特邀专栏：高性能永磁电机驱动与控制

特邀专栏

特邀专栏：高性能永磁电机驱动与控制

客座主编：王高林教授（哈尔滨工业大学）
客座编辑：郑泽东副教授（清华大学）张永昌教授（华北电力大学）赵楠楠博士（哈尔滨工业大学）

永磁电机系统具有高效率、高功率密度、高动态品质等优势，在国民经济发展和国防建设中发挥重要作用，是实现《中国制造2025》的重要动力基础。随着我国产业升级发展，永磁电机系统应用范围不断延伸与拓展，实际运行工况更为严苛，对其性能也提出了更加更高的要求。研究高性能永磁电机驱动控制技术具有重要的理论意义和应用价值，已成为电力驱动领域的研究热点，将为我国装备制造、电气化交通、机器人、工业传动、家用电器等领域提供重要技术支撑。近年来，为了突破永磁电机系统运行效率、适应性、动态品质、控制精度、工作寿命、成本等核心问题，我国相关研究机构对效率优化控制、无传感器控制、弱磁运行、脉宽调制、故障诊断及容错运行控制、无电解电容驱动控制、模型预测控制、智能控制、鲁棒控制、宽禁带功率器件应用等方面开展了大量的研究工作，丰富了永磁电机系统理论基础和关键技术体系，显著提升了我国的研究和应用水平，对推动我国电机系统产业持续升级具有重要意义。本专题将对我国学者对永磁电机驱动控制系统的最新研究进展进行研讨和展示，将为高校、研究机构、企业等相关科研人员提供参考。

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1. 序

电气工程学报 2021, 16 (4): 1-1. DOI: 10.11985/2021.04.001

摘要（236）

HTML （28）

PDF（pc）（1821KB）（124）

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2. 三相供电交流电机驱动系统无电解电容控制技术综述^*

丁大尉, 王高林, 张国强, 徐殿国

电气工程学报 2021, 16 (4): 2-11. DOI: 10.11985/2021.04.002

摘要（916）

HTML （86）

PDF（pc）（630KB）（1870）

随着永磁电机驱动控制技术的发展,系统可靠性、寿命和功率密度逐渐成为该领域关注的重点。三相供电交流电机无电解电容驱动系统具有体积小、寿命长、可靠性高的优点,是高品质电机驱动系统发展的重要方向之一。目前,交流电机无电解电容驱动系统已经在工业领域得到应用。围绕驱动系统稳定运行和机侧性能控制技术两方面,对交流电机无电解电容驱动系统的发展现状进行归纳和总结,指出现有方案的优缺点。最后,对交流电机无电解电容驱动系统目前亟需解决的难点问题和未来发展趋势进行总结和展望。

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3. 航空机电作动永磁同步电机自抗扰控制研究综述^*

刘春强, 骆光照, 涂文聪

电气工程学报 2021, 16 (4): 12-24. DOI: 10.11985/2021.04.003

摘要（787）

HTML （120）

PDF（pc）（559KB）（699）

永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor, PMSM)构成的机电作动系统在航空装备中具有广泛的应用,PMSM的转矩响应、稳态定位精度等指标直接影响着航空装备的性能。然而航空机电作动中存在电机本体参数摄动、载荷波动等扰动,为抑制扰动对驱动系统动静态指标的影响,PMSM自抗扰控制成为研究热点。以航空机电作动系统为背景,梳理机电作动中存在的多源扰动,对近年来自抗扰控制在PMSM高性能伺服中的研究成果进行总结,综述强抗扰反馈控制律、电流环抗扰控制策略、速度及位置环扰动观测器的研究现状。最后,归纳航空领域机电作动面临的研究难点及挑战,并对PMSM自抗扰控制的发展趋势进行展望。

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4. 四象限运行磁通切换永磁直线电机的MRAS无位置传感器控制^*

