2023年第50卷第3期文章目次
2023, 50(3):1-7.
DOI: 10.12177/emca.2023.010
摘要:
在无刷直流电机(BLDCM)无传感器控制系统中，针对传统滑模观测器存在抖振等问题，提出了一种新的非奇异终端滑模观测器(NTSMO)方法估计电机线反电动势，所采用的非奇异终端滑模面能够实现有限时间快速收敛，并通过引入一种新的滑模趋近律削弱了抖振，提高了电机反电动势的估计精度，实现了电机转速的快速观测和控制，最后基于Lyapunov函数证明了观测器的稳定性。仿真结果表明：与传统方法相比，所设计的NTSMO能较好地抑制系统抖振，具有较好的转速估计精度。
在无刷直流电机(BLDCM)无传感器控制系统中，针对传统滑模观测器存在抖振等问题，提出了一种新的非奇异终端滑模观测器(NTSMO)方法估计电机线反电动势，所采用的非奇异终端滑模面能够实现有限时间快速收敛，并通过引入一种新的滑模趋近律削弱了抖振，提高了电机反电动势的估计精度，实现了电机转速的快速观测和控制，最后基于Lyapunov函数证明了观测器的稳定性。仿真结果表明：与传统方法相比，所设计的NTSMO能较好地抑制系统抖振，具有较好的转速估计精度。
2023, 50(3):8-13.
DOI: 10.12177/emca.2023.001
摘要:
提出一种非线性神经网络自适应反步控制方法来提高电励磁直线同步电动机（EELSM）磁悬浮控制系统的性能。研究EELSM的结构及其运行机理；建立EELSM磁悬浮系统的状态方程与数学模型；为克服EELSM磁悬浮平台运行过程中存在的不确定性扰动，设计了非线性神经网络自适应反步控制器对扰动进行估计，通过构造Lyapunov函数证明系统的稳定性。用MATLAB软件对控制系统进行计算机仿真，仿真结果验证所提方法的有效性。
提出一种非线性神经网络自适应反步控制方法来提高电励磁直线同步电动机（EELSM）磁悬浮控制系统的性能。研究EELSM的结构及其运行机理；建立EELSM磁悬浮系统的状态方程与数学模型；为克服EELSM磁悬浮平台运行过程中存在的不确定性扰动，设计了非线性神经网络自适应反步控制器对扰动进行估计，通过构造Lyapunov函数证明系统的稳定性。用MATLAB软件对控制系统进行计算机仿真，仿真结果验证所提方法的有效性。
2023, 50(3):14-21.
DOI: 10.12177/emca.2022.177
摘要:
提出了一种基于非线性观测器的命令滤波自适应反步控制（OCFABC）方法，以解决具有 LuGre 摩擦模型的双轴伺服系统中的位置跟踪和速度同步问题。观测器用于系统摩擦补偿。命令滤波器作用于虚拟控制信号，解决反步法中的计算爆炸问题，建立误差补偿方程，提高跟踪精度。此外，还设计了速度同步信号，以达到更好的系统同步效果。利用Lyapunov理论分析了闭环系统的稳定性。最后,通过仿真和试验结果证明了所设计方法的有效性和优越性。
提出了一种基于非线性观测器的命令滤波自适应反步控制（OCFABC）方法，以解决具有 LuGre 摩擦模型的双轴伺服系统中的位置跟踪和速度同步问题。观测器用于系统摩擦补偿。命令滤波器作用于虚拟控制信号，解决反步法中的计算爆炸问题，建立误差补偿方程，提高跟踪精度。此外，还设计了速度同步信号，以达到更好的系统同步效果。利用Lyapunov理论分析了闭环系统的稳定性。最后,通过仿真和试验结果证明了所设计方法的有效性和优越性。
2023, 50(3):22-28.
