2023年第50卷第5期文章目次
2023, 50(5):1-9.
DOI: 10.12177/emca.2023.041
摘要:
状态观测器、卡尔曼滤波器等传统观测器由于应用范围的局限性，自身结构的缺陷性，会使电机控制系统的设计变复杂，观测精度降低，观测范围受限等。深度学习具有非线性拟合能力和泛化能力好以及特征提取能力强等优点。以深度学习观测器为主线，阐述了其应用到电机控制系统中的优势，以四种典型网络为例介绍了深度学习的原理和结构，列举并重点分析了深度学习在电机控制中的应用，对未来深度学习在电机观测器控制中的发展方向进行了展望。
状态观测器、卡尔曼滤波器等传统观测器由于应用范围的局限性，自身结构的缺陷性，会使电机控制系统的设计变复杂，观测精度降低，观测范围受限等。深度学习具有非线性拟合能力和泛化能力好以及特征提取能力强等优点。以深度学习观测器为主线，阐述了其应用到电机控制系统中的优势，以四种典型网络为例介绍了深度学习的原理和结构，列举并重点分析了深度学习在电机控制中的应用，对未来深度学习在电机观测器控制中的发展方向进行了展望。
2023, 50(5):10-16.
DOI: 10.12177/emca.2023.042
摘要:
针对野外复杂环境下车式机器人常受动力学扰动影响，仅从运动学角度难以实现高性能机器人编队及轨迹跟踪控制的问题，提出一种数据驱动的动力学内环电机控制设计方法。将电机及减速机构看作整体，采用输入输出数据实时辨识动力学模型参数，对动力学内环进行特征建模，针对数据驱动的二阶离散动力学系统模型，设计离散滑模控制器并进行稳定性分析。在微软公司基于物理引擎的机器人仿真平台Microsoft Robotics Developer Studio 4 (MRDS4)进行仿真对比，并将仿真数据导入MATLAB进行分析，通过仿真验证所设计控制方法的整体有效性，在扰动力矩影响较大的野外复杂环境中仍能使机器人保持较快的动态响应速度，在编队中快速响应队形的切换跟踪。
针对野外复杂环境下车式机器人常受动力学扰动影响，仅从运动学角度难以实现高性能机器人编队及轨迹跟踪控制的问题，提出一种数据驱动的动力学内环电机控制设计方法。将电机及减速机构看作整体，采用输入输出数据实时辨识动力学模型参数，对动力学内环进行特征建模，针对数据驱动的二阶离散动力学系统模型，设计离散滑模控制器并进行稳定性分析。在微软公司基于物理引擎的机器人仿真平台Microsoft Robotics Developer Studio 4 (MRDS4)进行仿真对比，并将仿真数据导入MATLAB进行分析，通过仿真验证所设计控制方法的整体有效性，在扰动力矩影响较大的野外复杂环境中仍能使机器人保持较快的动态响应速度，在编队中快速响应队形的切换跟踪。
2023, 50(5):17-25.
DOI: 10.12177/emca.2023.015
摘要:
针对表贴式永磁同步电机(PMSM)多步模型预测电流控制过程中运算量大的问题，提出一种成本函数优化计算的多步模型预测控制。成本函数优化计算采用事件触发机制，通过设置成本函数阈值动态精简多步预测的运算量。仿真结果表明：成本函数优化计算的多步模型预测电流控制性能良好，与传统方法完全等价，控制效果相当。基于STM32H743单片机平台，优化方法和传统方法单控制周期执行时间。试验结果表明：对于多步预测，优化算法可减少单控制周期执行时间，两步预测减小至77.71%，三步预测减小至53.95%，四步预测减小至39.76%，五步预测减少至33.48%，在控制性能与传统方法相当的条件下，提高系统实时性能。
针对表贴式永磁同步电机(PMSM)多步模型预测电流控制过程中运算量大的问题，提出一种成本函数优化计算的多步模型预测控制。成本函数优化计算采用事件触发机制，通过设置成本函数阈值动态精简多步预测的运算量。仿真结果表明：成本函数优化计算的多步模型预测电流控制性能良好，与传统方法完全等价，控制效果相当。基于STM32H743单片机平台，优化方法和传统方法单控制周期执行时间。试验结果表明：对于多步预测，优化算法可减少单控制周期执行时间，两步预测减小至77.71%，三步预测减小至53.95%，四步预测减小至39.76%，五步预测减少至33.48%，在控制性能与传统方法相当的条件下，提高系统实时性能。
2023, 50(5):26-38.
