2023年第50卷第4期文章目次
2023, 50(4):1-7，15.
DOI: 10.12177/emca.2023.031
摘要:
对于可控励磁磁悬浮直线同步电机(CEMLLSM)，常规迭代学习控制(ILC)精度低、抖振大，且抗外部扰动能力差。为提高跟踪精度，设计了一种基于扩张状态观测器(ESO)的变增益自适应ILC算法。首先，研究CEMLLSM的工作原理及数学模型。其次，设计基于ESO的变增益自适应迭代学习控制器，为控制器中固定增益部分引入指数可变增益，增加自适应迭代项对控制律中的未知参数进行迭代学习，从而减小系统抖振与误差并加快系统收敛速度。通过引入ESO观测系统的外部干扰，对控制量进行补偿，进而提高系统的抗扰动能力。最后，用MATLAB对控制系统进行仿真分析，仿真结果表明该算法能够有效减小跟踪误差，并对扰动有良好的抑制作用。
对于可控励磁磁悬浮直线同步电机(CEMLLSM)，常规迭代学习控制(ILC)精度低、抖振大，且抗外部扰动能力差。为提高跟踪精度，设计了一种基于扩张状态观测器(ESO)的变增益自适应ILC算法。首先，研究CEMLLSM的工作原理及数学模型。其次，设计基于ESO的变增益自适应迭代学习控制器，为控制器中固定增益部分引入指数可变增益，增加自适应迭代项对控制律中的未知参数进行迭代学习，从而减小系统抖振与误差并加快系统收敛速度。通过引入ESO观测系统的外部干扰，对控制量进行补偿，进而提高系统的抗扰动能力。最后，用MATLAB对控制系统进行仿真分析，仿真结果表明该算法能够有效减小跟踪误差，并对扰动有良好的抑制作用。
2023, 50(4):8-15.
DOI: 10.12177/emca.2023.013
摘要:
永磁电机效率和功率密度高、力矩和惯量比大，是工业伺服领域的主流电机。伺服控制技术是充分发挥永磁电机优势、提升伺服系统运行性能的关键。目前，永磁伺服系统多采用多环级联的比例积分（PI）控制器，但由于积分器的滞后效应，PI动态响应速度较慢，抗干扰能力较差，难以满足机械臂、精密加工等高性能伺服控制的动、静态性能要求。因此，提出一种广义模型预测控制与有限集模型预测控制相结合的复合模型预测控制策略。此外，还提出一种广义模型预测控制的低运算量实现方法及一种机械参数估计方法。试验结果表明，所提复合模型预测控制可提高永磁伺服电机的动态响应速度和抗负载扰动能力。
永磁电机效率和功率密度高、力矩和惯量比大，是工业伺服领域的主流电机。伺服控制技术是充分发挥永磁电机优势、提升伺服系统运行性能的关键。目前，永磁伺服系统多采用多环级联的比例积分（PI）控制器，但由于积分器的滞后效应，PI动态响应速度较慢，抗干扰能力较差，难以满足机械臂、精密加工等高性能伺服控制的动、静态性能要求。因此，提出一种广义模型预测控制与有限集模型预测控制相结合的复合模型预测控制策略。此外，还提出一种广义模型预测控制的低运算量实现方法及一种机械参数估计方法。试验结果表明，所提复合模型预测控制可提高永磁伺服电机的动态响应速度和抗负载扰动能力。
2023, 50(4):16-25.
DOI: 10.12177/emca.2023.025
摘要:
针对永磁同步电机（PMSM）模型预测转矩控制（MPTC）权重系数设计和调节的问题，将权重系数连接的多目标成本函数并联形式转换为单目标成本函数的级联形式，从而消除权重系数。建立基于级联法的表面式PMSM MPTC，研究级联顺序及输出电压矢量个数对系统控制性能和计算量的影响。提出简化排序比较计算量的方法和采用模糊控制器动态调节输出电压矢量个数的优化策略。仿真结果表明：基于级联法的表面式PMSM MPTC可行，无需权重系数设计和调节。当第一级输出6个电压矢量时，采用简化算法的第一级排序比较次数和运行耗时分别减小71.43%和71.67%，整体运行耗时减少2.28%。与传统级联法相比，模糊动态级联MPTC可动态调节不同控制目标的重要性，减小转矩和磁链脉动，抑制动态磁链脉动，优化控制性能。
针对永磁同步电机（PMSM）模型预测转矩控制（MPTC）权重系数设计和调节的问题，将权重系数连接的多目标成本函数并联形式转换为单目标成本函数的级联形式，从而消除权重系数。建立基于级联法的表面式PMSM MPTC，研究级联顺序及输出电压矢量个数对系统控制性能和计算量的影响。提出简化排序比较计算量的方法和采用模糊控制器动态调节输出电压矢量个数的优化策略。仿真结果表明：基于级联法的表面式PMSM MPTC可行，无需权重系数设计和调节。当第一级输出6个电压矢量时，采用简化算法的第一级排序比较次数和运行耗时分别减小71.43%和71.67%，整体运行耗时减少2.28%。与传统级联法相比，模糊动态级联MPTC可动态调节不同控制目标的重要性，减小转矩和磁链脉动，抑制动态磁链脉动，优化控制性能。
2023, 50(4):26-31,38.