DOI: 10.12177/emca.2023.002
摘要:
针对稀土永磁同步电机(PMSM)对稀土永磁材料依赖性大的问题，提出一种少稀土组合磁极Halbach PMSM，永磁体采用Halbach充磁方式。阐述了该电机新型转子的磁钢结构，其中主磁极由双层永磁体组成，上层磁钢为钕铁硼永磁材料，下层磁钢为铁氧体永磁材料，辅磁极磁钢也为铁氧体永磁材料。以电磁转矩、转矩脉动和齿槽转矩为优化标准，对电机每极永磁体块数、充磁角度、永磁体材料和永磁体厚度等电机参数进行优化。采用定子斜槽结构降低齿槽转矩。优化后的少稀土组合磁极PMSM在保证转矩性能的情况下，减少了永磁体用量，降低了电机成本。最后通过有限元法分析该电机在空载和额定负载下的特性，验证了该电机设计的合理性。
针对稀土永磁同步电机(PMSM)对稀土永磁材料依赖性大的问题，提出一种少稀土组合磁极Halbach PMSM，永磁体采用Halbach充磁方式。阐述了该电机新型转子的磁钢结构，其中主磁极由双层永磁体组成，上层磁钢为钕铁硼永磁材料，下层磁钢为铁氧体永磁材料，辅磁极磁钢也为铁氧体永磁材料。以电磁转矩、转矩脉动和齿槽转矩为优化标准，对电机每极永磁体块数、充磁角度、永磁体材料和永磁体厚度等电机参数进行优化。采用定子斜槽结构降低齿槽转矩。优化后的少稀土组合磁极PMSM在保证转矩性能的情况下，减少了永磁体用量，降低了电机成本。最后通过有限元法分析该电机在空载和额定负载下的特性，验证了该电机设计的合理性。
2023, 50(3):29-38.
DOI: 10.12177/emca.2023.003
摘要:
针对道路主动融冰除雪喷淋系统的电机线性比例-积分（PI）控制策略控制效率低、精确性差的问题，提出了一种基于二阶滑模自抗扰控制（ADRC）技术的转速电流双闭环控制策略。建立了喷淋系统三相永磁同步电机(PMSM)的不确定性数学模型，根据电机转速动态模型设计了扰动观测器估测负载转矩和系统的不确定性并证明了其收敛性。同时，结合超螺旋滑模控制算法，设计了复合转速控制器调节电机转速。结果表明：所提的二阶滑模ADRC策略表现出较短的响应时间，且电机恢复至额定转速的调节时间比PI控制策略缩短60%，转速超调仅为PI控制策略的48%，鲁棒性更好，能够实现电机在扰动情况下的全速域运行，可提高喷淋系统的控制精度和速度。
针对道路主动融冰除雪喷淋系统的电机线性比例-积分（PI）控制策略控制效率低、精确性差的问题，提出了一种基于二阶滑模自抗扰控制（ADRC）技术的转速电流双闭环控制策略。建立了喷淋系统三相永磁同步电机(PMSM)的不确定性数学模型，根据电机转速动态模型设计了扰动观测器估测负载转矩和系统的不确定性并证明了其收敛性。同时，结合超螺旋滑模控制算法，设计了复合转速控制器调节电机转速。结果表明：所提的二阶滑模ADRC策略表现出较短的响应时间，且电机恢复至额定转速的调节时间比PI控制策略缩短60%，转速超调仅为PI控制策略的48%，鲁棒性更好，能够实现电机在扰动情况下的全速域运行，可提高喷淋系统的控制精度和速度。
2023, 50(3):39-46,64.
DOI: 10.12177/emca.2022.179
摘要:
为了提高在永磁同步电机（PMSM）转速环控制中的滑模控制(SMC)的全局收敛性，提出了一种复合SMC策略，综合了线性滑模面和非奇异终端滑模面的特点，组成新的滑模面，提高了SMC在不同运动阶段的收敛性。在此基础上对传统的幂次趋近律做出改进，改善了SMC在稳态时刻的收敛速度降低的问题。同时，使用基于SMC规律的干扰观测器来观测系统中的未建模动态和未知干扰，对设计的SMC进行补偿，降低SMC对于控制器高增益的依赖性，从而有效改善控制器在稳态时刻因滑模高增益而产生的抖振，提高SMC的控制性能。最后，通过仿真和试验证明控制方法的有效性和可行性。
为了提高在永磁同步电机（PMSM）转速环控制中的滑模控制(SMC)的全局收敛性，提出了一种复合SMC策略，综合了线性滑模面和非奇异终端滑模面的特点，组成新的滑模面，提高了SMC在不同运动阶段的收敛性。在此基础上对传统的幂次趋近律做出改进，改善了SMC在稳态时刻的收敛速度降低的问题。同时，使用基于SMC规律的干扰观测器来观测系统中的未建模动态和未知干扰，对设计的SMC进行补偿，降低SMC对于控制器高增益的依赖性，从而有效改善控制器在稳态时刻因滑模高增益而产生的抖振，提高SMC的控制性能。最后，通过仿真和试验证明控制方法的有效性和可行性。
2023, 50(3):47-55.
