验证和对比分析。仿真和测试结果表明，建立的悬浮控制器主电路仿真模型较为准确，为后续用仿真模型替代真实的悬浮控制器主电路提供了理论依据，为悬浮控制策略的开发与调试奠定了基础。
2022, 49(9):57-65.
DOI: 10.12177/emca.2022.099
摘要:
变压器声纹信号包含大量反映内部机械状态的有效信息。为实现变压器内部机械状态不停电检测，提出一种基于特征筛选和改进深度森林的变压器机械状态声纹识别方法。首先，利用自适应噪声完备集合经验模态分解(CEEMDAN)声纹信号得到本征模态函数(IMF)，并通过频谱分析和皮尔逊相关系数对IMF分量进行筛选，得到包含故障信息的IMF分量。其次，利用各IMF分量在频段上的分布情况进行高、低频段划分，依据高、低频段IMF分量的差异性，将高频段IMF分量的时频能量和低频段IMF分量的幅值特性作为特征指标，构成特征向量，输入改进后的深度森林模型，得到10种机械松动状态的声纹识别结果。最后，通过现场试验验证了该方法的有效性。研究结果表明：所提方法对10种机械松动状态的平均识别准确率达99.2%。与传统变压器声纹特征相比，所提声纹特征区分度更高；与传统识别模型相比，所提改进深度森林识别模型复杂度更低，训练速度更快，识别准确率更高。
变压器声纹信号包含大量反映内部机械状态的有效信息。为实现变压器内部机械状态不停电检测，提出一种基于特征筛选和改进深度森林的变压器机械状态声纹识别方法。首先，利用自适应噪声完备集合经验模态分解(CEEMDAN)声纹信号得到本征模态函数(IMF)，并通过频谱分析和皮尔逊相关系数对IMF分量进行筛选，得到包含故障信息的IMF分量。其次，利用各IMF分量在频段上的分布情况进行高、低频段划分，依据高、低频段IMF分量的差异性，将高频段IMF分量的时频能量和低频段IMF分量的幅值特性作为特征指标，构成特征向量，输入改进后的深度森林模型，得到10种机械松动状态的声纹识别结果。最后，通过现场试验验证了该方法的有效性。研究结果表明：所提方法对10种机械松动状态的平均识别准确率达99.2%。与传统变压器声纹特征相比，所提声纹特征区分度更高；与传统识别模型相比，所提改进深度森林识别模型复杂度更低，训练速度更快，识别准确率更高。
2022, 49(9):66-74.
DOI: 10.12177/emca.2022.085
摘要:
在初期匝间短路故障检测中，故障特征频率的幅值很小，且易受到噪声信号的干扰，导致无法检测出故障信号。针对以上问题，提出了一种基于变分模态分解（VMD）与双对数频谱分析的永磁同步电机（PMSM）初期匝间短路故障检测方法。该方法利用VMD去除零序电压分量（ZSVC）中的噪声和相关谐波分量以突出故障特征分量。然后利用双对数频谱分析法对得到的信号进行频谱分析，通过检测频谱图中是否含有故障特征频率来判断电机匝间短路故障。通过仿真和实物试验验证了该故障检测方法的有效性。
在初期匝间短路故障检测中，故障特征频率的幅值很小，且易受到噪声信号的干扰，导致无法检测出故障信号。针对以上问题，提出了一种基于变分模态分解（VMD）与双对数频谱分析的永磁同步电机（PMSM）初期匝间短路故障检测方法。该方法利用VMD去除零序电压分量（ZSVC）中的噪声和相关谐波分量以突出故障特征分量。然后利用双对数频谱分析法对得到的信号进行频谱分析，通过检测频谱图中是否含有故障特征频率来判断电机匝间短路故障。通过仿真和实物试验验证了该故障检测方法的有效性。
2022, 49(9):75-80.
DOI: 10.12177/emca.2022.084
摘要:
为实现变压器铁心松动故障的识别，提出基于变压器声纹的ResNet卷积神经网络（CNN）用作铁心松动故障的识别，分别比较了相同卷积神经网络ResNet在交叉熵损失函数（SE-ResNet-Dense）和特征表达的角度空间中最大化分类界限的加性角度裕度损失函数(SE-ResNet-ArcLoss)不同表现效果。通过变压器空载试验采集变压器铁心在额定预紧力、松动20%、松动40%时的噪声信号，通过离散傅里叶变换将采集的声纹信号生成时频矩阵，并使用Mel滤波器对时频矩阵降维生成尺寸大大缩小的Mel-语谱图。将采集的噪声信号制作成数据集后输入到两种模型中训练，最终测试集在模型SE-ResNet-Dense上的预测结果为90.753%，在模型SE-ResNet-ArcLoss上的预测结果为97.541%。结果验证SE-ResNet-ArcLoss最适用于变压器铁心松动故障识别。
为实现变压器铁心松动故障的识别，提出基于变压器声纹的ResNet卷积神经网络（CNN）用作铁心松动故障的识别，分别比较了相同卷积神经网络ResNet在交叉熵损失函数（SE-ResNet-Dense）和特征表达的角度空间中最大化分类界限的加性角度裕度损失函数(SE-ResNet-ArcLoss)不同表现效果。通过变压器空载试验采集变压器铁心在额定预紧力、松动20%、松动40%时的噪声信号，通过离散傅里叶变换将采集的声纹信号生成时频矩阵，并使用Mel滤波器对时频矩阵降维生成尺寸大大缩小的Mel-语谱图。将采集的噪声信号制作成数据集后输入到两种模型中训练，最终测试集在模型SE-ResNet-Dense上的预测结果为90.753%，在模型SE-ResNet-ArcLoss上的预测结果为97.541%。结果验证SE-ResNet-ArcLoss最适用于变压器铁心松动故障识别。
2022, 49(9):81-87.
DOI: 10.12177/emca.2022.096
摘要:
针对分布式光伏电源接入配电网使得传统配电网继电保护存在可靠性、灵敏性降低的问题，提出了一种考虑母线多分支情况下应用偏度系数来衡量暂态零序电流极性的分布式故障定位方法。分析了分布式电源接入的配电网发生单相接地故障时零序电流的分布特征，发现故障时刻故障区段两端暂态零序电流极性相同，非故障区段两端暂态零序电流极性相反，引入偏度系数来衡量暂态零序电流的极性，实现分布式故障定位。仿真结果表明，该方法能够适用于含分布式光伏电源配电网的故障定位，且在不同的故障条件下具有较强的适用性。
针对分布式光伏电源接入配电网使得传统配电网继电保护存在可靠性、灵敏性降低的问题，提出了一种考虑母线多分支情况下应用偏度系数来衡量暂态零序电流极性的分布式故障定位方法。分析了分布式电源接入的配电网发生单相接地故障时零序电流的分布特征，发现故障时刻故障区段两端暂态零序电流极性相同，非故障区段两端暂态零序电流极性相反，引入偏度系数来衡量暂态零序电流的极性，实现分布式故障定位。仿真结果表明，该方法能够适用于含分布式光伏电源配电网的故障定位，且在不同的故障条件下具有较强的适用性。
《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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