2025年第52卷第5期文章目次
2025, 52(5):453-465.
DOI: 10.12177/emca.2025.035
摘要:
【目的】针对激光跟踪仪永磁直流力矩电机(PMDCTM)伺服系统中，传统比例积分微分(PID)控制因参数变化、外部干扰及非线性摩擦等因素导致的轨迹跟踪精度不足及高频抖振显著等问题，提出了一种基于自适应切换增益的PMDCTM位置环非奇异终端滑模控制(NTSMC)方法。【方法】首先，基于激光跟踪仪方位轴电机的机电模型建立了基于角度误差的状态空间表达式；其次，选用分数阶次的饱和函数滑模面，并结合自适应控制思想设计了自适应增益的切换律，在避免奇异性的基础上，有效抑制了系统中的不确定性因素；最后，通过Lyapunov稳定性理论证明了控制系统的有限时间收敛特性，并且探索了本文设计的滑模面参数与系统收敛速度的关系。【结果】利用Matlab/Simulink软件以及增强型可编程多轴控制器平台进行仿真与试验对比，结果表明，在表征系统快速性的阶跃响应中，基于自适应非奇异终端滑模控制(ANTSMC)的PMDCTM位置环阶跃响应收敛时间较NTSMC缩短41.2%，较PID控制缩短66.3%；在跟踪仪方位轴电机换向的应用场景中，基于ANTSMC的PMDCTM位置环瞬时跟踪误差峰值较NTSMC缩短37.2%，较PID控制缩短76.9%，且大幅减少了到达稳态后的抖振，系统抵抗外部扰动的能力显著增强。【结论】本文所提ANTSMC方法能够有效提高PMDCTM位置环的控制精度，增强激光跟踪仪伺服系统的动态响应能力，减弱抖振现象，表现出优异的鲁棒性。
【目的】针对激光跟踪仪永磁直流力矩电机(PMDCTM)伺服系统中，传统比例积分微分(PID)控制因参数变化、外部干扰及非线性摩擦等因素导致的轨迹跟踪精度不足及高频抖振显著等问题，提出了一种基于自适应切换增益的PMDCTM位置环非奇异终端滑模控制(NTSMC)方法。【方法】首先，基于激光跟踪仪方位轴电机的机电模型建立了基于角度误差的状态空间表达式；其次，选用分数阶次的饱和函数滑模面，并结合自适应控制思想设计了自适应增益的切换律，在避免奇异性的基础上，有效抑制了系统中的不确定性因素；最后，通过Lyapunov稳定性理论证明了控制系统的有限时间收敛特性，并且探索了本文设计的滑模面参数与系统收敛速度的关系。【结果】利用Matlab/Simulink软件以及增强型可编程多轴控制器平台进行仿真与试验对比，结果表明，在表征系统快速性的阶跃响应中，基于自适应非奇异终端滑模控制(ANTSMC)的PMDCTM位置环阶跃响应收敛时间较NTSMC缩短41.2%，较PID控制缩短66.3%；在跟踪仪方位轴电机换向的应用场景中，基于ANTSMC的PMDCTM位置环瞬时跟踪误差峰值较NTSMC缩短37.2%，较PID控制缩短76.9%，且大幅减少了到达稳态后的抖振，系统抵抗外部扰动的能力显著增强。【结论】本文所提ANTSMC方法能够有效提高PMDCTM位置环的控制精度，增强激光跟踪仪伺服系统的动态响应能力，减弱抖振现象，表现出优异的鲁棒性。
2025, 52(5):466-476.
