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关键词： 开绕组永磁同步电机   混合供电逆变器   电容电压   模型预测控制   矢量控制   功率分配   过调制  

摘要： 开绕组永磁同步电机(Open Winding Permanent Magnet Synchronous Machine,OWPMSM)具有多电平、宽速域、控制灵活等优点,在工业、交通及家电领域得到了广泛的应用研究。混合供电型(Hybrid Inverter,HI)的开绕组永磁同步电机在继承常规OW-PMSM系统优点的同时,具有更低的成本、更小的体积及更高的电源侧功率因数,并且不存在零序电流问题,具有广阔的发展前景。然而,由于电容电压约束项的存在,HI-OW-PMSM系统在控制上仍然有许多问题需要解决。本文将HI-OW-PMSM系统作为研究对象,在考虑该系统特殊电容电压约束问题的情况下,对其高性能控制算法进行深入研究,内容包含: 1.分析HI-OW-PMSM系统中电容电压额外约束对模型预测控制策略和矢量控制策略的影响。对于模型预测控制策略,额外的电容电压约束会降低单矢量MPC的控制精度、增加权重因子数量,同时增加多矢量MPC的算法执行时间和开关频率。对于矢量控制策略,额外电容电压约束的影响主要集中在高速区域。电容电压约束给矢量控制系统引入了额外功率分配环节,限制了过调制算法的实现。 2.为了解决电容电压额外约束给传统单矢量模型预测控制带来的低控制精度和多参数整定问题,提出一种基于电容电压自适应的改进MPC方法。为了在不提高开关频率的情况下提高了算法控制精度,提出利用电容电压自适应变化来降低电压矢量选择误差的方法;电容电压变化时,电压矢量空间位置变得不确定,为了统一此时电压矢量的运动规律,分析了电压矢量运动的轨迹线,并提出一种新型区域划分方法对电压矢量轨迹线进行精准定位;为了进一步确定候选电压矢量及电容电压的自适应参考值,将所提电容电压自适应方法在每条轨迹线上进行分析;最后设计不含权重因子的价值函数,简化系统调参过程。 3.为了解决电容电压额外约束给传统多矢量模型预测控制带来的高计算时间和高开关频率问题,提出一种基于开关占空比模型的改进MPC方法。为了统一电流和电容电压的控制权重,分别提出电流约束和电容电压约束的开关占空比模型。为了简化系统控制流程,根据电流和电容电压约束的开关占空比模型直接计算得到准确的双逆变器开关占空比。在双逆变器的开关占空比的基础上提出一种低开关频率占空比调整方法,降低双逆变器系统每个控制周期内的开关次数。 4.为了解决矢量控制系统中因电容电压约束导致的难以实施过调制的问题,提出一种考虑功率分配的新型过调制方法。首先定义有功电压调制度,在考虑功率分配的情况下对过调制区边界进行重新界定。然后根据重新界定的过调制区,分别提出定子电压矢量的过调制方法、有功电压的过调制方法及六步调制方法,提高电压利用率并拓宽矢量控制的运行范围。

