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关键词： 非线性注塑工业过程   注塑速度   最优鲁棒控制   黎卡提方程  

摘要： 注塑工业作为现代制造业中的重要组成部分，其生产效率和产品质量直接影响着各行业的生产和发展。注塑工艺通过高效、快速地将熔化的塑料原料注入模具中，并在一定时间内冷却固化，生产出各种形状和尺寸的塑料制品，广泛应用于汽车、电子、医疗器械等领域。然而，现有的注塑速度跟踪控制方法存在一些局限性，例如传统的PID控制器在复杂工艺条件下往往难以达到理想的控制效果，容易受到外部扰动的影响而产生偏差，导致速度跟踪精度不高，还有某些控制方法需要手动调节大量的控制参数，操作繁琐且容易出错，需要具备较高的专业知识和经验。这些问题导致了生产过程中的产品质量波动大，生产效率低下，甚至可能导致生产线停机和损失。因此，改进现有的注塑速度跟踪控制方法势在必行。本文主要针对一种典型的非线性注塑液压系统，提出了一种注射速度跟踪控制方法，实现对注塑机注射速度的跟踪控制，本文的主要工作如下：　　首先，深入分析研究了注塑机系统的内部组成结构和工作原理以及注塑速度的特征等方面。在此基础上，对一种典型的非线性注塑液压系统的注射过程进行了详细的分析，然后对注塑过程中的速度特性曲线进行分析。接着，基于速度特性进行注塑机注射系统模型的详细构建。然后，本文明确了模型的约束条件，为后续的控制策略设计和优化奠定基础。　　其次，基于已构建的注塑机速度模型提出了注塑速度的最优控制描述。然后，为了解决这个注射机注射速度最优控制的问题，采用了基于求解黎卡提(Riccati)方程的策略，提出了一种有效的最优鲁棒控制设计方法。首先，通过一阶泰勒级数展开方法，对系统进行近似线性化，将原本复杂的非线性系统转化为易于处理的线性系统。接着，引入相关的代数Riccati方程，并利用其解来构造最优鲁棒反馈控制器。此外，利用严格的李亚普诺夫定理对所提出的反馈控制器的全局稳定性特性进行了分析和证明，以确保系统在各种工况下都能稳定运行。　　最后，本文通过充足的数值仿真实验验证了所提出来的最优鲁棒控制器的有效性和可行性。然后，验证了所提出的最优鲁棒控制策略能够在给定时间内成功、快速地实现对预期注射速度轨迹跟踪控制。此外，在实验的数值过程中，还在各种参考设定点下检验了开发的非线性控制方法的跟踪精度。这些测试不仅模拟了各种可能的工作条件，还特别考虑了外部干扰的影响，以确保评估结果的全面性和实用性。通过这些测试，本文成功验证了该控制方案在面对干扰时，仍能准确地跟踪设定的参考点。