DOI: 10.12177/emca.2025.030
摘要:
【目的】高渗透率光伏和高功率电动汽车接入改变了电力系统原有的运行特征，使电压宽幅跳变成为常态，对配电变压器的调压速度、调压范围以及容量提出了更高的要求。传统配电变压器受限于高压侧高电压，分接头级差小、调压速度慢，不能实现宽幅调压。针对此问题，本文提出了一种基于有源逆变的新型混合式低压侧宽幅调压方法，将分接开关接在配电变压器低压侧，以实现宽幅调压。【方法】针对低压侧切换电流高、通态损耗大的问题，采用逆变电源串入电力电子换流支路，基于电压电流双环竞争策略对逆变电路的控制信号进行调控，抵消电子器件正向电压，实现机械支路零电压；同时驱动逆变电路产生负载电流，强制电流由机械支路换流到电力电子换流支路，实现机械支路零电流。机械开关真正零电压、零电流动作，解决了传统混合式开关消弧不彻底的问题。【结果】仿真结果表明，逆变电源能够为机械开关提供零电压、零电流动作条件，机械开关无弧动作。与传统混合式开关相比，本文所提新型混合式低压侧宽幅调压方法的调压时间至少缩短了4倍；并且切换过程中产生的电弧能量较小，进行30万次开关动作后，机械触头的剩余使用寿命指数为97.2%，仍具有较高的使用寿命，而传统混合式开关的寿命指数仅为37.9%。【结论】本文所提新型混合式低压侧宽幅调压方法能够实现快速宽幅低损调压。
【目的】高渗透率光伏和高功率电动汽车接入改变了电力系统原有的运行特征，使电压宽幅跳变成为常态，对配电变压器的调压速度、调压范围以及容量提出了更高的要求。传统配电变压器受限于高压侧高电压，分接头级差小、调压速度慢，不能实现宽幅调压。针对此问题，本文提出了一种基于有源逆变的新型混合式低压侧宽幅调压方法，将分接开关接在配电变压器低压侧，以实现宽幅调压。【方法】针对低压侧切换电流高、通态损耗大的问题，采用逆变电源串入电力电子换流支路，基于电压电流双环竞争策略对逆变电路的控制信号进行调控，抵消电子器件正向电压，实现机械支路零电压；同时驱动逆变电路产生负载电流，强制电流由机械支路换流到电力电子换流支路，实现机械支路零电流。机械开关真正零电压、零电流动作，解决了传统混合式开关消弧不彻底的问题。【结果】仿真结果表明，逆变电源能够为机械开关提供零电压、零电流动作条件，机械开关无弧动作。与传统混合式开关相比，本文所提新型混合式低压侧宽幅调压方法的调压时间至少缩短了4倍；并且切换过程中产生的电弧能量较小，进行30万次开关动作后，机械触头的剩余使用寿命指数为97.2%，仍具有较高的使用寿命，而传统混合式开关的寿命指数仅为37.9%。【结论】本文所提新型混合式低压侧宽幅调压方法能够实现快速宽幅低损调压。
2025, 52(5):477-486.
DOI: 10.12177/emca.2025.023
摘要:
【目的】针对多负载无线电能传输(WPT)系统中，接收线圈交叉耦合导致的系统传输效率降低的问题，本文提出了一种基于Halbach磁耦合机构的多负载WPT系统。【方法】Halbach磁耦合机构通过调控发射单元构成线圈的激励电流方向，利用构成线圈的组合磁效应，实现了在目标区域定向聚集磁场和削弱磁场的双重调控效果。通过建立有限元仿真模型，在优化磁耦合机构设计的基础上，对接收单元和发射单元的互感特性与磁场特性进行了分析，从磁通量的角度阐述了磁场聚集和磁场削弱的原理。同时，构建SS型等效电路拓扑以推导系统输出特性。最后，搭建试验平台对系统的互感变化规律、输出特性以及磁削弱性能进行分析和验证。【结果】试验结果表明，Halbach型磁耦合机构具有双侧磁场聚集和磁场削弱功能，磁场聚集区域和磁场削弱区域错位分布，有效抑制了接收线圈间的交叉耦合，同时降低了系统的漏磁。两接收单元距离发射单元20 mm，双负载均为20 Ω时，系统整体传输效率最高，达80.84%。【结论】本文所提Halbach型磁耦合机构，通过非对称磁场调控技术，成功解决了多负载WPT系统中接收线圈间的交叉耦合问题。由于采用模块化单元，该系统具有较好的可扩展性。这种模块化设计，简单且灵活，有望在多负载WPT系统中得到更广泛的应用。
【目的】针对多负载无线电能传输(WPT)系统中，接收线圈交叉耦合导致的系统传输效率降低的问题，本文提出了一种基于Halbach磁耦合机构的多负载WPT系统。【方法】Halbach磁耦合机构通过调控发射单元构成线圈的激励电流方向，利用构成线圈的组合磁效应，实现了在目标区域定向聚集磁场和削弱磁场的双重调控效果。通过建立有限元仿真模型，在优化磁耦合机构设计的基础上，对接收单元和发射单元的互感特性与磁场特性进行了分析，从磁通量的角度阐述了磁场聚集和磁场削弱的原理。同时，构建SS型等效电路拓扑以推导系统输出特性。最后，搭建试验平台对系统的互感变化规律、输出特性以及磁削弱性能进行分析和验证。【结果】试验结果表明，Halbach型磁耦合机构具有双侧磁场聚集和磁场削弱功能，磁场聚集区域和磁场削弱区域错位分布，有效抑制了接收线圈间的交叉耦合，同时降低了系统的漏磁。两接收单元距离发射单元20 mm，双负载均为20 Ω时，系统整体传输效率最高，达80.84%。【结论】本文所提Halbach型磁耦合机构，通过非对称磁场调控技术，成功解决了多负载WPT系统中接收线圈间的交叉耦合问题。由于采用模块化单元，该系统具有较好的可扩展性。这种模块化设计，简单且灵活，有望在多负载WPT系统中得到更广泛的应用。
2025, 52(5):487-500.
