2026年第53卷第2期文章目次
2026, 53(2):110-116.
DOI: 10.12177/emca.2026.120
摘要:
【目的】针对大功率双馈风电变流器三电平拓扑在低频工况下因半周期调制引发的功率器件结温波动与寿命衰减问题，本文提出了一种基于运行状态感知与性能优化的三电平有源中性点钳位(ANPC)/中性点钳位(NPC)切换运行控制方法。【方法】采用频率自适应的动态拓扑切换技术，高频段启用ANPC拓扑以降低开关损耗，低频段切换至NPC拓扑抑制二极管导通损耗，结合高精度仿真与实物平台验证。【结果】试验结果表明，所提控制方法在双馈三电平变流器运行过程中表现出显著优势，尤其在二极管结温波动抑制方面效果突出。根据转子频率动态匹配最优拓扑结构，变流器功率器件的损耗分布更趋合理，二极管结温在宽频率范围内的波动幅度得到有效降低。【结论】所提方法兼顾了系统控制性能与器件可靠性，为双馈三电平变流器低频控制策略设计提供了新的适用性方法。
【目的】针对大功率双馈风电变流器三电平拓扑在低频工况下因半周期调制引发的功率器件结温波动与寿命衰减问题，本文提出了一种基于运行状态感知与性能优化的三电平有源中性点钳位(ANPC)/中性点钳位(NPC)切换运行控制方法。【方法】采用频率自适应的动态拓扑切换技术，高频段启用ANPC拓扑以降低开关损耗，低频段切换至NPC拓扑抑制二极管导通损耗，结合高精度仿真与实物平台验证。【结果】试验结果表明，所提控制方法在双馈三电平变流器运行过程中表现出显著优势，尤其在二极管结温波动抑制方面效果突出。根据转子频率动态匹配最优拓扑结构，变流器功率器件的损耗分布更趋合理，二极管结温在宽频率范围内的波动幅度得到有效降低。【结论】所提方法兼顾了系统控制性能与器件可靠性，为双馈三电平变流器低频控制策略设计提供了新的适用性方法。
2026, 53(2):117-128.
DOI: 10.12177/emca.2026.116
摘要:
【目的】为提高永磁同步电机(PMSM)控制系统的性能，针对不同应用场景选择合适的电流控制策略至关重要。本文围绕基于滞环电流控制(HCC)、比例积分(PI)控制、滑模控制(SMC)的矢量控制，以及模型预测电流控制(MPCC)和无差拍电流控制(DBCC)五种电流控制策略进行对比研究，旨在揭示不同控制策略在不同工况下的性能差异，为实际应用中的策略选择提供依据。【方法】本文采用仿真与试验相结合的研究方法，基于Matlab/Simulink构建了不同控制策略下PMSM系统的离散化仿真模型，通过设置不同负载、转速及控制参数，评估各种策略的动态响应和稳态精度。同时，搭建电机对拖试验平台，在相同工况下进行试验，对比分析仿真与实测的电流、转速波形，验证控制策略的实际性能。【结果】仿真和试验结果表明，采用空间矢量调制的DBCC策略性能更优。HCC和MPCC施加电压矢量作用整个采样周期，产生较大的电流脉动。DBCC实时性最好，HCC次之，PI控制和SMC两者基本相当，MPCC实时性最差。当负载突变时，HCC转速跌落最小，其余四种控制策略转速跌落基本相当。MPCC恢复时间最短，HCC次之，另外三种控制策略基本相当。【结论】综合比较上述电流控制策略的控制性能和实时性能，PMSM的DBCC性能与实时性均较好。
【目的】为提高永磁同步电机(PMSM)控制系统的性能，针对不同应用场景选择合适的电流控制策略至关重要。本文围绕基于滞环电流控制(HCC)、比例积分(PI)控制、滑模控制(SMC)的矢量控制，以及模型预测电流控制(MPCC)和无差拍电流控制(DBCC)五种电流控制策略进行对比研究，旨在揭示不同控制策略在不同工况下的性能差异，为实际应用中的策略选择提供依据。【方法】本文采用仿真与试验相结合的研究方法，基于Matlab/Simulink构建了不同控制策略下PMSM系统的离散化仿真模型，通过设置不同负载、转速及控制参数，评估各种策略的动态响应和稳态精度。同时，搭建电机对拖试验平台，在相同工况下进行试验，对比分析仿真与实测的电流、转速波形，验证控制策略的实际性能。【结果】仿真和试验结果表明，采用空间矢量调制的DBCC策略性能更优。HCC和MPCC施加电压矢量作用整个采样周期，产生较大的电流脉动。DBCC实时性最好，HCC次之，PI控制和SMC两者基本相当，MPCC实时性最差。当负载突变时，HCC转速跌落最小，其余四种控制策略转速跌落基本相当。MPCC恢复时间最短，HCC次之，另外三种控制策略基本相当。【结论】综合比较上述电流控制策略的控制性能和实时性能，PMSM的DBCC性能与实时性均较好。
2026, 53(2):129-138.
