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关键词： 无传感器控制   矢量控制   扩展卡尔曼滤波   永磁同步电机   自适应卡尔曼  

摘要： 近年来,随着永磁体材料性能的不断提升,永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)获得了迅速发展。由于PMSM具有小尺寸、高功率因数和易于维护等优点,所以在机器人、航空航天、电动汽车等领域得到了广泛应用。在PMSM无位置传感器控制的方案中,扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)算法凭借着较强的抗干扰能力广泛应用于电机转子速度估计。然而,基于EKF算法的PMSM无传感器控制系统,在PMSM数学模型线性化和离散化的过程中,存在着系统过程噪声统计不准确的问题。该问题将影响滤波器的性能,导致电机速度的估计精度降低。为了解决上述问题,本文提出了一种不依赖于系统过程噪声协方差的卡尔曼滤波算法。本文主要工作如下:首先,本文根据PMSM的特性,建立PMSM三相坐标系下的数学模型,分析空间矢量脉宽调制的工作过程,完成速度环和电流环PI控制器参数的整定,在Simulink中建立基于机械式传感器的PMSM矢量控制系统模型,并对仿真结果进行分析。其次,本文深入研究了EKF算法的基本原理,通过对PMSM非线性数学模型的线性化和离散化,建立PMSM对应的EKF数学方程。根据该数学方程,在Simulink中构建基于EKF算法的PMSM无位置传感器控制仿真模型,完成PMSM控制系统的硬件和软件设计,将仿真中的EKF算法等相关程序移植到PMSM控制单元中。转子位置和转速曲线的仿真结果表明,EKF算法能够较好的估计电机的转速和位置,具有良好的控制效果。最后,本文针对PMSM连续非线性的控制系统在进行线性化和离散化过程存在着不可计算的近似误差的问题,提出了一种不依赖于系统过程噪声协方差的自适应EKF算法,通过建立所提出算法的数学模型,在PMSM无位置传感器控制系统仿真模型和实验平台中,将该改进的算法分别与传统EKF算法、现有EKF参数自适应方法进行比较。仿真结果与实验结果表明,采用改进的EKF算法能够自适应的对先验估计协方差进行预测,显著降低系统过程噪声统计不匹配对电机速度估计的负面影响,有效地减小滤波器的稳态抖动,提高卡尔曼滤波算法适应性。

关键词： 网络化控制系统   受限信道   丢包   最优控制   可镇定性分析  

摘要： 网络控制系统作为控制领域的一个热点问题,随着网络技术和控制理论的创新和发展,在众多工业领域得到了广泛的应用。但由于网络信道的引入,其物理局限性会给网络控制系统的控制性能带来负面影响,比如由带宽限制、网络阻塞、外部干扰信号等因素引起的数据丢包、网络时滞、信道衰减等现象。另一方面,网络通讯过程中所采用的各类通信协议同样也会对控制系统的性能和稳定性产生重要影响。因此,通过设计合适的最优控制策略,可以最大限度地提高系统性能并确保系统稳定性。这对于提高现代工业自动化系统的控制效率和精度,具有重要意义。本文系统地研究了几类具有受限信道的网络化控制系统的最优控制与镇定问题。针对由于丢包信道带来的非对称信息控制、受多并行Markov丢包信道影响和基于通信协议进行调度的三种情况下的网络控制系统的最优控制与镇定问题,运用了随机极大值原理、Riccati方程、正倒向随机差分方程等方法和工具,设计了状态反馈控制、输出反馈控制算法。主要内容如下:研究具有丢包信道的非对称信息系统的最优控制和镇定问题。分别研究了带有无记忆丢包信道的网络系统,以及具有多并行擦除信道的非对称信息跳变参数系统的最优控制与镇定问题。针对这两类离散时间系统,提出了相应的随机极大值原理,并给出了正倒向随机差分方程组。通过耦合差分Riccati方程和代数Riccati方程组,解决了这些系统的有限时域最优控制和无限时域镇定性问题。研究具有多并行Markov丢包信道的网络控制系统的最优控制和镇定问题。分别针对控制器到执行器之间存在丢包,以及控制器到执行器与传感器到估值器之间双边同时存在丢包的两类系统,实现了相应的最优状态反馈控制和输出反馈控制设计。通过引入新型的映射关系,处理多并行Markov丢包信道问题,将丢包系统转换为Markov跳变线性系统进行分析。进一步解耦求解正倒向Markov型差分方程组,给出状态反馈控制器设计和镇定性分析。对于双边多并行Markov丢包信道系统,建立一组正向Riccati方程来设计最优滤波器,给出最优输出反馈控制的设计方法,验证了分离原理成立。研究基于通信协议的网络控制系统的最优控制问题。分别针对受到Round-Robin协议调度和随机通信协议调度的控制系统,设计了二次最优控制。通过模型转换和Markov链重构,将其转换为Markov跳变线性系统,并建立了相应的极大值原理和正倒向随机差分方程。基于耦合差分Riccati方程,得出了两种情况下最优控制问题的解存在的充分必要条件,并得到了最优控制的解析表达式。