DOI: 10.12177/emca.2025.037
摘要:
【目的】霍尔位置传感器在恶劣环境、机械振动和电气应力等因素影响下容易发生故障，同时安装偏差也会显著影响电机的控制精度和系统稳定性。为了提高基于霍尔位置传感器的永磁同步电机(PMSM)驱动系统的可靠性和容错性能，对霍尔传感器的故障诊断方法和容错控制策略展开研究，旨在解决传统方法在故障诊断效率和容错控制精度方面的不足。【方法】针对传统基于特征序列的故障检测方法存在的效率低和误判问题，提出了一种基于伪加速度变化阈值的新型快速故障诊断方法，该方法在霍尔跳变沿时刻对伪加速度变化量与设定阈值进行比较，从而快速检测故障。此外，为减小霍尔安装偏差的影响，提出一种将传统容错插值法与快速故障诊断相结合的改进容错控制方法。并将该方法与所设计的自适应陷波角度观测器相结合，以减小霍尔安装偏差带来的2次谐波误差，提高容错性能。【结果】试验结果表明，所提快速故障诊断方法能够准确识别单相霍尔和双相霍尔传感器故障，显著缩短诊断时间，避免了传统方法的滞后性和误判问题。改进容错插值法结合自适应陷波角度观测器，在霍尔传感器故障情况下，仍能实现对转子位置的精确估算，有效提高了系统的稳定性和控制精度。特别是在不同工况下，该方法能够保持良好的控制性能。【结论】本文所提基于伪加速度变化阈值的快速故障诊断方法和改进型容错控制策略，在单相霍尔和双相霍尔故障以及不同工况下的表现均优于传统方法，为霍尔传感器故障情况下的电机稳定运行提供了可靠的技术支持。
【目的】霍尔位置传感器在恶劣环境、机械振动和电气应力等因素影响下容易发生故障，同时安装偏差也会显著影响电机的控制精度和系统稳定性。为了提高基于霍尔位置传感器的永磁同步电机(PMSM)驱动系统的可靠性和容错性能，对霍尔传感器的故障诊断方法和容错控制策略展开研究，旨在解决传统方法在故障诊断效率和容错控制精度方面的不足。【方法】针对传统基于特征序列的故障检测方法存在的效率低和误判问题，提出了一种基于伪加速度变化阈值的新型快速故障诊断方法，该方法在霍尔跳变沿时刻对伪加速度变化量与设定阈值进行比较，从而快速检测故障。此外，为减小霍尔安装偏差的影响，提出一种将传统容错插值法与快速故障诊断相结合的改进容错控制方法。并将该方法与所设计的自适应陷波角度观测器相结合，以减小霍尔安装偏差带来的2次谐波误差，提高容错性能。【结果】试验结果表明，所提快速故障诊断方法能够准确识别单相霍尔和双相霍尔传感器故障，显著缩短诊断时间，避免了传统方法的滞后性和误判问题。改进容错插值法结合自适应陷波角度观测器，在霍尔传感器故障情况下，仍能实现对转子位置的精确估算，有效提高了系统的稳定性和控制精度。特别是在不同工况下，该方法能够保持良好的控制性能。【结论】本文所提基于伪加速度变化阈值的快速故障诊断方法和改进型容错控制策略，在单相霍尔和双相霍尔故障以及不同工况下的表现均优于传统方法，为霍尔传感器故障情况下的电机稳定运行提供了可靠的技术支持。
2025, 52(5):501-512.
