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关键词： 氮化硅   陶瓷封装   IGBT   寄生参数   热设计  

摘要： 近年来功率半导体器件的开关频率和功率密度虽然大大提高,但是在实际应用中面临两大关键难题:一是超高的功率密度带来了严峻的散热考验,二是超高的开关频率要求器件封装结构的寄生参数非常小。本文以上述问题为出发点,提出了一种IGBT器件的氮化硅陶瓷封装结构,采用模拟仿真和实物实验相结合的方法,在参数优化、耐压和散热能力、寄生参数等方面进行了深入研究。主要内容如下: （1）模拟仿真设计了氮化硅陶瓷封装的IGBT器件,介绍了IGBT陶瓷封装结构与电学特性,对氮化硅陶瓷基板的耐压能力进行设计和优化,研究了不同芯片尺寸和不同基板层厚度对氮化硅陶瓷封装内部的电场分布的影响,分析了陶瓷基板的耐压规律,将氮化硅陶瓷基板和传统氧化铝陶瓷基板进行对比证明了氮化硅陶瓷封装结构的耐压能力高于传统的氧化铝陶瓷封装结构。对氮化硅陶瓷基板的散热能力进行设计和优化,分析了不同功率、不同尺寸的芯片和不同基板层厚度对封装散热能力的影响,研究了不同温度对IGBT器件输出特性和转移特性影响的作用机理。对氮化硅陶瓷封装寄生电学参数进行了分析和优化,探究了不同寄生参数下IGBT的退化规律。对氮化硅陶瓷封装与传统氧化铝陶瓷封装进行了性能对比,证明了采用氮化硅陶瓷封装结构可以大大提高IGBT的电学性能。 （2）开展了基于氮化硅陶瓷封装的IGBT器件制备及测试的相关研究,介绍了封装结构的制备工艺过程,制作了氮化硅陶瓷封装的IGBT器件实物。测试了氮化硅陶瓷封装的导通特性,陶瓷封装的IGBT阈值电压5.75 V,当Vge=10 V,Vce=5 V时,集电极电流可达24.9 A,与仿真结果接近。接着对氮化硅陶瓷封装测试了耐压能力,IGBT器件的击穿电压1200.31 V,氮化硅陶瓷基板的耐压值高于3500 V,符合预期结果。测试了氮化硅陶瓷封装的散热能力,陶瓷基板的热阻不高于0.05 K/W,具有良好的散热能力,同时,验证了模拟仿真的正确性。最后对氮化硅陶瓷封装结构的IGBT器件样品进行了寄生参数的频率特性测试,验证了氮化硅陶瓷封装结构具有符合IGBT要求的寄生参数。

关键词： 绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)   微流道   散热仿真   均温性  

摘要： 随着半导体行业的快速发展,电子产品的功率等级和集成度随之提升,其散热的需求亦随之提高。IGBT模块作为新能源汽车电控部分中逆变器的核心器件,其内部芯片的散热性能和均温性能的研究关乎新能源汽车安全行驶的长期稳定性。芯片热源的高热流密度使得传统的风冷散热的散热效果不够理想,而微流道液冷散热可以更好地带走IGBT模块产生的热量。本文以IGBT半桥模块为研究目标,并使用模拟热源来代替IGBT内部的发热芯片,从设计、仿真、实验、优化四个方面着手对微流道进行设计。 本文研究IGBT半桥模块的铜基板与微流道散热结构集成后整体的散热性能和均温能力。模块集成微流道冷头后可以进行直接水冷散热,相较于间接水冷散热,其传热路径更短热阻减小,散热性能提升同时总体体积减小。 本文主要工作如下:首先,通过拆解IGBT半桥模块,并使用IPOSIM计算IGBT模块内各个芯片的损耗。结合模块内芯片的布局和发热特点,使用ANSYS的ICEPAK进行建模仿真,在换热面积、重量、换热上限和均温性方面对比横纵两种肋片朝向的微流道结构的优劣。设计了一种满足IGBT模块散热需求且均温性好的直接水冷散热结构,3进3出的纵向矩形微流道。3个独立的流体区域改善了模块的均温性,中板和铲齿板的焊接处理降低了板间的界面热阻,而在散热器底部用透明的亚克力板做开窗处理可以观测到内部的液体流动情况同时方便了微流道的定期清理。 其次,委托CNC加工实物,简化实验平台并做实验仿真双向验证,发现仿真和实验的最大相对误差不超过6%且满足热设计需求,即仿真的热参数及设计的散热结构是合理的。 最后,结合ANSYS的Static Structural进行热力耦合仿真,分析单向流对模块热应力分布的影响。设计了一种通过外接电路控制微流道液体流向的模型并做可行性验证,改善了模块在时间上温度的均匀性,提高了模块的使用寿命。仿真和实验的结果表明,IGBT模块的直接水冷散热采用微流道结构有较好的应用前景。