程明, 王飒飒, 王伟

电气工程学报 2021, 16 (4): 25-32. DOI: 10.11985/2021.04.004

摘要（521）

HTML （63）

PDF（pc）（3755KB）（328）

模块化磁通切换永磁直线电机(Liner flux-switching permanent magnet machines, LFSPM)的电枢绕组和永磁体均放置在初级短动子,次级长定子仅由导磁铁心组成,适合用于电梯等长距离轨道运输系统中。在电梯驱动系统中,上行时主要为电动运行,下行时在自重作用下常处于发电甚至制动运行,运行模式的交替变化给无位置传感器控制带来挑战。为此,基于LFSPM电机d-q轴数学模型,建立了LFSPM电机基于模型参考自适应法(Model reference adaptive system, MRAS)的无位置传感器控制系统,根据运行工况设计了混合控制策略。电梯上行时采用i_d=0控制,下行处于轻载制动发电状态,电压电流信号中基波含量占比小,进行增磁控制,利用i_d调节电压电流信号中基波占比来满足速度辨识的要求,实现LFSPM电机四象限无位置传感器控制。分析该无位置传感器控制系统的角位置估算误差原因,提出电流补偿方法。样机试验结果验证了所提混合控制策略的有效性。

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5. 内置式永磁同步电机的极宽调制低振噪设计^*

马琛, 吉敬华, 赵文祥, 刘童

电气工程学报 2021, 16 (4): 33-41. DOI: 10.11985/2021.04.005

摘要（670）

HTML （59）

PDF（pc）（2720KB）（433）

对于整数槽内置式永磁同步电机,槽数阶电磁力是零阶振动的主要来源。为实现电机的低振噪设计,采用极宽调制技术对电机转子进行修型,抑制齿数阶电磁力。首先,推导出72槽12极内置式永磁同步电机激振力的时空分布数学模型,分析72阶电磁力来源。然后,采用极宽调制技术优化72阶电磁力,并确定最终设计方案。最后,建立电机电磁-振动-噪声的多物理场仿真模型,对电机的电磁力、模态特征、振动响应和噪声辐射进行仿真分析。通过对比优化前和优化后电机的零阶振动和噪声,验证所提方法的有效性,为内置式永磁同步电机的低振噪设计提供新的方法。

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6. 电动汽车高性能永磁电机转矩脉动与电磁振动抑制方法研究^*

王道涵, 彭晨, 王秀和

电气工程学报 2021, 16 (4): 42-50. DOI: 10.11985/2021.04.006

摘要（642）

HTML （44）

PDF（pc）（2943KB）（317）

转矩脉动和电磁振动是制约内置式永磁同步电动机在电动汽车领域应用的两项重要因素,目前工程中通常采用定子斜槽或转子磁极分段方法对其进行抑制。对定子斜槽和转子磁极分段两种方法进行了全面的分析和对比,为高性能电动汽车永磁电机尤其是内置式永磁电机的转矩脉动和电磁振动抑制提供技术参考。通过有限元模型全面对比了两种电机的齿槽转矩、反电动势、电感参数、磁阻转矩、不同供电方式下瞬态转矩等多方面电磁性能;建立了电机的耦合多物理场模型,分别计算对比了激振力、模态频率和振动加速度响应等电磁振动属性。最后,分别制作了转子磁极分段电机和斜槽电机样机,进行了全面的电机试验,并与仿真结果进行了对比验证。结果表明,转子磁极分段电机在大负载大惯量的工况下能够达到与斜槽电机相近的力能品质,且对电磁振动具有较好的抑制效果。相比斜槽电机,转子磁极分段电机有助于降低电机加工的成本与难度,受轴向长度的制约较小。

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7. 基于直轴电压分析的PMSM逆变器死区补偿策略

于家文, 朱鹏程, 徐永向

电气工程学报 2021, 16 (4): 51-58. DOI: 10.11985/2021.04.007

摘要（569）

HTML （35）

PDF（pc）（755KB）（630）

死区效应会导致逆变器输出电压畸变,使永磁同步电机SVPWM控制的实际输出电压不等于给定的参考电压,降低控制性能。对永磁同步电机驱动系统中的逆变器死区效应进行分析和补偿,建立包含死区的逆变器输出电压数学模型,提出一种基于直轴电压分析的死区补偿策略,通过分析电压谐波在线辨识死区大小,然后根据数学模型进行前馈电压补偿。该方法无需添加硬件,且实现简单,仿真和试验表明该方法能够有效消除死区导致的电压、电流谐波。