关键词： 永磁同步电机   矢量控制   脉振高频电压注入   滑模观测器   全速域无位置传感器控制  

摘要： 在工业自动化领域中,永磁同步电机的无位置传感器控制策略的广泛应用为解决成本、可靠性、系统复杂性、响应速度和适应性等关键问题提供了有效解决方案,为电机控制系统的设计和应用带来了新的可能性和前景。本文针对永磁同步电机矢量控制策略进行研究,分析了传统无位置传感器控制策略的不足并对其进行改进,以满足电机全速域运行的控制精度和鲁棒性。本文具体研究工作如下: (1)对永磁同步电机结构进行了介绍并推导了电机数学模型,根据SVPWM原理搭建了矢量控制算法模型,分析了矢量控制策略中的最大转矩电流比(MTPA)控制策略和弱磁控制策略,并将其应用到永磁同步电机矢量控制中,通过仿真验证了MTPA控制策略结合弱磁控制策略的永磁同步电机矢量控制系统的有效性。 (2)针对零、低速传统脉振高频电压注入法使用带通滤波器(BPF)和低通滤波器(LPF)造成提取转子位置信号滞后和幅值衰减等问题,设计了一种改进的脉振高频电压注入法,采用两个二阶广义积分器(SOGI)的结构分别实现对转子位置信息的高频信号提取和位置误差信号提取,省略了滤波器的使用,同时使用锁相环来对转子位置信息进行估计,提高了转子位置估计精度,减小了输出的转矩脉振。接着,推导了转子NS极性判断公式,利用MATLAB/Simulink中状态机(State Flow)搭建了NS极性判断算法,并搭建了改进的脉振高频电压注入法仿真模型,在空载、突加载两种工况下对比分析了改进算法的控制性能,较传统脉振高频电压注入法控制性能综合提升85%。 (3)针对中、高速传统滑模观测器存在抖振、相位延迟和鲁棒性差等问题,设计了一种基于DASOGI-NQPLL的改进全阶滑模观测器,将全阶滑模观测器的趋近率函数sgn(7)s(8)替换成零点连续的sigmoid(7)s(8)函数,并引入基于转子转速的变高阶滑模增益,从根源上削弱了估计反电势高频谐波的产生,接着,使用两个自适应二阶广义积分器(DASOGI)对估计反电势进行自适应滤波输出,再使用归一化正交锁相环(N QPLL)对转子位置信息进行提取,去除了转子转速对锁相环带宽的影响,最后在仿真中和现有滑模观测器对比验证了所设计算法的优异性,较原全阶滑模观测器法控制性能综合提升91.8%,较现有积分滑模面变幂次趋近率滑模观测器法控制性能综合提升85%。 (4)分析了改进脉振高频电压注入法和基于DASOGI-NQPLL改进全阶滑模观测器在全速域运行估计转子位置信息误差情况,选定了复合控制法切换区间,利用加权切换法将两种控制策略结合在一起,发挥在各自转速区间控制的优势,搭建了全速域无位置传感器控制策略仿真模型,在五种工况下,验证了所设计控制策略的有效性。 (5)完成了基于STM32F401RET6微控制器的永磁同步电机实验平台的搭建,分别对实验平台的硬件和软件进行了介绍,通过实验验证了本文所提出的基于FOC的永磁同步电机全速域无位置传感器控制策略。

关键词： 开关磁阻电机   电梯曳引系统   直接转矩控制   线性自抗扰控制  

摘要： 开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)成本低廉、结构简单坚固、容错性高,具有作为电梯曳引系统中驱动电机的可能性。然而其独特的双凸极结构及脉冲供电方式导致运行时转矩脉动过大,这使得其在电梯领域的应用少有研究。为了实现电梯用SRM的运行平稳,本文提出了一种基于自抗扰技术与改进型直接转矩控制相结合的SRM控制方法。 首先,通过分析电梯系统的组成、工作原理以及对驱动控制的要求,说明SRM应用于电梯曳引系统具有可行性,随后围绕如何抑制SRM的转矩脉动以及提升其调速性能两个方面展开研究。先从分析SRM转矩脉动成因出发,引出采用的基本型直接转矩控制方法(Direct Torque Control,DTC)的优点与不足,而后通过基于磁链滞环设计新的切换策略并制定相应开关表的方式进行改进,实现抑制转矩脉动的目标。接着利用MATLAB/Simulink搭建仿真模型并进行仿真对比,结果表明改进型DTC在抑制SRM转矩脉动和提高转矩电流比方面均优于基本型DTC。 其次,鉴于电梯启动和稳定运行过程中对平稳性和快速性兼具要求,提出采用自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)方法来改善电机调速性能。通过SRM的机械方程建立一阶自抗扰模型,在速度环采用线性自抗扰控制器来替代传统的PI控制器。仿真结果表明:改进后的控制系统改善了SRM启动及平稳运行性能。 最后,以DSP TMS320F28335为主控芯片设计并搭建硬件实验平台,完成磁链与转矩测量以获得实验所需参数。通过比较传统与改进控制方法下的转速及转矩波形,得出本文提出的改进型DTC策略相较于传统DTC策略,抑制了SRM的转矩脉动并提高了其启动及平稳运行阶段的性能。