关键词： 电动汽车空调   永磁同步电机   矢量控制   模糊控制   滑模观测器  

摘要： 电动汽车技术的发展推动了其辅助系统的进步,燃油汽车空调压缩机采用发动机驱动;而电动汽车取消了发动机,空调系统采用独立电机驱动,电机可以实现动态调速。相较于交流异步电机等其他空调系统,永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)效率高、体积小、运行稳定,更能满足车载空调电机的驱动性能。本文以电动汽车空调核心部件PMSM为研究对象,考虑到控制系统需要电机转子位置和速度的反馈,但是在车载空调电机中安装机械传感器增加了体积和成本;同时电机处于高温、腐蚀的工作环境中,传感器检测精度难以保证;因此采用观测器方式对车载空调无传感器PMSM控制系统进行研究。首先,阐述了电动汽车空调的发展以及PMSM控制技术和算法研究现状;介绍了电动空调的原理和PMSM的结构,建立了PMSM相关的数学模型。针对矢量控制和空间矢量脉宽调制技术进行了详细的数学理论推导。其次,研究了稳态下PMSM转速对车载空调性能的影响;为提高空调PMSM的调速性能,结合模糊控制和PID控制优点,设计了模糊PI速度控制器。运用模糊控制优化PI参数,建立了矢量控制的仿真模型,在各种工况下进行了Simulink仿真验证,为后续实现无传感器矢量控制提供了基础模型。然后,为了代替机械传感器作为信号反馈,构造滑模观测器。将滑模控制理论运用到观测器设计中,在静止坐标系下推导了观测器设计过程。为了抑制滑模抖振,降低观测信号脉动。一是改进了滑模控制函数,采用边界层控制方法,使用正弦饱和函数,实现边界层厚度模糊自适应调整;二是使用归一化锁相环代替传统反正切位置估算方法,避免放大高频抖振信号。建立了完整的无传感器控制矢量模型,并进行了仿真验证分析,提高了观测性能。最后,为验证改进策略的实际效果,搭建基于DSP28335的PMSM驱动控制平台,分析了驱动电路、采样电路等主要电路原理。在CCS平台上编写相关的算法程序,烧录到DSP中进行相关试验。试验结果与理论分析和仿真计算相符,表明模糊PI控制器和改进滑模观测器的可行性,能够使系统稳定运行。