DOI: 10.12177/emca.2025.031
摘要:
【目的】单变流器驱动多台永磁同步电机(PMSM)并联运行的系统架构，能够显著降低硬件成本、减小系统体积并提高功率密度，已成为一种极具经济效益的技术方案。然而，传统控制策略通常采用平均模型或多坐标系模型，不仅增加了系统建模的复杂性，还可能导致控制精度下降和动态响应变差。针对此问题，本文提出了一种基于统一坐标系的单变流器多PMSM并联系统控制策略，旨在简化控制结构并提升系统性能。【方法】首先，采用频域分析法对系统的电磁特性和机械特性进行深入研究。在此基础上，提出了一种基于统一坐标系的矢量控制策略，通过统一坐标系下的数学模型简化了多电机系统的控制复杂度。最后，为验证所提策略的有效性，搭建了时域仿真模型，分析了不同工况下的系统运行情况，并对控制系统的动态响应和稳态精度进行了全面测试。【结果】仿真结果表明，当两台PMSM的负载转矩不同或发生动态变化时，所设计的控制系统能够快速、准确地调节电机转速，使其良好地跟随给定转速，验证了所提控制策略的有效性和实用性。【结论】本文所提基于统一坐标系的单变流器多PMSM并联系统控制策略，不仅简化了传统多电机系统的控制结构，还显著提升了系统的动态性能和稳态精度，为单变流器驱动并联PMSM系统的控制优化提供了新的思路。
【目的】单变流器驱动多台永磁同步电机(PMSM)并联运行的系统架构，能够显著降低硬件成本、减小系统体积并提高功率密度，已成为一种极具经济效益的技术方案。然而，传统控制策略通常采用平均模型或多坐标系模型，不仅增加了系统建模的复杂性，还可能导致控制精度下降和动态响应变差。针对此问题，本文提出了一种基于统一坐标系的单变流器多PMSM并联系统控制策略，旨在简化控制结构并提升系统性能。【方法】首先，采用频域分析法对系统的电磁特性和机械特性进行深入研究。在此基础上，提出了一种基于统一坐标系的矢量控制策略，通过统一坐标系下的数学模型简化了多电机系统的控制复杂度。最后，为验证所提策略的有效性，搭建了时域仿真模型，分析了不同工况下的系统运行情况，并对控制系统的动态响应和稳态精度进行了全面测试。【结果】仿真结果表明，当两台PMSM的负载转矩不同或发生动态变化时，所设计的控制系统能够快速、准确地调节电机转速，使其良好地跟随给定转速，验证了所提控制策略的有效性和实用性。【结论】本文所提基于统一坐标系的单变流器多PMSM并联系统控制策略，不仅简化了传统多电机系统的控制结构，还显著提升了系统的动态性能和稳态精度，为单变流器驱动并联PMSM系统的控制优化提供了新的思路。
2025, 52(5):513-526.