关键词： 永磁无刷直流电机   无位置传感器   滑模观测器   低载频比   矢量控制   PR控制器  

摘要： 随着永磁材料和功率电路研究的不断深入,永磁无刷直流电机(Brushless Direct Current Motor,BLDC)凭借其高效率、高精度和强大可靠性等优势,在新能源汽车、航空航天等领域得到青睐。BLDC的无位置传感器电机控制系统因其成本低廉、可靠性高、系统小型化等特点,成为了人们的一个研究的热点。然而,在高速电机以额定转速运行时,在低载频比(PWM载波频率与基波频率之比)情况下会增大数控延时,导致电机控制的离散方式准确性降低,从而产生误差,致使永磁无刷直流电机失控。 为了紧跟当今对高性能永磁无刷直流电机无感控制系统设计和应用的要求,本文对低载频比条件下的BLDC无位置传感器控制系统进行深入的分析和研究,目的是提高低载频比下电机控制系统的稳定性。 首先,本文针对课题研究背景以及国内外现状进行阐述,介绍低载频比条件下永磁无刷直流电机无感控制方式,将无感控制的无刷直流电机与采用位置传感器的无刷电机进行比较,分析低载频比工况下无刷直流电机无感控制的优点以及目前无刷直流电机无位置传感器控制方式需要优化的问题。 其次,针对无刷直流电机建立相关数学模型,并分析空间矢量脉宽调制技术(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)。接着,分析永磁无刷直流电机无感起动方式,选取电流频率比起动(I/F起动)作为电机无感起动方式。提出一种根据时间权重,切换控制方式的策略,实际位置信号所占比重随着时间增加而增加,直至电机转子位置信号全都是实际位置信号后,进行控制方式的切换,实现由电流频率比(I/F)控制切换至矢量控制。 然后,研究传统滑模观测器原理及其实现方式,根据李雅普诺夫定理分析滑模观测器的稳定性,研究转子位置及转速信息的获得过程,分析传统滑模控制器存在的不足之处,例如存在的抖振现象,会影响电机转子位置及转速的精度。针对该现象,对所采用的控制器进行改进,采用比例谐振(Proportional Resonant controller,PR)控制器替换传统闭环控制中的比例积分(Proportional Integral controller,PI)控制器,实现对信号的无静差调节,抑制低次谐波,针对PR控制器中三个参数进行分析、取值。针对控制函数进行改进,采用“s”型激活函数(sigmod函数)代替sgn函数,利用sigmod函数穿过滑模面连续且平缓的特点,消除sgn函数在零点存在的抖振现象。构建反电动势观测器得到精度较高的反电动势并通过锁相环系统提取转子位置及转速信息。 最后通过MATLAB/Simulink搭建仿真模型并进行验证分析。选择STM32F103RCT6作为主控芯片进行硬件设计,设计无刷直流电机无位置传感器控制系统,搭建相关的实验平台。实验结果验证了本文提出的改进策略能够在低载频比工况下,无刷直流电机采用无感控制时,能够平稳起动并且能够在较短时间内达到理想转速。

关键词： Insulated gate bipolar transistors (IGBT)  

摘要： Recently, due to the commercialization of power semiconductors based on SiC (Silicon carbide) devices with high voltage operation, high frequency operation, and high temperature operation characteristics, there is growing interest in transition conventional Si device to SiC power semiconductors. In order to convert the widely used Si-based inverters to SiC-based inverters, it is necessary to quantitatively evaluate the inverter system improvement due to the use of Si or SiC device power semiconductors. In this paper, the efficiency comparison of a 150kW inverter for EV propulsion using Si-IGBT and SiC-MOSFET is carried out, and the system improvements due to the conversion of power semiconductors is analyzed. For accurate comparison, a Si-IGBT/SiC-MOSFET power module with the same specifications of 1200V, 600A is selected, and an inverter performance test over entire driving range is performed with only the power semiconductor and gate driver changed. Through driving cycle analysis based on inverter performance test results, it is verified that when switching from Si-IGBT to SiC-MOSFET, inverter energy loss is reduced by 26.3%. © 2024 Korean Institute of Electrical Engineers. All rights reserved.