关键词： 永磁同步电机   矢量控制   谐振优化   谐波优化   控制效率  

摘要： 永磁同步电机作为新能源汽车最重要的动力来源,其运行特性决定了车辆在动力、能耗、安全等方面的性能。由于车辆行驶工况较为复杂,增大了永磁同步电机驱动系统控制调节难度。现阶段,在电机控制领域的研究主要聚焦于如何提升电机的控制效率及运行性能。本文为了达到对永磁同步电机控制效率提升的目的,研究了基于电驱动系统谐振以及谐波的抑制控制算法,同时结合电机定子电流寻优搜索算法改进控制器,实现了对永磁同步电机转速、转矩以及定子电流的实时调控与优化。并通过一系列的工况试验验证的所提算法策略的有效性和准确性。具体研究内容如下: 首先,针对永磁同步电机的控制策略进行优化,研究发现通过设定d轴参考电流为零可以简化控制模型,进而利用磁场定向控制(FOC)策略来实现驱动系统效率优化。此举能够降低永磁同步电机的损耗,增强其性能,并在FOC策略的辅助下,进一步优化转速和转矩,提高电机系统的整体效能。 其次,为解决车辆系统中永磁同步电机转速波动的隐患,本研究提出了一种主动阻尼技术,通过注入转矩分量的方式对高通滤波器提取的转速波动进行补偿。通过对整车弹性部件的简化,建立了汽车二质量系统模型,通过分析该系统传递函数以及各频段的谐振分量,利用陷波滤波器和系统转速环级联,实现对系统因谐振导致的转速波动量的提取,从而优化了二质量系统的谐振表现,使电机运行更加平稳。但是由于系统所选用的陷波滤波器需要实时的获取系统的谐振频率,影响电机运行效率,所以采用高通滤波器替代陷波滤波器来构建系统主动阻尼模块。同时基于一系列的仿真试验验证了基于系统二质量模型搭建的主动阻尼模块对永磁同步电机转速波动的抑制作用。 然后,针对永磁同步电机在运行时电流中包含的高次谐波导致电机的转矩出现脉动的问题,本研究基于一种改进的NCPSO定子参数辨识算法结合系统谐波提取抑制模块,搭建了一个利用系统谐波注入的方法自适应抑制系统5、7次谐波控制模块,通过对系统电流的高次谐波进行提取,利用注入对应频率的电流谐波来抑制提取谐波电流的产生,增强电机稳定性的同时降低电机产生的电流畸形波以及高次谐波电流导致的能量损耗。系统中NCPSO模块能够准确获取电机在各工况运行条件下的定子参数,实时的反馈给电机控制器,实现电机精准调控的高效运行。最后仿真测试确认了此自适应策略的工作效能,能有效减少转速和转矩波动,提高电机运行的平稳性和效率。 最后,为提升永磁同步电机性能,研究采用了改进的排斥分布式PSO(AR-DPSO)算法,以改善搜索控制策略。在非稳定状态下,更有效地实现了永磁同步电机的最优d轴电流运行。基于搭建的整车控制模型仿真测试显示,AR-DPSO算法适应性强,在多种工况下均能增强永磁同步电机的效率。