DOI: 10.12177/emca.2026.125
摘要:
【目的】针对采用电感-电容-陷波(LCT)高阶滤波型永磁同步电机(PMSM)电流难以直接检测的问题，本文提出了一种基于扩张状态观测器(ESO)与龙伯格状态观测器(LSO)的电流级联观测方法。【方法】本文所提新型ESO级联方法仅需逆变器侧电流信号，通过LSO获取系统中间状态，并利用ESO实时估计与补偿扰动，实现电机电流的高精度观测。【结果】试验结果表明，在额定工况下，本文所提新型ESO级联方法相比于传统LSO，电机电流观测误差降低3.2%。【结论】本文所提方法能够实现高阶滤波型PMSM电流的高精度观测，且无需额外传感器和硬件改动，有效降低了系统复杂度和成本。
【目的】针对采用电感-电容-陷波(LCT)高阶滤波型永磁同步电机(PMSM)电流难以直接检测的问题，本文提出了一种基于扩张状态观测器(ESO)与龙伯格状态观测器(LSO)的电流级联观测方法。【方法】本文所提新型ESO级联方法仅需逆变器侧电流信号，通过LSO获取系统中间状态，并利用ESO实时估计与补偿扰动，实现电机电流的高精度观测。【结果】试验结果表明，在额定工况下，本文所提新型ESO级联方法相比于传统LSO，电机电流观测误差降低3.2%。【结论】本文所提方法能够实现高阶滤波型PMSM电流的高精度观测，且无需额外传感器和硬件改动，有效降低了系统复杂度和成本。
2026, 53(2):139-147.
DOI: 10.12177/emca.2026.124
摘要:
【目的】双转子轴向磁通永磁同步电机(AFPMSM)凭借其转矩密度高、结构紧凑等优势，在汽车轮毂、风力发电等领域备受关注。然而，传统表贴式永磁电机电感小，弱磁能力差。针对这一问题，本文提出一种面向8极48槽无定子轭AFPMSM的综合优化设计。【方法】通过d轴磁桥设计，在保持高转矩密度基础上，拓宽无定子轭AFPMSM的恒功率调速范围。深入分析影响弱磁性能的主要结构参数，以此确定优化变量。为显著提升优化效率，将三维有限元模型转换为二维等效模型，并进行多目标优化，验证等效结果的准确性。【结果】仿真结果表明，无定子轭AFPMSM输出转矩为96.2 N·m，恒功率调速范围达到5∶1。【结论】本文所提电机设计在满足高转矩密度需求前提下，有效拓宽了恒功率调速范围。
【目的】双转子轴向磁通永磁同步电机(AFPMSM)凭借其转矩密度高、结构紧凑等优势，在汽车轮毂、风力发电等领域备受关注。然而，传统表贴式永磁电机电感小，弱磁能力差。针对这一问题，本文提出一种面向8极48槽无定子轭AFPMSM的综合优化设计。【方法】通过d轴磁桥设计，在保持高转矩密度基础上，拓宽无定子轭AFPMSM的恒功率调速范围。深入分析影响弱磁性能的主要结构参数，以此确定优化变量。为显著提升优化效率，将三维有限元模型转换为二维等效模型，并进行多目标优化，验证等效结果的准确性。【结果】仿真结果表明，无定子轭AFPMSM输出转矩为96.2 N·m，恒功率调速范围达到5∶1。【结论】本文所提电机设计在满足高转矩密度需求前提下，有效拓宽了恒功率调速范围。
2026, 53(2):148-157.