DOI: 10.12177/emca.2023.038
摘要:
基于电磁场-结构场-声场的多物理场耦合分析对静态密封双定子高温超导电机（HTS-DSG）的电磁振动声学规律进行了预测性研究。针对HTS-DSG内定子齿饱和的特点，采用等效气隙长度和动态磁导率相结合的方法，分别对HTS-DSG饱和状态下的内、外气隙磁通密度进行了解析计算，并经仿真及试验验证了理论方法的正确性。针对超导电机内设置分体式冷却杜瓦这一特殊结构，并进行分析得到了不同位置杜瓦的振动规律。结果表明，超导线圈匝层间最大抗拉强度远远大于所受振动应力，超导线圈不会因整机振动发生故障。最后，将电磁力耦合到HTS-DSG声场有限元模型中，利用多物理场耦合分析，预测了HTS-DSG的电磁振动和噪声规律。
基于电磁场-结构场-声场的多物理场耦合分析对静态密封双定子高温超导电机（HTS-DSG）的电磁振动声学规律进行了预测性研究。针对HTS-DSG内定子齿饱和的特点，采用等效气隙长度和动态磁导率相结合的方法，分别对HTS-DSG饱和状态下的内、外气隙磁通密度进行了解析计算，并经仿真及试验验证了理论方法的正确性。针对超导电机内设置分体式冷却杜瓦这一特殊结构，并进行分析得到了不同位置杜瓦的振动规律。结果表明，超导线圈匝层间最大抗拉强度远远大于所受振动应力，超导线圈不会因整机振动发生故障。最后，将电磁力耦合到HTS-DSG声场有限元模型中，利用多物理场耦合分析，预测了HTS-DSG的电磁振动和噪声规律。
2023, 50(5):39-45.
DOI: 10.12177/emca.2023.046
摘要:
考虑转子的柔性变形，建立了环形行波超声波电机定转子三维面接触模型，分析了定子的振动、定转子的法向接触以及切向摩擦，研究了定转子间的面接触特性及电机的转矩-转速特性。结果显示：由于转子的柔性变形，定转子间的接触区域形状是不规则的，接触压力沿径向分布是不均匀的。通过将样机转矩转速特性的理论计算值与试验测量值进行对比，验证了三维面接触模型。在此基础上，基于三维面接触模型，分析柔性转子结构参数变化对定转子最大接触压力及电机转矩-转速特性的影响，根据分析结果对转子结构进行优化，实现了定转子间的最大接触压力明显下降，并使电机的转矩-转速特性得以明显提升。
考虑转子的柔性变形，建立了环形行波超声波电机定转子三维面接触模型，分析了定子的振动、定转子的法向接触以及切向摩擦，研究了定转子间的面接触特性及电机的转矩-转速特性。结果显示：由于转子的柔性变形，定转子间的接触区域形状是不规则的，接触压力沿径向分布是不均匀的。通过将样机转矩转速特性的理论计算值与试验测量值进行对比，验证了三维面接触模型。在此基础上，基于三维面接触模型，分析柔性转子结构参数变化对定转子最大接触压力及电机转矩-转速特性的影响，根据分析结果对转子结构进行优化，实现了定转子间的最大接触压力明显下降，并使电机的转矩-转速特性得以明显提升。
2023, 50(5):46-52,60.