关键词： IGBT   智能高集成逆导型IGBT   DBC   封装   驱动设计  

摘要： 随着全球能源危机日益紧张,新能源汽车发展需求变得越来越强,高集成、高密度的功率模块作为新能源汽车驱动的重要组成部分,其关系新能源汽车的可靠性、综合性能和价格等问题。IGBT作为一种复合全控型功率器件,因为其在反向工作时,等效于一个不导通的开基极PNP晶体管,因此需要二极管反并联来续流。最初是直接将IGBT与续流二极管通过引线焊接到一起使用,但这种方法导致寄生电感变大,且成本较高。为此,本文针对智能高集成逆导型IGBT模块的封装技术以及驱动设计进行研究与探索,本文完成的主要工作可以概括如下:首先本文介绍了IGBT功率模块的基本结构和发展情况,同时对传统逆导型IGBT的正向输出、正向Snap-back和模块散热特性进行原理解析,并对ANSYS稳态、瞬态热仿真原理进行介绍,介绍一种智能高集成逆导型IGBT的芯片,温度传感器和电流传感器的基本工作原理。其次,对提出的智能高集成逆导型IGBT模块关键的封装技术进行优化,用ANSYS对逆导型IGBT功率半导体模块建立3D(三维模型),对其进行稳态、瞬态热分析,对DBC布局、DBC翘曲度和底板翘曲度进行分析,研究衬底的材料、DBC、底板、焊层厚度、退火速率对逆导型IGBT模块封装散热水平和真空回流焊的影响,选择合适的模型和标准,进而改善工艺提高可靠性。然后,介绍了常用IGBT模块开关过程,分析了智能高集成逆导型IGBT模块驱动电路的设计以及驱动要求,对智能高集成逆导型IGBT模块进行智能化监控,实时准确采集电流和结温,可对功率器件模块进行寿命预估,提出逆导型IGBT驱动方案,完成驱动电路的硬件设计。最后,完成了智能高集成逆导型IGBT的模块封装以及驱动设计,并对模块和驱动进行测试,分析对比测试结果,证明了智能高集成逆导型IGBT的模块封装方案以及驱动设计的可行性。

关键词： 泵类负载电机   效率优化   MRAS   损耗模型  

摘要： 泵类负载电机的转速闭环控制中需实时测量转速,在电机转轴上安装速度传感器会带来改变电机结构、维护不方便等问题。将无速度传感器矢量控制技术应用于泵类负载电机控制,能够在保证调速性能的前提下,提高运行可靠性,降低系统维护成本。本文以泵类负载电机的无速度传感器矢量控制系统为研究对象,针对转速辨识、效率优化控制、带速重投三个研究点开展研究,研究工作如下: 转速辨识是无速度传感器矢量控制系统的核心。通过坐标变换和转子磁场定向的方法得到了转矩分量和励磁分量解耦的电机数学模型;基于该数学模型设计了电流型转子磁链观测器和电压型磁链观测器。根据MRAS(Model Reference Adaptive System,MRAS)的基本原理,选择电压型转子磁链观测器为参考模型、电流型磁链观测器为可调模型,用超稳定理论推导了转速辨识的自适应律。将基于MRAS的转速辨识方法加入矢量控制系统中,在仿真和实验中模拟带泵类负载的工况。结果表明,采用基于MRAS的转速辨识方法能够较为准确辨识出转速,将辨识转速用于转速闭环控制后,加减速过程中实际转速能够快速稳定跟随转速指令,实现了较好的动稳态控制效果。 泵类负载电机在低速运行时,负载转矩较小,有较大的空间进行效率优化。为提高效率,可采用效率优化控制,在保证电机输出功率的前提下,通过调节转子磁链,控制励磁深度,减小电机损耗。首先分析了电机的损耗组成,建立了电机损耗模型。并基于该损耗模型推导了最优磁链算法,将最优磁链算法嵌入到无速度传感器矢量控制系统中,构成了基于无速度传感器矢量控制系统的效率优化控制方法。仿真和实验结果表明,加入优化控制方法后不影响调速的稳态性能,在泵类负载电机的低速、中速、高速工况下对电机效率均有提升,其中低速轻载工况下,效率提升效果最为明显。 为减小电机断电后带速重投时冲击,对带速重投控制方法展开研究。首先分析了断电后电机的特性发现:断电后转子处于自由旋转状态,定子侧的反电动势和电流在短时间内衰减为0,此时基于MRAS的转速辨识方法失效,实现带速重投的关键是观测出重投时刻转速;采用基于直流电流注入的方法重新建立转子磁场,通过磁链观测、滤波、锁相环等环节,实现了重投瞬间电机转速的观测;最后通过仿真和实验验证了方法的有效性。