DOI: 10.12177/emca.2023.009
摘要:
开绕组无刷直流电机(BLDCM)的每相绕组连接一个H桥逆变器，其相电压和相电流可以单独控制，具有一定容错能力。介绍开绕组BLDCM的数学方程，建立了MATLAB仿真模型。分析开绕组BLDCM在功率器件故障下的运行特性，讨论补偿和重构两种容错控制方法的特点。最后，加工开绕组BLDCM和对应的控制器，并搭建试验平台，验证了开绕组BLDCM正常运行和补偿容错运行下的运行特性。
开绕组无刷直流电机(BLDCM)的每相绕组连接一个H桥逆变器，其相电压和相电流可以单独控制，具有一定容错能力。介绍开绕组BLDCM的数学方程，建立了MATLAB仿真模型。分析开绕组BLDCM在功率器件故障下的运行特性，讨论补偿和重构两种容错控制方法的特点。最后，加工开绕组BLDCM和对应的控制器，并搭建试验平台，验证了开绕组BLDCM正常运行和补偿容错运行下的运行特性。
2023, 50(3):56-64.
DOI: 10.12177/emca.2022.180
摘要:
球(扁)形药是狙击枪弹的重要动力能源，其弧厚一致性直接关系到枪弹的弹道性能。目前球(扁)形药的挤压成型工艺主要应用于橡胶行业的开炼机，虽能实现功能性挤压，但存在挤压精度低、成型一致性差等问题。针对上述问题，开发了一套基于粒子群优化 终端滑模（PSO-TSM）的挤压机辊距智能调节系统，该系统采用粒子群优化（PSO）算法对终端滑模（TSM）控制器中多参数进行迭代优化，达到精确调节辊距、提高弧厚一致性的目的。通过挤压试验验证，与开炼机相比，球(扁)形药药粒弧厚误差控制在±0.02 mm，挤压合格率达到95%以上。
球(扁)形药是狙击枪弹的重要动力能源，其弧厚一致性直接关系到枪弹的弹道性能。目前球(扁)形药的挤压成型工艺主要应用于橡胶行业的开炼机，虽能实现功能性挤压，但存在挤压精度低、成型一致性差等问题。针对上述问题，开发了一套基于粒子群优化 终端滑模（PSO-TSM）的挤压机辊距智能调节系统，该系统采用粒子群优化（PSO）算法对终端滑模（TSM）控制器中多参数进行迭代优化，达到精确调节辊距、提高弧厚一致性的目的。通过挤压试验验证，与开炼机相比，球(扁)形药药粒弧厚误差控制在±0.02 mm，挤压合格率达到95%以上。
2023, 50(3):65-71.
DOI: 10.12177/emca.2023.005
摘要:
针对大惯性脉冲发电机励磁控制问题，提出了鲸鱼优化的自适应PID控制方法。根据脉冲发电机的工作特点和励磁控制的基本要求，从考虑反映发电机参数随转速变化的二阶有名值模型出发，建立了脉冲发电机简化的单输入单输出线性励磁控制系统。对该系统采用基于经典控制理论的PID控制方法，为提高系统的响应时间和控制精度，设计了参数随误差自动调节的参数自适应PID控制。对于参数调整系数的整定，构建了以时间权重误差积分为优化目标，参数调整系数为优化变量的优化问题，并使用鲸鱼优化算法（WOA）进行求解。最后，对控制方法进行仿真，并与鲸鱼优化PID相比，空载起励阶跃响应的上升时间从 1.21 s 提高到了0.88 s，稳态误差两者相当；负载时，上升时间从2.01 s提高为1.60 s，稳态误差从4.04%降低为1.96%。仿真结果证实了所提方法的有效性。
针对大惯性脉冲发电机励磁控制问题，提出了鲸鱼优化的自适应PID控制方法。根据脉冲发电机的工作特点和励磁控制的基本要求，从考虑反映发电机参数随转速变化的二阶有名值模型出发，建立了脉冲发电机简化的单输入单输出线性励磁控制系统。对该系统采用基于经典控制理论的PID控制方法，为提高系统的响应时间和控制精度，设计了参数随误差自动调节的参数自适应PID控制。对于参数调整系数的整定，构建了以时间权重误差积分为优化目标，参数调整系数为优化变量的优化问题，并使用鲸鱼优化算法（WOA）进行求解。最后，对控制方法进行仿真，并与鲸鱼优化PID相比，空载起励阶跃响应的上升时间从 1.21 s 提高到了0.88 s，稳态误差两者相当；负载时，上升时间从2.01 s提高为1.60 s，稳态误差从4.04%降低为1.96%。仿真结果证实了所提方法的有效性。
2023, 50(3):72-80.