DOI: 10.12177/emca.2025.026
摘要:
【目的】深度学习模型具有学习数据潜在规律和构建层次化特征表示的优势，因此被广泛应用于变压器故障诊断。然而，深度学习模型的参数量巨大、网络拓扑结构复杂且计算、存储成本高昂，限制了其在电力变压器故障诊断领域的应用。针对此问题，本文提出了一种多重稀疏MobileNetV2的变压器故障诊断方法。【方法】首先，使用纺锤块和沙漏块对MobileNetV2模型的倒残差块进行紧凑改进，从模型本身降低参数量和计算量，初步稀疏模型。其次，提出了一种基于依赖图模型的组级剪枝方法，对模型中的耦合参数进行分组，并基于L2范数设计组级剪枝优化策略，对模型进行稀疏训练与剪枝微调，删除模型中的冗余结构和参数，进一步降低参数量和计算量，实现模型稀疏化。最后，提出8位宽对称均匀量化和量化感知训练方法，将模型中的32位宽高分辨率浮点参数量化为8位宽低分辨率整型参数，并在此基础上进行模型推理，再次降低计算量，实现模型的多重稀疏化。【结果】数值试验和性能评估结果表明:与MobileNetV2模型相比，本文提出的多重稀疏化MobileNetV2模型在将故障识别精度提升至95.2%的前提下，将参数量、计算量和模型大小分别降低了约73.5%、96.9%和68.8%，且识别1 000张图片的推理时间仅为0.66秒。【结论】本文所提方法有效结合了紧凑改进、模型剪枝和参数量化三种单一稀疏化方法，在保证模型精度的前提下，实现了深度学习模型的多重稀疏化，较好地解决了电力变压器故障样本数据稀缺导致的模型过参数化问题，并消除了相关不利影响。
【目的】深度学习模型具有学习数据潜在规律和构建层次化特征表示的优势，因此被广泛应用于变压器故障诊断。然而，深度学习模型的参数量巨大、网络拓扑结构复杂且计算、存储成本高昂，限制了其在电力变压器故障诊断领域的应用。针对此问题，本文提出了一种多重稀疏MobileNetV2的变压器故障诊断方法。【方法】首先，使用纺锤块和沙漏块对MobileNetV2模型的倒残差块进行紧凑改进，从模型本身降低参数量和计算量，初步稀疏模型。其次，提出了一种基于依赖图模型的组级剪枝方法，对模型中的耦合参数进行分组，并基于L2范数设计组级剪枝优化策略，对模型进行稀疏训练与剪枝微调，删除模型中的冗余结构和参数，进一步降低参数量和计算量，实现模型稀疏化。最后，提出8位宽对称均匀量化和量化感知训练方法，将模型中的32位宽高分辨率浮点参数量化为8位宽低分辨率整型参数，并在此基础上进行模型推理，再次降低计算量，实现模型的多重稀疏化。【结果】数值试验和性能评估结果表明:与MobileNetV2模型相比，本文提出的多重稀疏化MobileNetV2模型在将故障识别精度提升至95.2%的前提下，将参数量、计算量和模型大小分别降低了约73.5%、96.9%和68.8%，且识别1 000张图片的推理时间仅为0.66秒。【结论】本文所提方法有效结合了紧凑改进、模型剪枝和参数量化三种单一稀疏化方法，在保证模型精度的前提下，实现了深度学习模型的多重稀疏化，较好地解决了电力变压器故障样本数据稀缺导致的模型过参数化问题，并消除了相关不利影响。
2025, 52(5):527-539.
DOI: 10.12177/emca.2025.033
摘要:
【目的】传统永磁同步电机(PMSM)磁场定向控制(FOC)系统的转速环和定子dq轴电流环通常采用比例积分(PI)控制，导致转速超调量较大。采用滑模控制(SMC)可减小超调量，但仍存在动态响应较慢，电流脉动较大的问题。【方法】针对此问题，本文采用超螺旋滑模控制(STSMC)来调节转速外环和定子dq轴电流内环，以提升响应速度，抑制转速脉动和电流脉动，从而提升系统的动态性能和稳态性能。进一步地，为提升系统在外界负载扰动下的鲁棒性，设计扩张状态观测器(ESO)观测扰动，将负载扩张为新的状态量，在负载转矩突变时通过前馈补偿减少转速恢复时间和转速跌落，从而提升系统鲁棒性。【结果】仿真结果表明，在1 000 r/min基准转速、10 N·m阶跃负载工况下，相较于转速SMC，STSMC的转速调节时间减少86.25%，转速脉动均方根误差(RMSE)减小95.35%，d轴电流脉动RMSE减小45.44%，q轴电流脉动RMSE减小34.31%；相较于转速SMC，基于ESO的STSMC(STSMC-ESO)的转速调节时间减少86.25%，转速脉动RMSE减小95.70%，d轴电流脉动RMSE减小45.61%，q轴电流脉动RMSE 减小37.02%；存在外界负载扰动时，相较于STSMC，STSMC-ESO的转速跌落减少21.81%，转速恢复时间减少90%。【结论】STSMC-ESO策略可有效降低转速超调量，提升系统动态响应速度，同时削减系统抖振，大幅降低转速和电流脉动，改善系统的稳态性能，当受到外界负载扰动后，转速能快速恢复并保持相对稳定。