关键词： 四轮转向   控制算法   转向执行器特性   最优控制   硬件在环  

摘要： 随着汽车不断发展,四轮转向技术逐渐受到关注。四轮转向技术能够有效提高车辆的稳定性与安全性,具有广泛应用意义。本文将从转向执行器特性测试、四轮转向后轮控制策略设计、四轮主动转向LQR控制策略设计、控制策略对车辆性能改善效果等方面开展研究,主要研究内容如下: (1)建立了四轮转向车辆线性二自由度模型与前轮和后轮的转向执行器模型,比较了四轮转向车辆线性二自由度模型与整车Carsim模型的仿真结果。分析和对比了开环试验和闭环试验下转向执行器滞后影响。设计了实车控制架构网络和保护策略,保证了实车试验安全性,总结了实车试验过程采用的工具链。 (2)开展了四轮转向车辆后轮控制策略的设计与联合仿真验证,分析了四轮转向车辆的控制目标,设计了四轮转向车辆的经典控制策略,建立了期望稳态的横摆角速度和质心侧偏角的表达,设计了前后轮转角比例前馈控制策略和比例前馈+横摆角速度PI反馈控制策略作为对照。设计了LQR控制策略与MPC控制策略,搭建了LQR控制策略与MPC控制策略实现的Simulink模型。利用了角阶跃工况和双移线工况对原车和4种控制策略进行了联合仿真验证,分析了仿真试验结果,验证了LQR控制策略和MPC控制策略对原车性能的改善,为后续控制策略优化提供了基础。 (3)完成了四轮主动转向LQR控制策略的设计与联合仿真验证,设计了四轮主动转向LQR控制策略,实现了对车辆四个车轮转角的控制。设计了角阶跃工况和双移线工况并将主动四轮转向车辆与原车前轮转向车辆进行对比,验证了设计的LQR控制策略提高车辆稳定性的效果。分析了LQR控制策略状态量权重矩阵参数、控制量权重矩阵参数、控制率各分量的作用,通过仿真试验验证了LQR控制策略参数的选择对四轮主动转向的影响。 (4)开发了四轮转向控制策略验证硬件在环试验台,验证了控制策略的效果,说明了试验台的架构、硬件和软件。设计了后轮转向电机三闭环控制策略,验证了后轮转向电机位置控制的跟随效果。设计了角阶跃工况和双移线工况,进行了车速90km/h的控制策略硬件在环试验,分析了试验结果,验证了控制策略提高车辆的效果。采用实车完成了3种转角60km/h阶跃试验、2种转角90km/h阶跃试验、原地转向变频正弦试验、30km/h转向变频正弦试验、60km/h转向变频正弦试验,获得了相应的后转向执行器平均滞后时间和峰值响应偏差,为后续车辆性能优化提供了支持。

关键词： Stewart平台   永磁同步电机   FPGA   矢量控制   Anti-windup  

摘要： 大型望远镜在空间目标检测、天体观测、空间通信等领域发挥着重要作用,Stewart平台作为典型的并联机构,凭借其闭链控制的优势用于大型望远镜的次镜调整机构。永磁同步电机（Permanent magnet synchronous motor,PMSM）具有功率密度高、动态性能好及控制精度高等优点,成为Stewart平台驱动电机的首选。目前,PMSM伺服控制系统普遍采用DSP作为控制器,但是基于DSP设计的控制系统存在响应速度慢、功耗高等问题,FPGA具有开发周期短、功耗低且采用并行运算等优点,逐渐替代DSP作为伺服控制系统控制器并且成为研究热点。因此,对基于FPGA的Stewart平台伺服控制系统进行研究,具有重要的应用价值。研究的主要内容如下: （1）针对Stewart平台的运动机理,确定平台采用关节空间控制方案。建立了永磁同步电机的数学模型,基于di=0控制方案分析了电流环、速度环和位置环频域模型,确定了各环路的控制器参数,在MATLAB中搭建了伺服控制系统仿真模型。 （2）针对在速度环中由于限幅环节的存在,会使系统出现超调量增加,稳定时间变长的问题,设计了反计算抗饱和算法对速度环控制器进行改善,和采用传统PI控制器做仿真对比,超调量从10.8%降低至4.3%,到达稳态时间由0.018s降低至0.007s。针对在位置环控制器中采用纯比例控制时,位置阶跃响应时间较长,对高阶输入存在静态误差以及稳态输出滞后于输入信号的缺陷,采用比例加前馈复合控制进行优化,对正弦位置信号进行追踪,仿真结果显示正弦误差幅值从0.3rad降低到0.004rad。 （3）结合改进的控制器模型并基于FOC控制策略,设计了基于Xilinx系列XC7S25CSGA324-1芯片的Stewart平台伺服控制系统,包括坐标变换模块、控制器模块、SVPWM模块、电流采样处理模块以及编码器信号处理模块,并在Vivado软件中对上述模块进行了功能测试。 （4）选择FPGA作为伺服控制器的核心,计算机作为系统上位机,通过上位机发送相关操作指令,来验证设计的Stewart平台伺服控制系统性能。首先对Stewart平台单轴伺服控制系统进行测试,测试结果表明所设计的控制系统有良好的响应速度和控制精度。并搭建了Stewart平台样机,将平台整体作为测试对象,测试了平台的重复定位精度,测得平台X、Y、Z方向的重复定位精度均小于2μm,U、V、W方向的最差重复定位精度为2.5μrad,测试结果表明所设计的伺服控制系统可以满足平台设计要求。综上,表明所设计的伺服控制系统具有良好的动态性能和控制精度,为后续的深入研究奠定基础。