关键词： 仿射非线性系统   最优控制   事件触发   状态约束   评判-执行神经网络  

摘要： 本文考虑了两类状态约束条件下的仿射非线性系统最优控制问题.针对对称型全状态约束条件，给出了一个等价变换的方法,将受约束的仿射非线性系统转化为无约束条件的系统，并利用最优性原理给出了最优控制律.进而，提出了基于事件触发的控制策略来达到保证系统稳定且减少数据传输的目的.然后，利用评判-执行神经网络近似计算值函数和控制律.针对一般形式的状态约束条件,通过在性能指标函数中引入障碍函数的方式，获得最优控制律.相应地，也给出了基于事件触发的控制策略，并利用评判-执行神经网络在线近似求解值函数及控制律.与此同时，也指明了一个事实:在事件触发方式下，最优控制律不再保持其最优性.仿真算例验证了所提出的事件触发控制策略的有效性，以及最优控制律在事件触发方式下不一定最优.

关键词： 内部联通结构   流动沸腾   流动不稳定性   强化换热   Z型流动   两相流型   R134a  

摘要： 轨道交通的快速发展,对牵引能力不断提出更高的挑战,作为电力牵引系统最重要的部分,IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块不断向高集成度,高热流密度的方向发展,对IGBT模块进行热管理的难度也在不断增大。微细通道流动沸腾换热具有结构紧凑,换热系数高等优点,但同时会面临流动不稳定的问题。在符合工程应用的前提下进行微细通道两相热沉的新型结构设计,在实现小型化、轻量化的同时,提高两相热沉的换热能力并抑制微细通道中的流动不稳定性,对IGBT模块的使用有着巨大的意义。 本文设计了Z型流动的一进口二出口的微细通道两相热沉,并在其中布置了直通道结构,渐扩通道结构以及内部联通结构。以R134a为工质开展了流动沸腾实验,通过分析实验段的进出口压力、压降以及微细通道的壁面温度波动,总结了直通道结构、渐扩通道结构以及内部联通结构微细通道实验段中的流动不稳定性随热流密度与质量流速的变化规律;通过对沸腾曲线、换热系数曲线以及压降变化曲线进行分析,探究了实验段不同区域中微细通道的流动沸腾换热机理并预测了流型的转变,对比了各种结构对流动不稳定性的抑制能力以及强化流动沸腾换热的效果。 研究发现,Z型流动容易导致平行微细通道之间的流量分配出现差异,伴随微细通道出口处的气泡汇集以及逆向生长,实验段中会发生流动不稳定性。随qw/G的增大,0.8 mm内部联通结构实验段中会先发生局部的流动不稳定,再发展为整体的不稳定;长周期大振幅的不稳定特征逐渐转变为了短周期小振幅的不稳定特征,进出口压力和壁面温度的波动幅度先增大后减小,实验段的进出口压降的波动不断增加。同时实验段出口区域的换热机理由核态沸腾为主导转变为以对流蒸发为主导。 在恒定热流密度的实验中,1 mm内部联通结构微细通道改善了实验段平行微细通道之间的流量分配不均匀问题,对流动不稳定性的抑制作用最强,0.8 mm内部联通结构微细通道与渐扩结构微细通道对流动不稳定的抑制能力相近,直通道结构最差。质量流速为888 kg/m2s下,1 mm内部联通结构相比于直通道结构和渐扩结构增加了约20%-30%的压降损失。同时1 mm内联结构实验段的换热系数比渐扩结构实验段的换热系数高约6%-72%,比直通道结构高约54%-122%。 设计了窄形具有1 mm内部联通结构的实验段,在增加了微细通道密度的情况下,窄形的内部联通结构实验段中的流动不稳定性仍被完全抑制。在质量流速为1078 kg/m2s下,换热系数最高达到180 k W/m2K。