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8. 位置伺服电机系统的鲁棒性模型预测控制

温从剑, 王政, 张子越

电气工程学报 2021, 16 (4): 59-67. DOI: 10.11985/2021.04.008

摘要（380）

HTML （41）

PDF（pc）（2589KB）（433）

为提高永磁同步电机位置伺服系统的控制性能,提出一种鲁棒性模型预测直接转速控制(Model predictive direct speed control, MPDSC)策略。首先,介绍一种将有限集MPDSC和两矢量MPDSC相结合的混合MPDSC策略。该控制策略可以在电机稳态和动态运行过程中进行切换。然后,基于滑模控制理论设计一个参数扰动和负载观测器,用于消除电气参数和机械参数不匹配以及负载扰动带来的影响。最后,通过试验对所提控制策略的有效性进行验证。

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9. 基于模型预测控制算法的永磁同步电机弱磁控制新策略

罗宇, 李政, 桂永麟, 柯栋梁, 潘先喜, 但志敏, 汪凤翔

电气工程学报 2021, 16 (4): 68-77. DOI: 10.11985/2021.04.009

摘要（642）

HTML （42）

PDF（pc）（4144KB）（498）

针对内嵌式永磁同步电机高速弱磁区域的电压极限椭圆约束及电流参数整定问题,提出一种基于有限集预测电流控制方法和实时电压反馈的混合弱磁控制策略。首先,采用有限集预测电流控制方法在最大转矩电流比和弱磁区域中进行转矩、转速、电流和角度的标定,解决传统复杂电流参数整定问题,提升标定数据的可靠性;其次,在预测电流采样控制方法基础上,结合实时电压反馈,设计弱磁区域的混合弱磁控制策略,避免电流环参数整定的同时,解决电压极限椭圆约束问题和实现高速运行。最后,通过仿真和试验验证了方法的有效性。

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10. 基于高频方波信号注入的永磁同步电机初始位置检测方法研究^*

呼子茗, 朱景伟, 王高林, 杨旭

电气工程学报 2021, 16 (4): 78-84. DOI: 10.11985/2021.04.010

摘要（579）

HTML （38）

PDF（pc）（1630KB）（293）

针对表贴式永磁同步电机,使用高频方波信号注入法,对其初始位置检测技术展开研究。对高频方波信号注入法和磁极辨别技术进行理论分析和公式推导,得到转子初始位置的表达式。利用Matlab/Simulink软件搭建永磁同步电机矢量控制系统和初始位置检测系统,仿真结果表明该方法可以准确获得转子初始位置信息,误差为0.05 rad。最后编写初始位置检测和磁极极性辨别的程序,在电机平台上进行硬件试验,试验结果表明该方法可以准确地获取转子的初始位置信息,误差为0.018 rad。

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11. 分布式电驱动系统永磁同步电机改进型反馈式弱磁控制策略研究^*

韩建斌, 张卓然, 黄健, 王晨, 杜亚辉

电气工程学报 2021, 16 (4): 85-92. DOI: 10.11985/2021.04.011

摘要（468）

HTML （33）

PDF（pc）（1938KB）（443）

以分布式电驱动系统的表贴式永磁同步电机为研究对象,对满足高转矩输出和宽转速范围下的电机转矩特性进行分析,对比传统前馈弱磁和反馈式弱磁控制策略的优缺点,提出一种易于工程化实现的带深度前馈的改进型反馈式弱磁控制策略,详细阐述其工作原理,并给出其前馈分量和反馈分量的具体计算方法,并通过推导其闭环传递函数对电流环稳定性进行分析,最后对所提控制策略的控制性能进行仿真验证。所提出的改进型反馈式弱磁控制策略在效率、控制精度和工程化实现方面具有显著的优势。

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12. 基于滑动平均滤波的永磁电机无位置传感器控制策略^*