DOI: 10.12177/emca.2023.014
摘要:
为了优化永磁同步电机(PMSM)伺服系统控制性能，提出了基于负载观测器和积分终端滑模控制器的复合控制策略。首先，建立了考虑负载扰动的PMSM模型。然后，基于滑模面和趋近律设计了积分终端滑模控制器；为了抑制负载扰动，引入负载转矩观测器，并通过李雅普诺夫定理证明了系统具有稳定性并可在有限时间内收敛。最后，仿真结果表明该控制策略的位置跟踪精度更高，响应速度更快，抗负载能力更强。
为了优化永磁同步电机(PMSM)伺服系统控制性能，提出了基于负载观测器和积分终端滑模控制器的复合控制策略。首先，建立了考虑负载扰动的PMSM模型。然后，基于滑模面和趋近律设计了积分终端滑模控制器；为了抑制负载扰动，引入负载转矩观测器，并通过李雅普诺夫定理证明了系统具有稳定性并可在有限时间内收敛。最后，仿真结果表明该控制策略的位置跟踪精度更高，响应速度更快，抗负载能力更强。
2023, 50(4):32-38.
DOI: 10.12177/emca.2023.033
摘要:
短初级单边型直线感应电机（SSLIM）的格栅型次级结构存在电磁推力小、法向吸力大等问题。为解决这类问题，提出一种倒梯形次级结构，将现有格栅导条矩形结构变为上表面积大而下表面积小的倒梯形结构，利用SSLIM大转差特性及由此产生的集肤效应，提高了次级感应板有效载流体积及气隙磁密。在初级结构不变的条件下，建立了倒梯形次级结构的SSLIM有限元模型，并与传统格栅型结构在稳态、起动、制动等3种运行状态下进行对比分析，验证了倒梯形结构具有电磁推力大、法向吸力小等优点。
短初级单边型直线感应电机（SSLIM）的格栅型次级结构存在电磁推力小、法向吸力大等问题。为解决这类问题，提出一种倒梯形次级结构，将现有格栅导条矩形结构变为上表面积大而下表面积小的倒梯形结构，利用SSLIM大转差特性及由此产生的集肤效应，提高了次级感应板有效载流体积及气隙磁密。在初级结构不变的条件下，建立了倒梯形次级结构的SSLIM有限元模型，并与传统格栅型结构在稳态、起动、制动等3种运行状态下进行对比分析，验证了倒梯形结构具有电磁推力大、法向吸力小等优点。
2023, 50(4):39-42，48.
DOI: 10.12177/emca.2023.017
摘要:
相比于一般电机，大型潜水感应电机目前存在电磁噪声过大的问题。采用径向斜槽结构可以削弱大型潜水电机的电磁噪声，但仍存在部分不足。基于径向斜槽结构，通过调整径向斜槽扭斜距离进一步削弱电磁噪声，并提高电机其他性能。利用多物理场耦合有限元仿真分析对比各方案的电磁噪声，验证了上述方法的正确性。
相比于一般电机，大型潜水感应电机目前存在电磁噪声过大的问题。采用径向斜槽结构可以削弱大型潜水电机的电磁噪声，但仍存在部分不足。基于径向斜槽结构，通过调整径向斜槽扭斜距离进一步削弱电磁噪声，并提高电机其他性能。利用多物理场耦合有限元仿真分析对比各方案的电磁噪声，验证了上述方法的正确性。
2023, 50(4):43-48.