关键词： 绝缘栅双极型晶体管   EMI噪声抑制技术   折中关系   新型器件结构  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGate Bipolar Transistor,IGBT）集成了MOS器件与三极管器件结构上的优点,自其发明以来一直是功率半导体领域的重要研究对象,在电力电子系统中发挥着重要作用。IGBT作为开关使用的应用场景要求器件具备更低的导通压降与更快的开关速度,同时具备良好的鲁棒性,以避免特殊工况下器件失效。然而,随着应用环境日趋复杂,电力电子设备在实时运行时伴随着电磁能量转换,作为处理高压大电流的功率级器件,IGBT在高速开关过程中会产生极高的dI/dt与dV/dt,耦合在系统回路的寄生电感与电容上,或是在空间内产生电磁波,均会导致对系统其他敏感部件产生强烈的电磁干扰（Electromagnetic Interference,EMI）。因此,对于如何能够在高速开关瞬态下实现更低的EMI噪声,本文开展了IGBT器件噪声抑制技术相关的研究。包括理论及机理研究、相应的噪声抑制技术在新型结构上的应用及改进结构的流片验证,主要内容如下: （1）提出基于等效电容网络、载流子输运行为及降低开关损耗的EMI噪声抑制关键技术三项。 针对IGBT器件开关过程中的高dI/dt与dV/dt时段进行分析,明晰高EMI噪声的产生对应器件内部的物理机制,厘清多个瞬态参数之间的联系及对EMI噪声的敏感性,通过时域、频域的对照分析,建立了从器件结构参数变化,对应器件瞬态行为变化,到EMI噪声频谱变化的分析流程。之后,结合IGBT本身的MOS寄生结构提出了基于器件整体电容优化的EMI抑制技术,通过Cres/Cies比值调节EMI相关的dICE/dtmax及dVKA/dtmax与Eon的折中关系;结合IGBT器件寄生三极管结构,即开关瞬态器件内部空穴载流子输运特性,一方面通过等效电容网络模型的建立,明晰传导通路函数f(CGE/COXS)对位移电流抑制的关键作用并提出分布电容优化技术,另一方面,考虑在瞬态过程中降低dVA/dt大小,通过优化器件内部横向电场分布,抑制空穴载流子在电场作用下聚集在栅极附近的现象,提出了基于载流子输运行为的优化技术;最后对IGBT器件EMI噪声评估折中关系中的开关功耗进行优化,通过优化器件电容以及开关瞬态电流路径的方式减小器件的瞬态功耗。综上所述,提出了基于等效电容网络、载流子输运行为、降低开关损耗的IGBT器件EMI噪声抑制关键技术三项,以指导后续新型器件结构的开发及流片设计。 （2）提出基于栅极工程的低EMI噪声IGBT结构。 基于EMI噪声抑制关键技术中的分布电容、载流子输运行为及器件开关功耗优化技术,提出一种具有N-P-N三层堆叠栅结构的PG IGBT器件。通过其栅极内部电容在器件不同工况下的自适应变化,优化了器件的关断损耗,提升了Eoff-VCEsat折中关系的同时,PG IGBT在ISurge-Eon及dVKA/dtmax-Eon关系上,实现了相同Eon变化范围内ISurge及dVKA/dtmax值的大幅优化。同时,综合对比了器件的基础性能—EMI噪声—鲁棒性参数的三维评估关系,所提PG IGBT结构在VCEsat-ISurge-t SC与VCEsat-ISurge-Eoff（RBSOA）三维度折中关系中表现出最优性能。 （3）提出具有MIS自调节空穴通路的IGBT器件。 基于EMI噪声抑制关键技术中的整体电容、载流子输运行为及器件开关功耗优化技术,通过在SFP IGBT的分离浮空P区域内插入MIS栅结构及自适应空穴通路,提出了SH IGBT器件。空穴通路在器件导通、关断状态下,能够自适应地关断、开启,实现正向导通状态与SFP IGBT导通压降持平的基础上,进一步优化阻断状态下,槽栅附近的电场分布,提升器件耐压。在开关瞬态,空穴通路结构对SFP区域的钳位效果,抑制了空穴聚集,减少了浮空P区对栅极产生的位移电流,实现了在开启瞬态dICE/dtmax-Eon折中关系评估中,SH IGBT结构的曲线更靠近原点,开启EMI噪声更低。同时,对于|dICE/dt|max-Eoff折中关系,相同Eoff条件下,|dICE/dt|max优化了23.4%,SH IGBT结构表现出更低的关断EMI噪声。 （4）提出具有双发射极槽的深FP IGBT结构。 基于EMI噪声抑制关键技术中的整体电容、载流子输运行为及器件开启功耗优化技术,在1700V的电压量级,设计优化了两种结合ET结构的深FP IGBT芯片。通过ET的与发射极电极的电位连接,降低器件Cres/Cies的比值,同时降低深FP的电位,提升了开启瞬态由栅槽底部指向ET底部的横向电场,优化了载流子输运行为,增强了器件栅极控制能力,同时降低了开启损耗。后续进行实际流片,最终验证ET2 IGBT在三种EMI折中关系上均具备优化效果,实现了相同Eon条