关键词： 永磁同步直线电机   机器学习   矢量控制   有限控制集模型预测控制   多步预测  

摘要： 近年来,我国工业化、城市化发展进程加快,在发展的过程中电机发挥了关键的作用。与旋转电机相比,直线电机不需要齿轮和丝杠等中间传动环节,直接进行直线往复运动,具有速度快、精度高和噪声小等优点。其中,以永磁体作为转子的永磁同步直线电机(PMLSM),因其具有体积小、效率高、机械损耗小和动态响应速度快等优势,已被广泛作为电梯牵引、物流运输和高精度机床加工等现代化工业领域新型驱动方式。由于PMLSM具有简化的机械结构,更容易受到电机参数和负载变化等因素的影响,同时PMLSM是一个非线性、强耦合、多变量的系统,其非线性建模误差和位置信号检测噪声等均会对PMLSM的控制性能产生较大的影响。传统的控制方法无法更好的应对上述情况的影响,因此本文以PMLSM系统为研究对象,将机器学习算法引入PMLSM控制领域,相关研究如下:首先,本文对PMLSM基本结构、运行原理进行了描述,并建立其数学模型。为方便分析及降低控制算法设计的复杂度,引入坐标变换,完成电机数学模型的降阶和电磁解耦变换。以坐标变换的基本原理为基础,得出d-q坐标系下的PMLSM的数学模型,同时分析了矢量控制的基本原理,并以此建立PMLSM的矢量控制结构。其次,针对传统PID控制器自适应差的问题,利用增量式宽度学习(IBL)优秀的非线性逼近能力对PID控制器进行优化,并设计了基于PID的增量式宽度学习控制器。相比于固定增益PID控制器,IBL控制器对参数变化和负载干扰不敏感,能够更好的满足控制要求,而无需频繁地调节控制器参数。IBL控制器的设计过程可以在不了解PMLSM系统的数学模型和其他先验知识的情况下进行,并将整个系统视为黑盒,降低了控制器设计和优化的难度。然后,使用MATLAB/Simulink仿真平台,验证了所提控制方法的有效性。然后,为提高PMLSM控制性能,多步长有限控制集模型预测控制被应用到电机控制领域。为解决多步预测算法计算量大的问题,将随机配置网络(SCNs)与模型预测控制结合,设计了基于模型预测的随机配置网络控制器。多步模型预测使用穷举法选择最优开关矢量,随着周期增多,其计算量会以几何级数增长,极大地增加了硬件设备的负担。SCNs具有优秀的通用逼近能力,能够拟合多步预测控制器,并在降低计算量的同时达到多步预测控制效果。然后,使用MATLAB/Simulink仿真平台,验证了所提控制方法的有效性。最后,基于d SPACE构建了PMLSM系统的半实物仿真平台,对所提出的控制算法进行实验验证。通过与传统PI控制器和多步预测算法对比,验证了本文方法在实验中也具有较好的稳定性和控制效果。

关键词： 双有源桥DC/DC变换器   离散控制   电流型控制   瞬态性能   直流偏置  

摘要： 随着全球工业和生产力的快速发展,人们对能源的需求与日俱增。可再生能源具有清洁、低碳、可再生等优点,在新一轮能源变革中获得长足发展,但是,可再生能源发电存在不稳定、间歇性等问题,无法直接应用于设备供电。通过引入储能系统不仅可以实现削峰填谷、平滑负荷、提高供电的可靠性,还能实现用户与电网之间的电能的灵活调度。因此,人们提出了集新能源发电系统、储能系统与负荷为一体的直流微电网。 在新能源发电系统和储能系统中,双有源桥(dual active bridge,DAB)DC/DC变换器作为储能系统中连接直流母线与储能装置的重要环节,需要根据输入与负载需求,快速调节传输功率的大小和流向,实现储能装置在充电和放电模式之间的快速切换。因此,研究具有快速瞬态响应的DAB DC/DC变换器控制技术,对提高储能系统稳定性、可靠性和安全性具有重要意义。本文以DAB DC/DC变换器为研究对象,研究如何提高变换器的瞬态性能。 本文首先研究了电压型离散单移相(discrete-single-phase-shift,D-SPS)控制双有源桥(dual active bridge,DAB)DC/DC变换器存在的直流偏置问题,包括在输入电压/负载电流发生突变时直流偏置,以及稳态情况下由于D-SPS控制移相占空比离散化造成的直流偏置。仿真验证了理论分析的正确性。 其次,提出一种负载电流型多级离散扩展移相(load-current-mode multilevel discrete extended-phase-shift,LC-MD-EPS)控制方法,消除D-SPS控制DAB DC/DC变换器存在的稳态及瞬态直流偏置问题的同时,解决电压型离散扩展移相(discrete-extended-phaseshift,D-EPS)控制输出功率范围小、低功率时电流应力较大的问题。本文所提出的LCMD-EPS控制通过引入负载电流,将负载功率划分为多级,并设置不同的离散内、外移相占空比,增大了功率范围的同时,实现了电流应力优化、直流偏置消除和快速的瞬态性能。同时,考虑负载大范围变化的情况,通过同时改变外移相占空比和控制脉冲占空比的方式,进一步优化了LC-MD-EPS控制的瞬态性能。具体研究内容包括了LC-MDEPS控制原理、参数设计原则、控制器设计步骤及LC-MD-EPS控制优化方法,并通过实验验证了所提控制方法的可行性和有效性。 最后,针对电压型D-EPS控制和LC-MD-EPS控制在非理想电路寄生参数影响下可能出现的直流偏置问题,提出一种峰值电流型离散扩展移相(peak-current-mode discrete extended-phase-shift,PCM-DEPS)控制方法。所提出的PCM-DEPS控制根据输出电压与参考电压的关系,在预设的两个离散的内移相比中,选择并输出有效的内移相占空比,实现了快速的瞬态响应;通过设置电感电流峰值,用以产生外移相占空比信号,消除直流偏置。具体研究内容包括了PCM-DEPS控制的控制原理、控制参数设计原则和控制器设计步骤,并通过实验验证了所提控制方法的可行性和有效性。