DOI: 10.12177/emca.2023.023
摘要:
为了尽可能地降低全封闭风扇冷却（TEFC）电机各部件的温升，避免过高温升对绝缘结构的破坏，采用数值计算方法研究了整流罩结构对TEFC电机机座表面对流传热特性的影响。首先，对一台样机进行温升试验，绕组温升的仿真值与试验值的误差为6.2%，验证了数值计算方法的可行性。其次，在数值计算时将样机三维模型做必要的简化，着重研究了整流罩外径、整流罩端面与翅片端面的间距以及电机转速对机座表面横向平均努塞尔数的影响。最后，结果表明机座表面翅片结构一定时，存在一个最佳的整流罩外径值使机座表面的对流传热效果最佳；整流罩端面与翅片端面接触时，机座表面的横向平均努塞尔数最大，同时机座表面的对流传热能力随着风扇转速的增大而增大。
为了尽可能地降低全封闭风扇冷却（TEFC）电机各部件的温升，避免过高温升对绝缘结构的破坏，采用数值计算方法研究了整流罩结构对TEFC电机机座表面对流传热特性的影响。首先，对一台样机进行温升试验，绕组温升的仿真值与试验值的误差为6.2%，验证了数值计算方法的可行性。其次，在数值计算时将样机三维模型做必要的简化，着重研究了整流罩外径、整流罩端面与翅片端面的间距以及电机转速对机座表面横向平均努塞尔数的影响。最后，结果表明机座表面翅片结构一定时，存在一个最佳的整流罩外径值使机座表面的对流传热效果最佳；整流罩端面与翅片端面接触时，机座表面的横向平均努塞尔数最大，同时机座表面的对流传热能力随着风扇转速的增大而增大。
2023, 50(4):49-57.
DOI: 10.12177/emca.2023.035
摘要:
对于含有大规模新能源接入的联网型高耗能工业电网，新能源功率波动势必造成联络线功率波动以及额外备用容量费用，不利于工业电网经济运行。为深入挖掘源荷两侧调频资源，基于IEEE标准两区域模型，提出一种考虑风铝联合的源荷协同频率控制策略。首先，基于自饱和电抗器建立电解铝负荷有功功率消耗与直流电压的耦合关系模型。其次，基于电解铝负荷特性提出一种电解铝参与的电网辅助调频策略。同时考虑风机惯性控制的快速频率响应能力，将电解铝负荷与风电机组调频手段结合，联合参与系统频率调节。最后，仿真验证了所提控制策略能有效抑制孤立电网的频率波动，使电力系统具有更强的抗干扰性和更快的动态响应。
对于含有大规模新能源接入的联网型高耗能工业电网，新能源功率波动势必造成联络线功率波动以及额外备用容量费用，不利于工业电网经济运行。为深入挖掘源荷两侧调频资源，基于IEEE标准两区域模型，提出一种考虑风铝联合的源荷协同频率控制策略。首先，基于自饱和电抗器建立电解铝负荷有功功率消耗与直流电压的耦合关系模型。其次，基于电解铝负荷特性提出一种电解铝参与的电网辅助调频策略。同时考虑风机惯性控制的快速频率响应能力，将电解铝负荷与风电机组调频手段结合，联合参与系统频率调节。最后，仿真验证了所提控制策略能有效抑制孤立电网的频率波动，使电力系统具有更强的抗干扰性和更快的动态响应。
2023, 50(4):58-68,76.
DOI: 10.12177/emca.2023.019
摘要:
随着风电渗透率的不断上升，大规模风电参与调频成为风电发展的重中之重，功率分配方法也需更加智能化和简便化。因此，利用目标函数优化法对风场层功率分配进行优化。首先，对整个风电场进行调频功率函数的建模，使整个风电场的实时功率变化值追踪整个风电场待分配功率，将上述两者偏差值最小作为目标函数。其次，通过超短期预测方法得到一定周期内每台风机风速和有功出力的上下限，结合桨距角的变化限度作为约束条件。最后，求解得到各台风机优化后的功率偏差值，将其叠加到各台风机出力的基础值上进行调频。通过与其他功率分配方法对比，验证了目标函数优化法的优越性，其可以提高风电场调频的快速性和可靠性。
随着风电渗透率的不断上升，大规模风电参与调频成为风电发展的重中之重，功率分配方法也需更加智能化和简便化。因此，利用目标函数优化法对风场层功率分配进行优化。首先，对整个风电场进行调频功率函数的建模，使整个风电场的实时功率变化值追踪整个风电场待分配功率，将上述两者偏差值最小作为目标函数。其次，通过超短期预测方法得到一定周期内每台风机风速和有功出力的上下限，结合桨距角的变化限度作为约束条件。最后，求解得到各台风机优化后的功率偏差值，将其叠加到各台风机出力的基础值上进行调频。通过与其他功率分配方法对比，验证了目标函数优化法的优越性，其可以提高风电场调频的快速性和可靠性。
2023, 50(4):69-76.