关键词： 关节模组   矢量控制   模型预测控制   电机驱动器  

摘要： 近年来,大多数机器人的运动都是使用永磁同步电机作为驱动装置来实现,随着机器人关键技术的不断发展,以及机器人实际应用场景越来越复杂,对机器人关节驱动提出了更高的要求。其中一体化关节模组技术成为了近几年的研究热点。机器人关节模组是指机器人结构中用于连接和控制各个部件之间的关节部分。目前,传统的机器人关节设计方法是分别设计关节电机、驱动控制系统、减速器等零部件,这种设计方式效率低并且成本较高。因此,本文通过设计一款机器人关节模组,将关节电机、驱控系统、传感器检测等功能集于一体,使机器人结构设计更加便捷,并且内部集成的驱动控制系统可以实现对单个关节模组的驱动控制,进一步提高机器人控制系统的性能。本文对于机器人关节模组的设计主要分为以下几部分: 第一,建立永磁同步电机数学模型,并对当前主流的永磁同步电机控制理论进行研究。通过对多种控制方法性能的优缺点进行对比,并结合关节模组实际使用条件,选择应用最为广泛的矢量控制方法来搭建永磁同步电机伺服控制系统的基本控制框架,并通过Matlab/Simulink进行仿真验证。 第二,本文研究了两种不同的控制策略,其中一种是经典的PID控制,另一种是模型预测控制。PID控制作为经典的控制方法,凭借其使用简单、控制性能优秀的特点,在电机控制领域有着广泛的应用。模型预测控制作为一种先进的控制策略,利用系统信息进行在线优化,计算最佳输入信号来实现优化控制,并且具有很强的抗扰性。本文中通过搭建仿真模型,对比分析两种控制策略在永磁同步电机矢量控制中的控制效果。针对模型预测速度控制中存在负载扰动的问题,本文提出通过负载转矩观测器(LDO)进行前馈补偿的方案,并与原方案进行对比验证。 第三,结合关节模组实际应用场合对驱动控制系统性能要求进行分析,得到永磁同步电机驱动器总体设计方案。随后通过驱动器软硬件设计得到最终的电机驱动器,并使用该驱动器成功实现永磁同步电机关节模组的驱动控制。 最后,通过搭建电机测试平台对关节模组进行测试。对驱动器进行硬件测试与功能测试,包括驱动器PCB板电气属性测试与驱动器各模块信号测试;对关节模组进行不同控制策略下的性能测试,并针对关节模组实际应用中需要应对多种复杂工况,设计在不同运行工况下对关节模组性能进行测试。