关键词： IGBT功率模块   有限元模型   紧凑型热网络模型   结温估算策略   耦合系统   松耦合算法   奇偶模态分解   解耦条件  

摘要： 在新能源电动车的电气化过程中,绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Translator,IGBT)功率模块广泛应用于电驱系统内的功率变流器,实现电池和驱动电机之间的双向电能传输。作为变流器的核心部件,IGBT功率模块的可靠性和稳定运行直接影响了电驱系统的整体性能。在新能源汽车的应用场景下,恶劣的外界环境和随机波动的工况和对IGBT功率模块的安全运行提出了更为严苛的要求。芯片结温是决定器件安全工作边界的三大因素(温度/电压/电流)之一,精准提取IGBT功率模块的结温信息是保证功率模块运行于安全工作区的前提。 由于成本低,工况适应性好等诸多优点,基于热网络模型的结温估算法得到学术界和工业界广泛关注。然而,为多芯片车规级IGBT功率模块构建合适的热网络模型是依然是需要突破的关键难点;此外,为了实现兼具效率和精度的结温估算,需要对耦合型热网络模型进行算法上的软解耦或拓扑上的硬解耦。本文聚焦以上关键问题从不同角度出发进行了系统而深入的研究,所做的研究工作和创新如下: (1)为了快速评估车规级IGBT功率模块的热性能,根据功率模块的封装结构构建了一种具有物理意义的三维紧凑型热网络模型。基于最小二乘法原理,使用有限元模型仿真得到的稳态和瞬态温度数据分别辨识了热导和热容参数。 (2)为了在线估算多芯片并联IGBT功率模块的结温,通过分析IGBT功率模块内并联芯片的布局特点,构建了低阶的平面化紧凑型热网络模型。更近一步地,设计了包含水温信息的三相结温估算器并提出了一种交错循环式的结温计算方法。 (3)为提升多芯片紧凑型热网络模型的求解效率,根据耦合系统的组成要素,紧凑型热网络模型被等效解耦为若干相互独立的热网络模型和交界面,提出了一种基于分区原理的解耦求解算法。在该算法的基础上,进一步推演了一系列具有更高求解效率的松耦合算法。 (4)针对对称性紧凑型热网络模型的结构解耦问题,分析了奇模损耗和偶模损耗输入情况下的等效热网络模型,基于叠加定理将高阶的紧凑型热网络模型分解为低阶的偶模式和奇模式的热网络模型。在此基础上,提出了一种基于奇模温度反馈的自适应结温计算方法。 (5)针对一般性紧凑型热网络模型的结构解耦问题,通过分析紧凑型热网络模型的等效“解耦”形式,提出了正/负热耦合概念并推导了两芯片和多芯片紧凑型热网络模型的一般性解耦条件。在此基础上,进一步研究了基于宏观运行工况参数的解耦条件,提出了一种基于电动车宏观运行参数的结温计算方法。 此外,搭建了模拟电动车实际工况的实验平台,验证了理论分析的合理性和所提方法的有效性。

关键词： 水面无人艇   分布式集群   最优轨迹跟踪   状态观测器   事件触发  

摘要： 近年来,随着智能化技术的不断发展,水面无人艇(Unmanned Surface Vehicle,USV)在海洋工程领域的应用越来越广泛。相比于单艘USV,多艘USV的协同配合可以提高任务执行效率和扩大作业覆盖范围,具有广阔的应用前景和实用价值。集群轨迹跟踪控制是实现多USV协同作业的关键,其设计不仅要兼顾协同系统的计算资源,还必须考虑风、浪、流等时变未知因素的干扰以及系统各USV缺乏自主决策与自治能力的问题。为保证USV集群能够安全可靠地航行,本文考虑上述问题,结合自适应动态规划算法,对USV集群轨迹跟踪控制开展相关研究,主要研究工作内容如下: 针对USV编队轨迹跟踪中存在的未知扰动和队形变化问题,提出一种基于有限时间扰动观测器的最优反步控制方法。首先,基于虚拟结构法,建立USV编队控制框架,设计运动学和动力学编队控制器;其次,设计有限时间扰动观测器,实时估计补偿未知环境扰动;进而,针对编队队形变化的轨迹跟踪问题,提出基于最优反步控制的动态轨迹优化策略,并利用扰动观测器信息计算最优控制输入,实现USV编队轨迹跟踪的动态优化;最后,采用Lyapunov稳定性理论证明所设计编队控制系统的稳定性。仿真结果表明所提出的控制方法能够有效提高USV编队系统的鲁棒性和稳定性。 针对模型信息不确定的多USV协同最优一致性问题,提出一种基于有限时间扩张状态观测器的分布式集群最优控制方法。首先,将控制理论与斥力场函数相结合,建立灵活决策的自组织USV集群机制;其次,设计分布式有限时间扩张状态观测器,以充分适应涵盖内部动态和外部不确定性/干扰的多种未知情况;然后,通过基于自适应动态规划的分布式控制架构,实现了个体USV的群体协调最优方案;最后,采用Lyapunov稳定性理论证明所设计的集群闭环控制系统半全局渐进稳定。仿真结果表明,在考虑模型信息不确定的情况下,所提出的控制方法能够精确重构USV模型的集总未知项,有效提高无人艇自组织协同控制的灵活性和鲁棒性。 针对USV集群数据交互频繁导致计算资源过度消耗问题,提出一种基于事件触发的分布式自适应最优控制方法。首先,基于触发误差函数,设计事件触发机制的触发条件;其次,将事件触发机制与自适应动态规划算法相结合,提出基于事件触发的自适应最优控制策略,同时给出由事件触发条件决定的神经网络权重更新规则;最后,采用Lyapunov稳定性理论证明所设计的集群闭环控制系统半全局渐进稳定,并证明提出的事件触发控制策略不存在Zeno现象。仿真结果表明所提出的控制方法能够在保证USV集群系统稳定的前提下显著降低控制器的计算负担,缓解系统计算资源的过度占用。 综上所述,本论文通过对多USV协同控制进行深入的研究,为模型信息不确定的USV集群控制系统设计提供新的方法与技术手段。这些研究成果不仅有助于推进USV协同技术的发展和海洋工程领域的应用,也为海上协同巡逻、救援、环境监测等任务的执行提供了可靠的技术支持。