DOI: 10.12177/emca.2023.011
摘要:
水下航行器高速电机具有高速、大功率、多挡位可调等特点，为了减小水下航行器有限空间内的高速无刷直流电机(BLDCM)转矩脉动，分析了水下航行器高速电机对高开关频率的需求，对BLDCM转矩脉动进行了数学分析，得到BLDCM的转矩脉动与开关频率及占空比等的关系。利用SiC MOSFET开关频率高的特点来提高逆变器开关频率，从而降低高速电机转矩脉动，同时SiC MOSFET又有开关损耗小的优点，与使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)相比，SiC MOSFET在提高开关频率的同时可以减少开关损耗。最后通过仿真和试验验证了SiC MOSFET在较高开关频率时对高速BLDCM转矩脉动抑制的效果，为宽禁带半导体器件在水下航行器高速BLDCM的应用提供参考。
水下航行器高速电机具有高速、大功率、多挡位可调等特点，为了减小水下航行器有限空间内的高速无刷直流电机(BLDCM)转矩脉动，分析了水下航行器高速电机对高开关频率的需求，对BLDCM转矩脉动进行了数学分析，得到BLDCM的转矩脉动与开关频率及占空比等的关系。利用SiC MOSFET开关频率高的特点来提高逆变器开关频率，从而降低高速电机转矩脉动，同时SiC MOSFET又有开关损耗小的优点，与使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)相比，SiC MOSFET在提高开关频率的同时可以减少开关损耗。最后通过仿真和试验验证了SiC MOSFET在较高开关频率时对高速BLDCM转矩脉动抑制的效果，为宽禁带半导体器件在水下航行器高速BLDCM的应用提供参考。
2023, 50(3):81-87,94.
DOI: 10.12177/emca.2022.176
摘要:
为降低外转子永磁同步电机(ERPMSM) 作为皮带输送机驱动电机时的永磁体成本并提高电机性能，提出基于响应面法(RSM)和改进多目标粒子群优化(IMOPSO)算法的优化设计方法。在建立电机基本结构的基础上，将永磁体尺寸、气隙长度、槽口宽度等作为优化参数，将永磁体成本、输出转矩、转矩脉动等作为优化目标。通过参数灵敏度分析筛选出显著参数，基于RSM结合有限元仿真建立样本空间，并拟合出优化目标和优化参数的函数关系，通过IMOPSO寻优。最后对比优化前后的方案结果，所提多目标优化算法准确可靠且具有更好的收敛性和多样性，能够在降低永磁体成本的同时优化电机的性能。
为降低外转子永磁同步电机(ERPMSM) 作为皮带输送机驱动电机时的永磁体成本并提高电机性能，提出基于响应面法(RSM)和改进多目标粒子群优化(IMOPSO)算法的优化设计方法。在建立电机基本结构的基础上，将永磁体尺寸、气隙长度、槽口宽度等作为优化参数，将永磁体成本、输出转矩、转矩脉动等作为优化目标。通过参数灵敏度分析筛选出显著参数，基于RSM结合有限元仿真建立样本空间，并拟合出优化目标和优化参数的函数关系，通过IMOPSO寻优。最后对比优化前后的方案结果，所提多目标优化算法准确可靠且具有更好的收敛性和多样性，能够在降低永磁体成本的同时优化电机的性能。
2023, 50(3):88-94.