关键词： 高频交变载荷   PMLSM直线作动器   疲劳试验   矢量控制  

摘要： 随着我国经济的快速发展和试验机技术的逐渐成熟,在机械制造业领域对试验机的各方面性能提出了更高的要求,特别体现在提高试验效率、简化试验过程、保证试验质量等等。零部件是每台机电设备的“细胞”,而其疲劳特性直接决定了设备的使用性能与使用寿命,因此需要优良性能的疲劳试验机。而试验机的核心是动力源,现阶段大部分的疲劳试验机主要采用电磁谐振加载和电液伺服加载;电磁谐振加载后的力值一般较大,不适合小幅值载荷试验;电液伺服带动液压缸等中间机构易实现大载荷、低频率的加载试验,若要提高频率则需要高成本。鉴于现状,本文探讨将永磁同步直线电机(Permanent magnet synchronous linear motor,PMLSM)作为高频小幅值疲劳试验机中的动力装置,实现直线运动的电力驱动。选用PMLSM极大程度上填补了电磁作动器与电液伺服作动器等其他形式直线作动器高频特性差、动态稳定性不良以及油液污染等弱点并且优化并改良了传统疲劳试验机的结构复杂特性。 直线电机是一种不借助滚珠丝杠等转换机构并且直接驱动负载的机电装置,能量转换效率很高,动态性能良好,本文选取的双边有铁心永磁同步直线电机还具有体积紧凑、负载特性强、低齿槽无垂直吸引力等优点,还可以提供良好的定位运动。 首先,详细阐述直线电机的原理和分类,同时根据本文试验要求和试验对象工况利用双边有铁心PMLSM驱动直线作动器,本文直线作动器是一种单自由度强迫振动力学模型;采用矢量控制,并结合PID控制方法对PMLSM的位置和力高效、高精度地控制。 其次,设计应用于电子式高频小振幅试验机的PMLSM直线作动器的结构,建立二维与三维模型,分析关键零部件的静力学特性,分析整机的动力学模态仿真与谐响应仿真结果,计算出系统的固有频率,一定程度上规避谐振对试验动态稳定性的影响,同时阐明整机零部件加工装配问题。 再次,设计电子式高频小振幅疲劳试验机的控制系统,本文采用电流-位移-载荷三闭环控制策略,其中采用磁栅尺、S型力传感器,CDHD型号伺服驱动器,运动控制卡等硬件。采用这种控制方式可以实现对直线电机的位移高精度控制和施加力值高精度控制。 最后,设计动态交变载荷加载试验,分别开展空载试验和负载试验,从位移控制方式和力控制方式两个角度分析试验,验证了采用双边有铁心PMLSM作为直线作动器的动力源的可行性。

关键词： 倒向重随机系统   部分信息   时滞系统   平均场重随机系统   最优控制问题   线性二次最优控制系统  

摘要： 本文主要研究了由重随机系统驱动的部分信息下的最优控制问题。根据系统状态方程中状态变量以及控制变量的几种情况进行讨论,探讨不同情况下部分信息重随机系统的最优控制问题,得到部分信息下重随机控制系统的最大值原理,并将此结论应用到线性二次最优控制问题中,给出最优控制的显示表达式。具体的研究内容、研究方法和研究结果如下: 本文首先介绍了研究背景、研究意义以及国内外研究现状。研究了部分信息下倒向重随机系统的最优控制问题;在控制域为凸的前提下,通过引入相应的性能指标,采用凸变分技术和对偶方法给出了部分信息下的最大值原理,即满足最优控制的必要条件,同时也给出了最优控制的充分条件。最后将所得结果应用于一类部分信息下线性倒向重随机最优控制问题中,给出系统所对应的具体显示表达式。 随着研究的深入,很多问题不仅受当前状态的影响,同样过去的历史也是至关重要的,进而引入时滞问题。在现有的研究基础上,首次研究了部分信息下时滞倒向重随机系统的最优控制问题,在系统控制域为凸的假设条件下,利用鞅表示定理和压缩映像原理得到部分信息下含有时滞的倒向重随机系统中状态方程解的存在唯一性定理,同时利用经典的变分方法给出了部分信息下时滞倒向重随机系统的最大值原理,即最优控制满足需要的必要条件,以及利用对偶方法给出最优控制所满足的充分条件;最后,将所得结果应用到一类部分信息下线性二次最优控制问题中,给出最优控制的显示表达式。 将时滞问题与部分信息下平均场随机控制问题相结合,研究一类部分信息下平均场时滞倒向重随机重随机控制系统的最优控制问题。考虑部分信息下平均场时滞倒向重随机控制系统状态方程中状态变量都含有时滞的情况,在一定的假设条件下,通过引入伴随方程,利用对偶技术给出随机控制系统的最大值原理以及最优控制的充分条件。最后,将所得结果应用到部分信息下平均场时滞倒向重随机线性二次最优控制问题中,给出系统最优控制的显示表达式。 最后,在以上研究的基础上,探讨了部分信息下线性时滞倒向重随机系统的最优控制问题,讨论状态变量和时滞变量都含有时滞的情况,且时滞变量不同,研究控制变量含有时滞时对系统性能的影响。利用平行四边形法则证得最优控制的唯一解,并得到部分信息下线性时滞倒向重随机控制系统的显示表达式。