DOI: 10.12177/emca.2026.127
摘要:
【目的】针对航空用大型传动部件对其转矩密度、运行效率和可靠性有较高的要求，以及传统机械齿轮存在易磨损、无过载保护及维护成本高等问题，本文设计了一种大型磁场调制式齿轮。【方法】通过对航空用大型磁场调制式齿轮的结构特点与设计指标要求进行深入剖析，尽可能增加转矩传递密度，同时兼顾工作效率、转矩波动等性能。采用非线性约束遗传算法进行多目标优化设计。基于优化后的电磁设计方案，利用有限元法分析其电磁特性、关键部件的应力分布特性以及运行时的温升情况。【结果】多物理场分析结果表明，本文设计的磁场调制式齿轮输出功率可达500 kW且运行平稳，效率达96.17%，叠压制成的调磁块以及永磁体叠片可以有效降低铁耗。在稳定运行状态下，采用碳纤维作为转子绑扎套的关键部件应力满足强度要求，各部件温度均未超过材料许用温度。【结论】分析结果验证了该设计的合理性与可行性，为航空用大型磁场调制式齿轮的设计和应用提供了理论依据，具有一定的工程参考价值。
【目的】针对航空用大型传动部件对其转矩密度、运行效率和可靠性有较高的要求，以及传统机械齿轮存在易磨损、无过载保护及维护成本高等问题，本文设计了一种大型磁场调制式齿轮。【方法】通过对航空用大型磁场调制式齿轮的结构特点与设计指标要求进行深入剖析，尽可能增加转矩传递密度，同时兼顾工作效率、转矩波动等性能。采用非线性约束遗传算法进行多目标优化设计。基于优化后的电磁设计方案，利用有限元法分析其电磁特性、关键部件的应力分布特性以及运行时的温升情况。【结果】多物理场分析结果表明，本文设计的磁场调制式齿轮输出功率可达500 kW且运行平稳，效率达96.17%，叠压制成的调磁块以及永磁体叠片可以有效降低铁耗。在稳定运行状态下，采用碳纤维作为转子绑扎套的关键部件应力满足强度要求，各部件温度均未超过材料许用温度。【结论】分析结果验证了该设计的合理性与可行性，为航空用大型磁场调制式齿轮的设计和应用提供了理论依据，具有一定的工程参考价值。
2026(2):158-167.
DOI: 10.12177/emca.2026.126
摘要:
【目的】解决单输入多输出无线电能传输(SIMO-WPT)系统在多负载电压约束下全局效率优化难题。【方法】本文构建了包含线圈损耗、二极管损耗的全链路传输效率模型，分析了发射侧移相与接收侧Buck-Boost的控制机制，提出了一种遗传—内点协同优化算法。该算法结合了遗传算法的全局寻优和内点法的快速收敛，避免了局部最优和初始点敏感问题。【结果】仿真与实物试验结果表明，本文所提遗传—内点协同优化算法相较于传统方案寻优速度更快，且严格收敛于全局效率最优点。【结论】本文所建效率模型覆盖WPT系统关键损耗环节，能适配不同负载数量、电压约束及线圈参数场景，具备较强推广价值。本文所提遗传—内点协同优化算法有效解决了负载电压约束下SIMO-WPT系统的全局高效优化难题，为同类WPT系统的效率设计提供了可行参考。
【目的】解决单输入多输出无线电能传输(SIMO-WPT)系统在多负载电压约束下全局效率优化难题。【方法】本文构建了包含线圈损耗、二极管损耗的全链路传输效率模型，分析了发射侧移相与接收侧Buck-Boost的控制机制，提出了一种遗传—内点协同优化算法。该算法结合了遗传算法的全局寻优和内点法的快速收敛，避免了局部最优和初始点敏感问题。【结果】仿真与实物试验结果表明，本文所提遗传—内点协同优化算法相较于传统方案寻优速度更快，且严格收敛于全局效率最优点。【结论】本文所建效率模型覆盖WPT系统关键损耗环节，能适配不同负载数量、电压约束及线圈参数场景，具备较强推广价值。本文所提遗传—内点协同优化算法有效解决了负载电压约束下SIMO-WPT系统的全局高效优化难题，为同类WPT系统的效率设计提供了可行参考。
2026, 53(2):168-177.