DOI: 10.12177/emca.2022.175
摘要:
接入的电能超出配电网接纳裕度时，为使充电接纳裕度最大化，风光出力波动最小化，提出混合交直流主动配电网接纳裕度双重不确定性优化模型。获取双重不确定因素，以电动汽车充电接纳裕度最大化、风光出力波动最小化为目标，以节点电压、风光出力以及接纳裕度等为约束，构建配电网优化模型，并通过混沌二进制粒子群算法求解优化模型，得到迭代后的最佳优化结果，实现配电网接纳裕度双重不确定性优化。经试验验证：通过该方法优化后，配电网的平均接纳容量从1 200 kW达到了2 000 kW左右，且始终保持在接纳裕度的优质区间内；接入不确定性电能类型后，节点的电压越限概率均最高在2.7%，各节点产生的弃能均保持在6 MW·h以下；各节点在峰时接入风、光机组时，风、光出力的最高波动值依然低于3.5 kW·h；当配电网处于恶劣环境下，日常接入不确定性电能时，配电网的有功网损处于0.25~0.40 MW之间。
接入的电能超出配电网接纳裕度时，为使充电接纳裕度最大化，风光出力波动最小化，提出混合交直流主动配电网接纳裕度双重不确定性优化模型。获取双重不确定因素，以电动汽车充电接纳裕度最大化、风光出力波动最小化为目标，以节点电压、风光出力以及接纳裕度等为约束，构建配电网优化模型，并通过混沌二进制粒子群算法求解优化模型，得到迭代后的最佳优化结果，实现配电网接纳裕度双重不确定性优化。经试验验证：通过该方法优化后，配电网的平均接纳容量从1 200 kW达到了2 000 kW左右，且始终保持在接纳裕度的优质区间内；接入不确定性电能类型后，节点的电压越限概率均最高在2.7%，各节点产生的弃能均保持在6 MW·h以下；各节点在峰时接入风、光机组时，风、光出力的最高波动值依然低于3.5 kW·h；当配电网处于恶劣环境下，日常接入不确定性电能时，配电网的有功网损处于0.25~0.40 MW之间。
2023, 50(3):95-99,107.
DOI: 10.12177/emca.2023.006
摘要:
使用安时积分法估算电池荷电状态(SOC)在工业上已有广泛应用，但对于风光互补发电系统来说，使用开路电压(OCV)校准安时积分法的累积误差不切实际，因为OCV法需要电池静置数小时。针对此问题，提出一种新的校准方法，该方法与OCV法类似，但校准条件只需要电池电流恒定或小范围波动维持4 min，更适用于校准风光储能系统中使用安时积分法存在的误差累积问题。使用4串6并的软包钴酸锂电池进行试验测试，在3.9、3.6、3.2 V三个不同电压平台中，所提出的策略与实际OCV误差均小于10 mV，换算成SOC均小于1%，证明了本文所提出策略的可行性。
使用安时积分法估算电池荷电状态(SOC)在工业上已有广泛应用，但对于风光互补发电系统来说，使用开路电压(OCV)校准安时积分法的累积误差不切实际，因为OCV法需要电池静置数小时。针对此问题，提出一种新的校准方法，该方法与OCV法类似，但校准条件只需要电池电流恒定或小范围波动维持4 min，更适用于校准风光储能系统中使用安时积分法存在的误差累积问题。使用4串6并的软包钴酸锂电池进行试验测试，在3.9、3.6、3.2 V三个不同电压平台中，所提出的策略与实际OCV误差均小于10 mV，换算成SOC均小于1%，证明了本文所提出策略的可行性。
2023, 50(3):100-107.
DOI: 10.12177/emca.2023.007
摘要:
针对家用高压清洗机风冷串激电机定子绕组温升过高的问题，以一台HC8840F单相风冷串激电机为研究对象，建立电机全域三维流固耦合传热模型。在此基础上，使用流固耦合传热计算方法模拟获得串激电机内部流场及温度场，并搭建试验平台，通过不同工况下样机定子绕组的温升试验验证串激电机三维流固耦合传热模型的合理性。在模型验证的基础上，分析了风冷系统流场和温度场的分布规律，为结构优化设计指导方向。此外，从降耗设计的角度出发，研究了风冷系统中后端离心风轮对电机内流场与温度场的影响。仿真结果表明，内部导风轮的设置改善了气流流动，能使定子绕组平均温升降低了3.3 ℃。
针对家用高压清洗机风冷串激电机定子绕组温升过高的问题，以一台HC8840F单相风冷串激电机为研究对象，建立电机全域三维流固耦合传热模型。在此基础上，使用流固耦合传热计算方法模拟获得串激电机内部流场及温度场，并搭建试验平台，通过不同工况下样机定子绕组的温升试验验证串激电机三维流固耦合传热模型的合理性。在模型验证的基础上，分析了风冷系统流场和温度场的分布规律，为结构优化设计指导方向。此外，从降耗设计的角度出发，研究了风冷系统中后端离心风轮对电机内流场与温度场的影响。仿真结果表明，内部导风轮的设置改善了气流流动，能使定子绕组平均温升降低了3.3 ℃。
《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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