关键词： 科考绞车   主动升沉补偿   自抗扰控制   直接转矩控制  

摘要： 随着海洋科考逐步走向深远海,海浪、海流等环境的剧烈变化会造成船体升沉运动,影响绞车吊放重物的速度和精准性,还会增加作业的危险性,造成重物运动失稳。为了减少波浪起伏对海上吊放作业的影响,需要将水下重物运动与船舶升沉运动解耦。因此,科考作业的收放设备急需具备升沉补偿功能。本文针对电机驱动型绞车主动升沉补偿控制系统展开研究,以提高我国深海科学调查装备在中高海况下的收放作业效率与资源勘探能力。 本文基于电机驱动型绞车试验平台,开展了主动升沉补偿控制系统设计与试验验证研究。针对主动升沉补偿控制系统的设计,采用速度前馈直接控制电机转速,结合位置闭环反馈控制,将偏差处理结果传递至变频器进行异步电机变频调速控制。通过分析主动升沉补偿系统控制原理与数学模型,基于自抗扰控制进行主动升沉补偿系统控制器设计,仿真结果表明自抗扰控制算法在2～4级海况下的补偿效率能保持在97.41%以上,优于比例-积分-微分控制算法86.28%的补偿效率,具有理想的补偿效果。此外,本文还针对异步电机调速控制算法展开研究,通过分析异步电机动态数学模型以及直接转矩控制算法原理,对直接转矩控制算法进行仿真分析。接着对试验平台相应设备进行选型计算,设计了主动升沉补偿试验方案。最终在全尺寸电机驱动型绞车主动升沉补偿试验平台上进行比例-积分-微分算法与自抗扰控制算法的补偿效果验证,以及直接转矩控制算法的调速效果验证,得出在规则波作用下两种算法的补偿效率分别为87.59%和95.12%,不规则波作用下的补偿效率分别为83.46%和92.31%,验证了所设计的控制系统及控制算法的有效性。 本文设计的主动升沉补偿控制系统及试验平台有利于提高科考绞车海上作业的安全性和准确性,确保重物安全、平稳地转运和收放,为科考收放设备的设计与开发提供更多理论和实践指导,对促进升沉补偿技术的发展具有重要的意义。

关键词： 混合动力汽车   开关磁阻电机   转矩分配函数控制   直接转矩控制   终端滑模控制  

摘要： 传统燃油车存在环境污染和能源问题,纯电动汽车续航里程短,混合动力汽车则兼顾低排放、长续航、低能耗,也是新能源车的主要发展方向之一。皮带传动启动/发电一体式电机(Belt-Driven Starter Generator,BSG)作为弱混合动力技术之一,可以提高燃油利用率,且结构改动难度低、性价比高。鉴于稀土永磁体的高成本以及退磁风险,车用无稀土电机逐渐受到关注。其中,开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)因加工制造成本低、结构简单坚固、容错能力强等特点,成为BSG电机理想的发展对象。为了进一步提升SRM性能,本文围绕混合动力车用分块开关磁阻电机(Segmented-Rotor SRM,SSRM)驱动系统的高性能控制展开了深入的理论分析与研究,主要研究内容如下: (1)SSRM的基础理论介绍与非线性建模。分析四相16/10 SSRM的结构以及运行原理;对磁力线、磁密、磁链以及转矩等电磁特性进行阐述分析,并对相关基本方程做了概述;采用转矩平衡法建立四阶傅里叶级数磁链模型,并结合数学表达式获得转矩模型,最后引入Kriging近似模型进一步拟合磁链与转矩关于电流和转子位置的关系,获取更精准的磁链-电流-角度和转矩-电流-角度的数据。 (2)转矩分配函数(Torque Sharing Function,TSF)控制策略的研究。分析传统TSF控制在换相区间的实际转矩与理想转矩之间存在的误差因素;提出引入可调参数的分段型TSF(Tunable Segmented TSF,TSTSF),研究可调参数对电流以及转矩性能的影响,初步说明TSTSF的可行性;依照优化目标对可调参数以及角度进行寻优,实现转矩脉动的抑制,并对所提TSF策略进行仿真以及实验验证。 (3)直接转矩控制(Direct Torque Control,DTC)策略的研究。鉴于传统DTC中固定参考磁链对调速范围的限制以及难以获得较低的转矩脉动,探索磁链变化对性能的影响;提出将比例系数作为磁链的控制信号来调节参考转矩的变磁链DTC(Variable Flux DTC,VFDTC),使磁链可以根据转矩变化需求自动调节;同时,选取多个典型运行工况,采用灰狼算法对参考磁链系数以及控制器参数进行优化,选择最佳结果作为VFDTC系统最终参数解,并对比传统DTC验证VFDTC在有效性。 (4)基于滑模趋近律以及终端滑模控制设计转速控制器。对比相同工况下VFDTC以及TSTSF的控制性能,确定综合性能较优的控制策略;考虑到在实际运行过程中电机可能会受到干扰带来的影响,采用可以在有限的时间内收敛的终端滑模控制算法来设计所确定控制策略中的转速控制器;提出新型滑模趋近律,获取更快的渐近收敛速度和更好的抖振抑制能力;构建基于新型滑模趋近律的终端滑模转速控制器,在动态性能、抗干扰性以及转矩脉动方面实现性能提升,并通过与经典趋近律的比较验证控制算法的有效性。