【目的】传统永磁同步电机(PMSM)磁场定向控制(FOC)系统的转速环和定子dq轴电流环通常采用比例积分(PI)控制，导致转速超调量较大。采用滑模控制(SMC)可减小超调量，但仍存在动态响应较慢，电流脉动较大的问题。【方法】针对此问题，本文采用超螺旋滑模控制(STSMC)来调节转速外环和定子dq轴电流内环，以提升响应速度，抑制转速脉动和电流脉动，从而提升系统的动态性能和稳态性能。进一步地，为提升系统在外界负载扰动下的鲁棒性，设计扩张状态观测器(ESO)观测扰动，将负载扩张为新的状态量，在负载转矩突变时通过前馈补偿减少转速恢复时间和转速跌落，从而提升系统鲁棒性。【结果】仿真结果表明，在1 000 r/min基准转速、10 N·m阶跃负载工况下，相较于转速SMC，STSMC的转速调节时间减少86.25%，转速脉动均方根误差(RMSE)减小95.35%，d轴电流脉动RMSE减小45.44%，q轴电流脉动RMSE减小34.31%；相较于转速SMC，基于ESO的STSMC(STSMC-ESO)的转速调节时间减少86.25%，转速脉动RMSE减小95.70%，d轴电流脉动RMSE减小45.61%，q轴电流脉动RMSE 减小37.02%；存在外界负载扰动时，相较于STSMC，STSMC-ESO的转速跌落减少21.81%，转速恢复时间减少90%。【结论】STSMC-ESO策略可有效降低转速超调量，提升系统动态响应速度，同时削减系统抖振，大幅降低转速和电流脉动，改善系统的稳态性能，当受到外界负载扰动后，转速能快速恢复并保持相对稳定。
2025, 52(5):540-551.
DOI: 10.12177/emca.2025.025
摘要:
【目的】针对永磁同步电机(PMSM)两步模型预测电流控制(MPCC)需要遍历控制集中所有电压矢量，导致计算负担较大的问题，提出了三种精简控制集，通过增加约束条件减少电压矢量遍历次数，提高实时性。【方法】首先，根据电压矢量在dq轴上投影的正负情况，将其分为五类；然后，将电机定子dq轴电流参考值与实际值的误差作为约束条件，分析施加约束后模型预测第一步和第二步的五类电压的选择规律，通过舍弃利用率较低的电压矢量，提出了精简控制集一和精简控制集二；在此基础上，又引入了dq轴电流误差平方根约束，分析不同误差带下零电压矢量的分布规律，从而进一步精简控制集，提出精简控制集三。【结果】仿真和实时性试验结果表明:精简控制集一与传统控制集的性能完全一致，其电压矢量序列减小至36个，运行时长降低至传统控制集运行时长的53.31%；精简控制集二、精简控制集三与传统控制集的性能基本相当，其电压矢量序列分别减小至9个、4个，运行时长分别降低至传统控制集运行时长的19.98%、12.57%。【结论】基于误差约束和电压分布规律所提出的三种精简控制集可在保持与传统控制集性能基本相当的同时，显著减少遍历次数，有效优化实时性能，为减少两步MPCC的计算负担提供了一种新的解决方案。
【目的】针对永磁同步电机(PMSM)两步模型预测电流控制(MPCC)需要遍历控制集中所有电压矢量，导致计算负担较大的问题，提出了三种精简控制集，通过增加约束条件减少电压矢量遍历次数，提高实时性。【方法】首先，根据电压矢量在dq轴上投影的正负情况，将其分为五类；然后，将电机定子dq轴电流参考值与实际值的误差作为约束条件，分析施加约束后模型预测第一步和第二步的五类电压的选择规律，通过舍弃利用率较低的电压矢量，提出了精简控制集一和精简控制集二；在此基础上，又引入了dq轴电流误差平方根约束，分析不同误差带下零电压矢量的分布规律，从而进一步精简控制集，提出精简控制集三。【结果】仿真和实时性试验结果表明:精简控制集一与传统控制集的性能完全一致，其电压矢量序列减小至36个，运行时长降低至传统控制集运行时长的53.31%；精简控制集二、精简控制集三与传统控制集的性能基本相当，其电压矢量序列分别减小至9个、4个，运行时长分别降低至传统控制集运行时长的19.98%、12.57%。【结论】基于误差约束和电压分布规律所提出的三种精简控制集可在保持与传统控制集性能基本相当的同时，显著减少遍历次数，有效优化实时性能，为减少两步MPCC的计算负担提供了一种新的解决方案。
2025, 52(5):552-561.