张开继, 张国强, 李宇欣, 王高林, 徐殿国

电气工程学报 2021, 16 (4): 93-100. DOI: 10.11985/2021.04.012

摘要（470）

HTML （34）

PDF（pc）（2859KB）（488）

永磁同步电机无传感器控制能够显著提高驱动系统的鲁棒性和可靠性,并降低成本。针对基于高频信号注入无传感器控制中滤波环节导致系统性能降低的问题,提出一种基于滑动平均滤波的无传感器控制策略。在分析高频信号处理环节对电流环及转子位置观测性能影响基础上,进而提出一种基于滑动平均滤波的无传感器控制方法。该方法利用滑动平均滤波代替电流环中反馈通路上以及位置误差获取环节的传统滤波器,提高了无传感器系统控制性能。试验结果表明,该方法可减少反馈电流谐波含量,有效提升系统带宽;同时可有效提取高频电流,改善位置观测动态性能。

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13. 基于转子电流模型参考自适应的双馈电机无位置传感器预测功率控制

张晟铵, 张永昌, 焦健, 蒋涛

电气工程学报 2021, 16 (4): 101-107. DOI: 10.11985/2021.04.013

摘要（385）

HTML （35）

PDF（pc）（2721KB）（438）

双馈电机以其变流器功率小、有功无功控制灵活、能量双向流动等优点在风力发电系统中得到了广泛应用。现有的矢量控制需要对多个PI系数进行整定,还需要安装位置传感器来获得转子位置和转速,在增大电机体积和成本的同时降低了系统的可靠性。为此,提出一种无需PI整定和安装位置传感器的新型解决方案。首先,在解析推导定子侧复功率微分的基础上,基于功率无差拍控制的思想直接计算得到转子侧的电压参考值,无需任何控制器整定工作。其次,通过比较实测转子电流和基于定子磁链电流模型的估计转子电流,构造了基于转子电流模型参考自适应的位置估计方法,从而实现了无位置传感器控制。试验结果表明,所提出的方法在次同步、超同步和功率阶跃等各种工况下都能够较好地跟踪实际位置和转速,并且具有优异的稳态性能和快速的动态响应,为双馈电机风力发电系统提供了一种低成本、高性能、易于应用的解决方案。

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14. 非正弦反电势五相永磁同步电机容错矢量控制^*

周长攀, 刘海峰, 景国秀, 孙向东, 刘坛, 史奔奔

电气工程学报 2021, 16 (4): 108-119. DOI: 10.11985/2021.04.014

摘要（403）

HTML （65）

PDF（pc）（4881KB）（329）

多相永磁同步电机驱动系统具有较强的容错运行能力。以非正弦反电动势五相永磁同步电机为研究对象,在缺一相故障下,通过降阶变换矩阵,分别构建基波和三次谐波空间同步坐标系下的转矩方程;同时,为消除故障后产生的二、四次转矩脉动,分析三次谐波电流注入率选取的方法,并根据最小铜耗及最大转矩原则对参考电流进行优化;针对传统PI控制器无法对交流参考电流进行精确跟踪的问题,在PI控制基础上,设计准比例谐振(Quasi-proportional resonance,QPR) +PI控制器来对同步坐标系下交流参考电流进行精确跟踪。仿真和试验结果表明,转矩脉动得到了有效抑制,并且QPR+PI控制器实现了对交流电流信号的精确跟踪。

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15. 基于高频方波电压注入法和改进龙伯格观测器的永磁同步电机转速估计的研究^*

巫庆辉, 黄成鑫, 侯元祥

电气工程学报 2021, 16 (4): 120-126. DOI: 10.11985/2021.04.015

摘要（451）

HTML （10）

PDF（pc）（661KB）（489）

针对传统矢量控制方法难以获得精确的转子位置和转速的问题,提出一种基于高频方波注入法和改进龙伯格观测器的永磁同步电机的转速研究方法。因高阶系统稳定性较差,微机控制难度较高,并且由于高阶的传递函数中参数对电机参数和控制器参数的依赖性较大,因此很难对于永磁同步电机具有通用的控制性能。为解决上述问题,将龙伯格观测器中的电磁转矩前馈项替换为一个由速度指令组成的二阶系统,并用最小二乘法得到该二阶系统。仿真结果表明,改进方案在负载扰动下具有更好的跟踪精度和鲁棒性。

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