关键词： 自主水下机器人   最优控制   非线性模型预测控制   李群理论  

摘要： 自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)在海洋科学、资源勘探、国防领域和海洋工程等领域有广泛的应用潜力。AUV通过搭载各种传感器和设备,替代勘探人员在海洋中发现海底矿产资源、油气等重要资源。同时,AUV还能够执行复杂的任务,如海底管道检测维修、海洋环境检测、水下考古等,为人类保障海洋安全、保护海洋环境做出贡献。 国内外众多学者对AUV的运动控制做了大量研究,包括传统的PID控制、模糊控制、神经网络控制等多种方法的探索与应用。然而,由于水下环境的复杂性和不确定性,AUV运动的精确控制一直是一个具有挑战性的问题。模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)具有多输入多输出、综合考虑系统动态、约束条件和未来预测信息的优点,在滚动优化条件下,可以快速解决模型失配和干扰等不确定因素。本文以AUV为研究对象,结合MPC方法进行相关的研究和试验,以解决AUV模型精度低、轨迹跟踪效果差和抗干扰能力弱的问题,具体工作内容如下: 首先,对AUV水动力模型进行了研究,建立了运动学模型和动力学模型。针对已有方法辨识出的模型不精确问题,建立了JDS-2型AUV的水动力模型;通过海试实验采集了AUV的实际数据;基于最小二乘的辨识方法,利用采集的数据对水动力模型进行了辨识;通过使用其它区间采集到的实际AUV数据与所建立模型的对应计算值进行对比,验证了辨识模型的正确性。 其次,研究了基于视线引导(Line Of Sight,LOS)的AUV水平面轨迹模型预测控制方法。针对传统水平面轨迹跟踪方法转弯转向效率低的问题,提出了一种基于改变前视距离的视线跟踪方法,使得前视距离可以根据AUV到期望轨迹的偏移距离进行在线修正;针对急转弯转向稳定性差且易震荡的问题,提出了根据转弯拐角自动调整接纳圆半径的算法;将此航向角的控制策略结合MPC算法进行AUV轨迹跟踪控制器的设计;针对各种拐角和航向的轨迹进行了跟踪对比仿真,验证了本文方法的跟踪性能。 再次,研究了基于李群理论的AUV三维空间模型预测控制方法。针对AUV的非线性模型会导致MPC算法失稳问题,基于李群理论对非线性模型进行了线性化处理;以一种左不变误差的方式表示AUV的状态,进而提出了基于李群理论的MPC控制器;通过水平面和三维轨迹跟踪仿真验证了该算法在遇到大的干扰情况下仍然能够保持稳定性。 最后,对运动控制系统进行了设计,并通过海试进行算法验证。设计了基于单片机的AUV控制系统,提出了具体的海试试验方案;针对提出的基于李群理论的MPC控制算法进行了海试试验,验证了AUV在三维空间轨迹跟踪的控制精度,且在海况较差环境中依然保持较好的稳定性。