DOI: 10.12177/emca.2023.045
摘要:
多相自励磁同步电机具有起动转矩大，无需永磁体，且气隙磁场可调的优势，广泛应用于低速爬坡等短时特殊工况下的大转矩需求。作为一种新型电机，其励磁机理数学模型尚不明确，直接制约了该电机控制系统的发展。为此，针对该电机稳态下励磁展开研究，对自励磁同步电机的结构和高频励磁原理进行分析，研究了稳态下定子绕组中注入高频电流与转子励磁绕组上产生励磁电流之间的数学关系。基于此，获得电磁转矩表达式，并建立了该电机在静止和旋转两种坐标系下的运动方程。在旋转dq坐标系下搭建了MATLAB/Simulink仿真模型与ANSYS Maxwell有限元仿真模型，并进行对比分析，其结果验证了该数学模型的正确性。
多相自励磁同步电机具有起动转矩大，无需永磁体，且气隙磁场可调的优势，广泛应用于低速爬坡等短时特殊工况下的大转矩需求。作为一种新型电机，其励磁机理数学模型尚不明确，直接制约了该电机控制系统的发展。为此，针对该电机稳态下励磁展开研究，对自励磁同步电机的结构和高频励磁原理进行分析，研究了稳态下定子绕组中注入高频电流与转子励磁绕组上产生励磁电流之间的数学关系。基于此，获得电磁转矩表达式，并建立了该电机在静止和旋转两种坐标系下的运动方程。在旋转dq坐标系下搭建了MATLAB/Simulink仿真模型与ANSYS Maxwell有限元仿真模型，并进行对比分析，其结果验证了该数学模型的正确性。
2023, 50(5):53-60.
DOI: 10.12177/emca.2023.043
摘要:
以48 V扁线绕组感应电机为研究对象，采用COMSOL软件温度场仿真计算方法，研究感应电机的转子旋转搅动冷却油的被动冷却方式对感应电机温度场分布的影响和热均衡效果。将三维电磁场分析的难度降维为电机轴向中部平面进行二维电磁场分析，以简化计算并得到其磁通密度分布图，由此计算出电机各部分的损耗值。建立该电机简化的三维全域仿真模型，并对其进行了大电流工况下瞬态热分析，仿真结果表明：被动油冷电机中气隙、转子、绕组的温升得到了明显减少。在两台相同性能参数的电机上进行空气冷却和被动油冷方式冷却温升试验，试验结果表明：与风冷系统相比,被动油冷系统能显著改善电机的转子、扁线绕组的温升，电机输出功率得到明显提升，是一种较为经济且可靠的散热系统。
以48 V扁线绕组感应电机为研究对象，采用COMSOL软件温度场仿真计算方法，研究感应电机的转子旋转搅动冷却油的被动冷却方式对感应电机温度场分布的影响和热均衡效果。将三维电磁场分析的难度降维为电机轴向中部平面进行二维电磁场分析，以简化计算并得到其磁通密度分布图，由此计算出电机各部分的损耗值。建立该电机简化的三维全域仿真模型，并对其进行了大电流工况下瞬态热分析，仿真结果表明：被动油冷电机中气隙、转子、绕组的温升得到了明显减少。在两台相同性能参数的电机上进行空气冷却和被动油冷方式冷却温升试验，试验结果表明：与风冷系统相比,被动油冷系统能显著改善电机的转子、扁线绕组的温升，电机输出功率得到明显提升，是一种较为经济且可靠的散热系统。
2023, 50(5):61-71.