DOI: 10.12177/emca.2025.034
摘要:
【目的】针对真空泵用驱动电机在实际工作过程中散热困难，且在出现冲击载荷情况下电机温度容易突破绝缘限制的问题，本文采用神经网络法对真空泵用驱动电机进行发热预测。【方法】以一台4.5 kW的真空泵用驱动电机为例，首先，对冲击载荷下的电机进行温度仿真分析，对瞬时数据进行分类，利用历史数据对神经网络进行训练，建立真空泵用驱动电机运行数据与温度的映射关系。其次，搭建电机试验平台，对电机进行冲击试验，用试验数据修正神经网络训练模型。通过试验比较预测温度值与实际测量温度，验证修正后模型的准确性。【结果】试验结果表明，经过误差修正后，神经网络模型的温度预测精度得到了提高。误差修正后的双向长短期记忆网络在预测定子绕组端部温度方面的表现优于卷积神经网络和长短期记忆网络，决定系数达到0.979。【结论】本研究为不依赖温度传感器实现对真空泵用驱动电机受冲击载荷时的发热预测提供了一种方法和技术路线，为驱动电机的有效控制提供算法判断依据。
【目的】针对真空泵用驱动电机在实际工作过程中散热困难，且在出现冲击载荷情况下电机温度容易突破绝缘限制的问题，本文采用神经网络法对真空泵用驱动电机进行发热预测。【方法】以一台4.5 kW的真空泵用驱动电机为例，首先，对冲击载荷下的电机进行温度仿真分析，对瞬时数据进行分类，利用历史数据对神经网络进行训练，建立真空泵用驱动电机运行数据与温度的映射关系。其次，搭建电机试验平台，对电机进行冲击试验，用试验数据修正神经网络训练模型。通过试验比较预测温度值与实际测量温度，验证修正后模型的准确性。【结果】试验结果表明，经过误差修正后，神经网络模型的温度预测精度得到了提高。误差修正后的双向长短期记忆网络在预测定子绕组端部温度方面的表现优于卷积神经网络和长短期记忆网络，决定系数达到0.979。【结论】本研究为不依赖温度传感器实现对真空泵用驱动电机受冲击载荷时的发热预测提供了一种方法和技术路线，为驱动电机的有效控制提供算法判断依据。
2025, 52(5):562-571.
DOI: 10.12177/emca.2025.027
摘要:
【目的】为解决双三相永磁同步电机(PMSM)模型预测控制(MPC)系统鲁棒性低、对电机参数依赖性高的问题，对滑模参数辨识方法进行改进优化，提出了一种基于超螺旋滑模观测器(ST-SMO)参数辨识的双三相PMSM模型预测电流控制(MPCC)方法。【方法】首先，引入高阶滑模算法，替代传统滑模观测器中的开关函数sign作为新的滑模趋近律，设计了基于超螺旋算法的ST-SMO来进行更加精准的电机电感参数辨识；然后，利用Lyapunov理论对设计的高阶滑模观测器进行稳定性分析，并结合增量式方程对MPCC系统中的预测模型进行优化，消除了预测方程中磁链参数对电机控制系统鲁棒性的影响；最后，结合参数辨识算法对电感参数进行准确辨识，降低了MPCC系统对电机参数的依赖性。【结果】改进后的双三相PMSM MPCC系统，在加入了ST-SMO和增量式预测模型后，具有良好的稳态和动态性能。在参数辨识方面，不仅消除了一阶滑模系统带来的抖振现象，提升了参数辨识的精度，还提高了参数辨识速度，保证双三相PMSM在参数失配时，电机控制系统仍能保持较好的控制性能。【结论】本文所提基于ST-SMO参数辨识的MPCC系统在转速和转矩突变等多种工况下具有良好的可行性和稳定性。
【目的】为解决双三相永磁同步电机(PMSM)模型预测控制(MPC)系统鲁棒性低、对电机参数依赖性高的问题，对滑模参数辨识方法进行改进优化，提出了一种基于超螺旋滑模观测器(ST-SMO)参数辨识的双三相PMSM模型预测电流控制(MPCC)方法。【方法】首先，引入高阶滑模算法，替代传统滑模观测器中的开关函数sign作为新的滑模趋近律，设计了基于超螺旋算法的ST-SMO来进行更加精准的电机电感参数辨识；然后，利用Lyapunov理论对设计的高阶滑模观测器进行稳定性分析，并结合增量式方程对MPCC系统中的预测模型进行优化，消除了预测方程中磁链参数对电机控制系统鲁棒性的影响；最后，结合参数辨识算法对电感参数进行准确辨识，降低了MPCC系统对电机参数的依赖性。【结果】改进后的双三相PMSM MPCC系统，在加入了ST-SMO和增量式预测模型后，具有良好的稳态和动态性能。在参数辨识方面，不仅消除了一阶滑模系统带来的抖振现象，提升了参数辨识的精度，还提高了参数辨识速度，保证双三相PMSM在参数失配时，电机控制系统仍能保持较好的控制性能。【结论】本文所提基于ST-SMO参数辨识的MPCC系统在转速和转矩突变等多种工况下具有良好的可行性和稳定性。
2025, 52(5):572-584.