DOI: 10.12177/emca.2026.123
摘要:
【目的】针对具有外部扰动力矩的双电机伺服系统，提出一种基于有限时间扰动观测器的终端滑模控制(TSMC)策略，旨在提升系统在复杂工况下的动态响应品质、鲁棒性及双电机间的协同运动精度。【方法】首先，设计有限时间扰动观测器，快速精确估计外部扰动，确保观测误差有限时间收敛。其次，构建非奇异终端滑模面，避免奇异性问题，增强系统抗干扰能力。然后，引入同步反馈与优化趋近律，抑制抖振，确保双电机高精度同步。最后，基于Matlab/Simulink仿真平台，对比分析了本文所提TSMC策略与积分滑模控制策略的性能。【结果】结果表明，本文所提TSMC策略在系统负载跟踪性能、轨迹跟踪误差及双电机同步误差性能指标上均展现出显著优势。【结论】本文所提TSMC策略在理论上保证了系统的有限时间稳定性，在实践中展现出抗干扰强、响应快及同步精的显著优势。该成果为高性能双电机伺服系统在复杂扰动和高精度场景下的控制，提供了有效的解决方案。
【目的】针对具有外部扰动力矩的双电机伺服系统，提出一种基于有限时间扰动观测器的终端滑模控制(TSMC)策略，旨在提升系统在复杂工况下的动态响应品质、鲁棒性及双电机间的协同运动精度。【方法】首先，设计有限时间扰动观测器，快速精确估计外部扰动，确保观测误差有限时间收敛。其次，构建非奇异终端滑模面，避免奇异性问题，增强系统抗干扰能力。然后，引入同步反馈与优化趋近律，抑制抖振，确保双电机高精度同步。最后，基于Matlab/Simulink仿真平台，对比分析了本文所提TSMC策略与积分滑模控制策略的性能。【结果】结果表明，本文所提TSMC策略在系统负载跟踪性能、轨迹跟踪误差及双电机同步误差性能指标上均展现出显著优势。【结论】本文所提TSMC策略在理论上保证了系统的有限时间稳定性，在实践中展现出抗干扰强、响应快及同步精的显著优势。该成果为高性能双电机伺服系统在复杂扰动和高精度场景下的控制，提供了有效的解决方案。
2026, 53(2):178-187.
DOI: 10.12177/emca.2026.117
摘要:
【目的】自励磁同步电机(SESM)结构简单、成本低，通过基波电流和高频正弦电流共同励磁。但高频电流会引入高次谐波，导致定子与转子磁场相互作用，产生径向电磁力，引发电机振动和形变，进而生成令人不适的高频电磁噪声。【方法】针对高频正弦电流励磁引发的电磁噪声问题，本文提出一种高频方波注入励磁策略。该策略利用方波低载波比特性，将注入频率提升至人耳敏感频段(1~5 kHz)外，有效降低噪声影响。首先，通过功率谱密度分析高频正弦电流的噪声特性；其次，提出方波策略并分析其响应电流的频谱；最后，基于磁动势理论验证策略，并在自励磁电机平台上进行试验。【结果】试验结果表明:与传统励磁策略相比，本文所提高频方波励磁策略在保证相同励磁效果的前提下，能将人耳敏感频段内的功率谱密度降低51.86 dB/Hz，显著削弱噪声影响。【结论】本文所提高频方波励磁策略可有效降低人耳敏感频段内的电磁噪声，解决了传统励磁策略电磁噪声过大的问题，为SESM提供了可靠低噪声的控制方案。
【目的】自励磁同步电机(SESM)结构简单、成本低，通过基波电流和高频正弦电流共同励磁。但高频电流会引入高次谐波，导致定子与转子磁场相互作用，产生径向电磁力，引发电机振动和形变，进而生成令人不适的高频电磁噪声。【方法】针对高频正弦电流励磁引发的电磁噪声问题，本文提出一种高频方波注入励磁策略。该策略利用方波低载波比特性，将注入频率提升至人耳敏感频段(1~5 kHz)外，有效降低噪声影响。首先，通过功率谱密度分析高频正弦电流的噪声特性；其次，提出方波策略并分析其响应电流的频谱；最后，基于磁动势理论验证策略，并在自励磁电机平台上进行试验。【结果】试验结果表明:与传统励磁策略相比，本文所提高频方波励磁策略在保证相同励磁效果的前提下，能将人耳敏感频段内的功率谱密度降低51.86 dB/Hz，显著削弱噪声影响。【结论】本文所提高频方波励磁策略可有效降低人耳敏感频段内的电磁噪声，解决了传统励磁策略电磁噪声过大的问题，为SESM提供了可靠低噪声的控制方案。
2026(2):188-198.