DOI: 10.12177/emca.2023.039
摘要:
针对风电功率预测精度较低的问题，提出一种融合奇异谱分析（SSA）、卷积神经网络（CNN）、双向门控循环单元（BiGRU）及Attention机制的组合预测模型。为抑制风电功率随机波动特性带来的预测功率曲线滞后性问题，采用SSA方法将原始数据序列分解为一系列相对平稳的子分量，并基于各分量模糊熵（FE）值完成各分解分量的有效重构；构建了CNNBiGRUAttention模型并用于各重构分量建模预测，其中，CNN网络用以实现各重构分量高维数据特征的有效提取，BiGRU网络用以完成CNN获取的关键特征向量非线性动态变化规律的有效捕捉，Attention机制的引入用于加强对功率数据关键特征的有效学习；通过叠加基于CNNBiGRUAttention模型的各重构分量预测值得到最终预测结果。以新疆哈密地区风电场实际运行采集数据为试验样本进行算例分析，结果表明，所提方法可有效缓解风电功率预测结果滞后现象，预测精度全面优于其他预测方法。
针对风电功率预测精度较低的问题，提出一种融合奇异谱分析（SSA）、卷积神经网络（CNN）、双向门控循环单元（BiGRU）及Attention机制的组合预测模型。为抑制风电功率随机波动特性带来的预测功率曲线滞后性问题，采用SSA方法将原始数据序列分解为一系列相对平稳的子分量，并基于各分量模糊熵（FE）值完成各分解分量的有效重构；构建了CNNBiGRUAttention模型并用于各重构分量建模预测，其中，CNN网络用以实现各重构分量高维数据特征的有效提取，BiGRU网络用以完成CNN获取的关键特征向量非线性动态变化规律的有效捕捉，Attention机制的引入用于加强对功率数据关键特征的有效学习；通过叠加基于CNNBiGRUAttention模型的各重构分量预测值得到最终预测结果。以新疆哈密地区风电场实际运行采集数据为试验样本进行算例分析，结果表明，所提方法可有效缓解风电功率预测结果滞后现象，预测精度全面优于其他预测方法。
2023, 50(5):72-81,104.
DOI: 10.12177/emca.2023.049
摘要:
风电大规模接入会使电网的调峰压力增大，配置储能可以有效缓解系统调峰压力。为了提高系统运行的经济性，需要制定合理的风储联合调峰策略，优化风机减载功率和储能充放电功率。将风储联合调峰问题转化为最优控制问题，提出了一种基于庞特里亚金最大值原理（PMP）的最优调峰控制策略，对该问题进行求解。鉴于储能的损耗模型是复杂的非线性模型，采用间接打靶法求解最优控制的数值解。从求解哈密顿函数最小值的角度入手，提出改进调峰策略，减少了策略算法求解时间。最后，通过算例对所提的最优调峰策略进行分析，算例结果验证了所提调峰策略的有效性。
风电大规模接入会使电网的调峰压力增大，配置储能可以有效缓解系统调峰压力。为了提高系统运行的经济性，需要制定合理的风储联合调峰策略，优化风机减载功率和储能充放电功率。将风储联合调峰问题转化为最优控制问题，提出了一种基于庞特里亚金最大值原理（PMP）的最优调峰控制策略，对该问题进行求解。鉴于储能的损耗模型是复杂的非线性模型，采用间接打靶法求解最优控制的数值解。从求解哈密顿函数最小值的角度入手，提出改进调峰策略，减少了策略算法求解时间。最后，通过算例对所提的最优调峰策略进行分析，算例结果验证了所提调峰策略的有效性。
2023, 50(5):82-91.
DOI: 10.12177/emca.2023.047
摘要:
针对复杂线路的全局最优工况序列和最佳工况转换点位置难以确定的问题，提出一种基于改进麻雀搜索算法（ISSA）最佳工况转换点位置多目标优化方法。分析货运列车运行约束条件，根据性能指标要求构建以节能准点为优化目标的模型，采用线性加权求和设计适应度函数；根据实际运行线路限速和坡道情况规划求解复杂线路下货运列车工况序列，采用基于自适应权重和Levy飞行扰动ISSA，求解此工况序列下的最佳工况转换点位置。仿真结果表明所设计的工况序列及转换点位置生成的目标速度曲线方法，能在满足货运列车准点运行的前提下实现节能。
针对复杂线路的全局最优工况序列和最佳工况转换点位置难以确定的问题，提出一种基于改进麻雀搜索算法（ISSA）最佳工况转换点位置多目标优化方法。分析货运列车运行约束条件，根据性能指标要求构建以节能准点为优化目标的模型，采用线性加权求和设计适应度函数；根据实际运行线路限速和坡道情况规划求解复杂线路下货运列车工况序列，采用基于自适应权重和Levy飞行扰动ISSA，求解此工况序列下的最佳工况转换点位置。仿真结果表明所设计的工况序列及转换点位置生成的目标速度曲线方法，能在满足货运列车准点运行的前提下实现节能。
2023, 50(5):92-96.