DOI: 10.12177/emca.2023.027
摘要:
针对逆变器死区带来的控制精度下降、谐波含量增加等问题，提出一种基于定频滞环控制的死区补偿策略。介绍一种对相间电流误差进行控制的定频滞环控制方法，并利用扩张状态观测器对其中的扇区判断方法进行改进。通过开关动作前后的电流路径，分析出死区期间误差会超出滞环宽度上限或下限。实时计算误差超出环宽的幅度，调整实际环宽，使误差恰好符合预期环宽，达到死区补偿的目的。对基于定频滞环控制的逆变器进行仿真，证明了所提策略可以对死区进行精确补偿。
针对逆变器死区带来的控制精度下降、谐波含量增加等问题，提出一种基于定频滞环控制的死区补偿策略。介绍一种对相间电流误差进行控制的定频滞环控制方法，并利用扩张状态观测器对其中的扇区判断方法进行改进。通过开关动作前后的电流路径，分析出死区期间误差会超出滞环宽度上限或下限。实时计算误差超出环宽的幅度，调整实际环宽，使误差恰好符合预期环宽，达到死区补偿的目的。对基于定频滞环控制的逆变器进行仿真，证明了所提策略可以对死区进行精确补偿。
2023, 50(4):77-84，90.
DOI: 10.12177/emca.2023.018
摘要:
包含抽蓄发电机在内的大型水轮发电机转子为具有多匝长绕组的显极式转子，传统的基于交流阻抗测量的绕组匝间短路故障诊断方法存在灵敏性和便捷性等方面的不足。基于多导体传输线理论建立了显极式转子绕组的端口频域特性模型，通过仿真分析提出了故障判别和定位方法。最后通过真机转子的故障模拟和测试对诊断方法的有效性进行了验证。仿真和试验结果表明，所提方法能够在无需断开磁极间电气连接的测量条件下实现绕组匝间短路故障的诊断和定位。
包含抽蓄发电机在内的大型水轮发电机转子为具有多匝长绕组的显极式转子，传统的基于交流阻抗测量的绕组匝间短路故障诊断方法存在灵敏性和便捷性等方面的不足。基于多导体传输线理论建立了显极式转子绕组的端口频域特性模型，通过仿真分析提出了故障判别和定位方法。最后通过真机转子的故障模拟和测试对诊断方法的有效性进行了验证。仿真和试验结果表明，所提方法能够在无需断开磁极间电气连接的测量条件下实现绕组匝间短路故障的诊断和定位。
2023, 50(4):85-90.
DOI: 10.12177/emca.2023.026
摘要:
整流电路是航空发电机的重要组成部分，存在故障频发且维修困难等问题。为对电励磁双凸极发电机(DSEG)的整流电路进行故障诊断，研究了一种基于长短时记忆(LSTM)网络的故障诊断方法。首先，采集多种故障模式下发电机的三相电枢电流信号。其次，利用不同的信号处理方法处理故障信号以获取故障特征信息。然后，将获得的故障特征数据分为训练和测试样本输入LSTM网络进行故障分类。最后,计算并分析诊断结果。仿真与试验结果表明所提方法具有良好的故障诊断效果。
整流电路是航空发电机的重要组成部分，存在故障频发且维修困难等问题。为对电励磁双凸极发电机(DSEG)的整流电路进行故障诊断，研究了一种基于长短时记忆(LSTM)网络的故障诊断方法。首先，采集多种故障模式下发电机的三相电枢电流信号。其次，利用不同的信号处理方法处理故障信号以获取故障特征信息。然后，将获得的故障特征数据分为训练和测试样本输入LSTM网络进行故障分类。最后,计算并分析诊断结果。仿真与试验结果表明所提方法具有良好的故障诊断效果。
《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
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