DOI: 10.12177/emca.2026.121
摘要:
【目的】屏蔽式永磁同步电机(CPMSM)因其高功率密度、高效率和动态性能优异等特点，被广泛应用于化工、核能及医疗等关键领域。然而，批量生产永磁体性能差异对电机长期稳定性的影响研究不足。因此，本文旨在分析永磁体差异对CPMSM性能的影响，并揭示其多物理场耦合机理。【方法】首先，提出一种基于负载反电动势的永磁体磁性能实时检测方法，无需额外传感器即可实现装机后动态监测。然后，利用有限元模型分析了永磁体性能差异对CPMSM电磁场、温度场和屏蔽套热应力及其形变的影响。最后，通过试验验证所提方法的性能。【结果】结果表明，永磁体等级为N38的电机与N30相比，功率因数相差2.56%，效率相差1.76%，绕组温度相差5 ℃，机壳温度相差5.82 ℃。【结论】永磁体磁性能下降会导致电机指标非线性恶化，且性能差异仅与永磁体数量相关，与分布无关。该研究为CPMSM的优化设计、永磁体偏差影响评估及严苛环境下的可靠性提升提供了理论参考。
【目的】屏蔽式永磁同步电机(CPMSM)因其高功率密度、高效率和动态性能优异等特点，被广泛应用于化工、核能及医疗等关键领域。然而，批量生产永磁体性能差异对电机长期稳定性的影响研究不足。因此，本文旨在分析永磁体差异对CPMSM性能的影响，并揭示其多物理场耦合机理。【方法】首先，提出一种基于负载反电动势的永磁体磁性能实时检测方法，无需额外传感器即可实现装机后动态监测。然后，利用有限元模型分析了永磁体性能差异对CPMSM电磁场、温度场和屏蔽套热应力及其形变的影响。最后，通过试验验证所提方法的性能。【结果】结果表明，永磁体等级为N38的电机与N30相比，功率因数相差2.56%，效率相差1.76%，绕组温度相差5 ℃，机壳温度相差5.82 ℃。【结论】永磁体磁性能下降会导致电机指标非线性恶化，且性能差异仅与永磁体数量相关，与分布无关。该研究为CPMSM的优化设计、永磁体偏差影响评估及严苛环境下的可靠性提升提供了理论参考。
2026, 53(2):199-211.
DOI: 10.12177/emca.2026.119
摘要:
【目的】内置式永磁同步电机(IPMSM)在位置伺服领域的应用中，转子初始位置的精确检测是保障绝对位置控制精度的前提。然而，传统无位置传感器控制算法普遍面临启动位置受限于特殊点位和预定位过程中产生机械角度偏转的问题。【方法】针对上述问题，本文提出一种IPMSM无预定位初始机械角度辨识策略。首先，建立自传感拓扑IPMSM的电感数学模型，分析自传感IPMSM电感机械基频特性。其次，推导线间注入高频响应电流后数学模型，借助高频响应电流与转子初始机械角度的关联，实现转子机械角度初始位置检测。最后，在自传感IPMSM试验平台对所提策略进行验证。【结果】试验结果表明，与传统策略相比，所提控制策略无需多次预定位，即可实现四个扇区下任意位置辨识。【结论】所提方案解决了传统方法启动和预定位行程限制，为IPMSM的无预定位启动提供了更优的解决方案。
【目的】内置式永磁同步电机(IPMSM)在位置伺服领域的应用中，转子初始位置的精确检测是保障绝对位置控制精度的前提。然而，传统无位置传感器控制算法普遍面临启动位置受限于特殊点位和预定位过程中产生机械角度偏转的问题。【方法】针对上述问题，本文提出一种IPMSM无预定位初始机械角度辨识策略。首先，建立自传感拓扑IPMSM的电感数学模型，分析自传感IPMSM电感机械基频特性。其次，推导线间注入高频响应电流后数学模型，借助高频响应电流与转子初始机械角度的关联，实现转子机械角度初始位置检测。最后，在自传感IPMSM试验平台对所提策略进行验证。【结果】试验结果表明，与传统策略相比，所提控制策略无需多次预定位，即可实现四个扇区下任意位置辨识。【结论】所提方案解决了传统方法启动和预定位行程限制，为IPMSM的无预定位启动提供了更优的解决方案。
《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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