关键词： 锂电池   双有源半桥均衡器   移相控制   模块化多层次均衡器   级联倍压整流式均衡器  

摘要： 当今世界生态恶化和能源枯竭等问题严重制约着社会和经济的可持续发展,成为世界各国和地区必须面对的巨大问题。而大规模的发展电动汽车是缓解该问题的重要举措。绝大多数的电动汽车厂商选择锂电池作为电动汽车的动力电池,需要将多节电池单元进行串并联成组以满足电动汽车所需要的电压等级。但是,由于各电池单元在性能上的差异会导致各电池单元在电压上出现不一致性,极大的影响了电池组的使用寿命和使用安全。因此,研究一种均衡速度快、模块化程度高、成本低廉的均衡器对减小电池单元间的电压不一致性具有积极的实用意义。针对传统非能耗型均衡器存在电路拓扑复杂、体积大、成本高等问题,研究了一种双有源半桥均衡器。在详细介绍了其工作原理的基础上建立了等效电路模型,重点分析了开环控制策略下组内和组间电池单元间均衡能量流动的关键因素。研究结果表明:开环控制的双有源半桥均衡器只有在开关频率较低时才有较满意的均衡速度,但较低的开关频率导致均衡器中变压器的体积和重量增加,在开关频率较高或组间电压差较小时,组间电池单元间的均衡速度极慢。针对开环控制下双有源半桥均衡器存在的不足,提出了移相控制策略。重点分析了移相控制下组内和组间电池单元间均衡能量流动的关键因素。研究结果表明:基于移相控制的双有源半桥均衡器可以在高频工作状态下实现组间电池单元间电压的快速均衡,从而使得均衡器中变压器的体积和重量减小。针对传统连续电压采样误差大的问题,采用了分时电压采样的方式,让电池单元处于静置状态时对其进行电压的采集,提高了电池单元的电压采样精度。针对双有源半桥均衡器只能实现四节电池单元间的电压均衡,而电动汽车中串联的电池数量多达上百节。因此,从不同层次构建均衡器,采用双有源半桥均衡器构建电压较低的均衡模块配合级联倍压整流式均衡器构成模块化多层次均衡器。详细介绍了级联倍压整流式均衡器的工作原理并分析了其均衡特性,分析了均衡器相关参数对均衡电流的影响,并且给出了均衡器主要参数的设计范围。研究结果表明:级联倍压整流式均衡器能够实现各均衡模块之间的电压均衡,模块化多层次均衡器能够实现所有电池单元间的电压均衡。搭建了相对应的仿真和实验平台,并且进行了相关的仿真和实验验证,仿真和实验的结果验证了理论分析的正确性。