DOI: 10.12177/emca.2023.037
摘要:
局部放电(PD)在线监测是高压电机状态监测的常用技术。然而现场的噪声干扰难以避免，最常见的噪声是白噪声和周期性窄带噪声。为此提出一种结合奇异值分解与小波变换（SVD-WT）的去噪方法，对原始PD信号进行SVD分解，通过计算奇异值序列的峭度值，自适应的选取需要重构奇异值实现周期性窄带噪声的去除；通过计算滑动窗内信号的方差值，确定PD信号的起始位置；对无PD发生的位置进行置零，得到去除噪声后的PD信号。通过对仿真和实测的PD信号进行去噪分析，与经验模态分解与小波变换(EMDWT)和自适应奇异值分解(ASVD)进行对比分析，仿真和实测的PD信号去噪结果表明，SVDWT方法具有优异的性能。
局部放电(PD)在线监测是高压电机状态监测的常用技术。然而现场的噪声干扰难以避免，最常见的噪声是白噪声和周期性窄带噪声。为此提出一种结合奇异值分解与小波变换（SVD-WT）的去噪方法，对原始PD信号进行SVD分解，通过计算奇异值序列的峭度值，自适应的选取需要重构奇异值实现周期性窄带噪声的去除；通过计算滑动窗内信号的方差值，确定PD信号的起始位置；对无PD发生的位置进行置零，得到去除噪声后的PD信号。通过对仿真和实测的PD信号进行去噪分析，与经验模态分解与小波变换(EMDWT)和自适应奇异值分解(ASVD)进行对比分析，仿真和实测的PD信号去噪结果表明，SVDWT方法具有优异的性能。
2023, 50(5):97-104.
DOI: 10.12177/emca.2023.034
摘要:
针对目前旋变软件解码中的采样包络面存在非理想偏差问题，从理论推导了幅值偏差、直流偏差会对旋变软件解码的输出角度叠加一个2倍频波动，正交偏差会叠加一个同频波动。提出了基于离散傅里叶变换（DFT）的矫正方法，利用该方法实现了幅值偏差、直流偏差和正交偏差的提取，并对这3种偏差设计了相应的矫正环节。同时又推导了存在转速误差条件下使用DFT方法提取到的幅值偏差、直流偏差存在一个和旋变包络面初始相位相关的波动误差，并通过取一段时间内波动平均值的方法解决了该误差对提取结果的影响。最后通过仿真试验验证了推导的正确性，搭建了拖台架并进行旋变标定试验，对比标定前后数据，表明偏差矫正后的锁相环输出的角度线性度更好，转速波动更小，相应的dq轴电流的指定阶次波动也更小。
针对目前旋变软件解码中的采样包络面存在非理想偏差问题，从理论推导了幅值偏差、直流偏差会对旋变软件解码的输出角度叠加一个2倍频波动，正交偏差会叠加一个同频波动。提出了基于离散傅里叶变换（DFT）的矫正方法，利用该方法实现了幅值偏差、直流偏差和正交偏差的提取，并对这3种偏差设计了相应的矫正环节。同时又推导了存在转速误差条件下使用DFT方法提取到的幅值偏差、直流偏差存在一个和旋变包络面初始相位相关的波动误差，并通过取一段时间内波动平均值的方法解决了该误差对提取结果的影响。最后通过仿真试验验证了推导的正确性，搭建了拖台架并进行旋变标定试验，对比标定前后数据，表明偏差矫正后的锁相环输出的角度线性度更好，转速波动更小，相应的dq轴电流的指定阶次波动也更小。
《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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