DOI: 10.12177/emca.2025.029
摘要:
【目的】为解决永磁同步电机(PMSM)传统三矢量模型预测电流控制(TV-MPCC)的计算复杂性问题，提出了一种基于改进电压矢量选择和计算方法的低复杂度三矢量模型预测电流控制(LCTV-MPCC)方法。【方法】首先，基于前向欧拉法建立PMSM离散化电流预测模型，通过相邻有效电压矢量筛选方法确定三个候选矢量，缩小电压矢量选择范围。然后，计算价值函数以确定最优电压矢量组合，并计算出各自对应的虚拟作用时间。通过两个虚拟电压矢量及其作用时间合成期望电压矢量，根据虚拟电压矢量作用时间的大小关系，进一步确定合成期望电压矢量所需要的实际作用电压矢量及其作用时间。最后，按最小开关频率原则生成逆变器开关序列输出。【结果】为验证所提方法的有效性，通过仿真和试验进行对比分析。结果表明，所提LCTV-MPCC方法与TV-MPCC方法在稳态性能方面近似，两种控制方法的转速波动和电流波动基本一致；在计算效率方面，相较于TV-MPCC方法，所提LCTV-MPCC方法的单个周期平均计算时间由54.3 μs缩短至37.6 μs，减小了30.76%；电压矢量的迭代次数由6次缩减为3次，减少了50%，所提方法能够有效降低了传统控制方法的计算负担。【结论】本文所提LCTV-MPCC方法通过改变候选电压矢量集和实际电压矢量作用时间计算方法，有效解决了TV-MPCC方法计算复杂的问题，能够减少系统周期平均运行时间，同时固定开关频率，保持电机稳态控制性能不变。
【目的】为解决永磁同步电机(PMSM)传统三矢量模型预测电流控制(TV-MPCC)的计算复杂性问题，提出了一种基于改进电压矢量选择和计算方法的低复杂度三矢量模型预测电流控制(LCTV-MPCC)方法。【方法】首先，基于前向欧拉法建立PMSM离散化电流预测模型，通过相邻有效电压矢量筛选方法确定三个候选矢量，缩小电压矢量选择范围。然后，计算价值函数以确定最优电压矢量组合，并计算出各自对应的虚拟作用时间。通过两个虚拟电压矢量及其作用时间合成期望电压矢量，根据虚拟电压矢量作用时间的大小关系，进一步确定合成期望电压矢量所需要的实际作用电压矢量及其作用时间。最后，按最小开关频率原则生成逆变器开关序列输出。【结果】为验证所提方法的有效性，通过仿真和试验进行对比分析。结果表明，所提LCTV-MPCC方法与TV-MPCC方法在稳态性能方面近似，两种控制方法的转速波动和电流波动基本一致；在计算效率方面，相较于TV-MPCC方法，所提LCTV-MPCC方法的单个周期平均计算时间由54.3 μs缩短至37.6 μs，减小了30.76%；电压矢量的迭代次数由6次缩减为3次，减少了50%，所提方法能够有效降低了传统控制方法的计算负担。【结论】本文所提LCTV-MPCC方法通过改变候选电压矢量集和实际电压矢量作用时间计算方法，有效解决了TV-MPCC方法计算复杂的问题，能够减少系统周期平均运行时间，同时固定开关频率，保持电机稳态控制性能不变。
《电机与控制应用》
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