关键词： 永磁同步电机   模型预测转矩控制   转矩稳态波动   权重系数可调   延时补偿  

摘要： 永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)具有结构简单、功率因数高等特点,广泛应用于工业控制领域。对于PMSM,传统模型预测转矩控制(Model Predictive Torque Control,MPTC)难以满足现代控制需求,需要一个控制简单、性能优越的新型控制策略来取代传统方案。本文提出了两种改进模型预测转矩控制方案,解决了传统MPTC计算复杂、转矩纹波大、开关延时高的问题,并进行了仿真分析与实验验证。 本文的主要研究内容如下: (1)针对传统MPTC预测精度不准、计算量大的问题,提出了一种基于快速预测开关表的模型预测转矩控制(Fast Predictive Switching Table-Based Model Predictive Torque Control for PMSM,F-MPTC)。为了减少转矩稳态波动,通过分析候选电压矢量的选择对于转矩波动的影响,提出了稳态快速预测开关表;为了加速转矩动态响应,提出了相应的动态快速预测开关表,同时提出了权重系数PI环,使得权重系数在不同工况下可以调整。仿真结果表明F-MPTC输出转矩稳态波动更小,响应速度更快。 (2)针对计算引起的开关动作延时问题,在F-MPTC的基础上提出了一种改进的延时补偿方案(F-MPTC Based on Delay Compensation,F-MPTC-DC)。该方案通过两步预测来避免计算延时。同时为了得到更加精确的未来参考值,提出了使用最小二乘法来拟合未来参考值的曲线。仿真结果表明最小二乘法比传统拉格朗日外推法更适用于转矩预测,F-MPTC-DC减少了转矩纹波和系统响应时间。 (3)建立了RT-LAB实验平台对提出的两种方法进行验证,实验结果表明F-MPTC-DC可以减少转矩纹波,解决了开关动作延时的问题。F-MPTC-DC的控制效果优于F-MPTC;F-MPTC优于两种的传统控制方法。

关键词： 永磁同步直线电机   滑模控制   无传感器控制   半实物仿真平台  

摘要： 永磁同步直线电机无传感器控制相较于传统硬件传感器不受场所限制,并且还可以减少成本因而广受关注,如何提高无传感器控制系统的跟踪精度和控制精度是当下的研究热点。滑模控制具有响应速度快、鲁棒性强等优点,但是其在电机运行过程中会出现明显的抖振现象,如何削弱抖振成为滑模控制应用的一大难题。本文采用双滑模无传感器控制策略来提高永磁同步直线电机无传感器控制系统的跟踪精度和控制精度,并且改进滑模算法,削弱滑模抖振。论文主要工作概括如下:首先,针对滑模控制存在的固有抖振问题,提出了一种改进指数趋近律。由于传统PID矢量控制动态性能有限,在速度环上采用滑模控制器代替传统PI控制器。同时为削弱滑模抖振现象对指数趋近律进行改进,并基于改进指数趋近律设计了改进滑模控制器,对其控制效果进行仿真验证,结果表明所提出的改进滑模控制器能够有效削弱抖振,提高矢量控制精度。其次,针对在基于滑模观测器的无传感器控制系统中采用正交锁相环估计电机速度位置信息时存在的固有稳态误差问题,提出一种基于3型锁相环的超螺旋滑模观测器。为了进一步缓解滑模抖振现象,利用二阶滑模控制算法中的超螺旋算法设计了超螺旋滑模观测器,进一步削弱了滑模抖振。对传统锁相环的稳态误差进行分析,通过升阶来消除频率斜升误差。通过仿真实验验证了所提出的基于改进超螺旋滑模观测器的无传感器控制方案具有更高的观测精度以及更好的控制效果。最后,为了验证所提出的无传感器控制方案在电机控制中的有效性,将所提出的改进滑模控制器和改进超螺旋滑模观测器加入Speedgoat半实物仿真实验平台软件系统形成双滑模无传感器控制,在Speedgoat半实物仿真实验平台中对所提出方案在两种不同工况下进行了实验验证。最终实验结果表明所提出的双滑模无传感器控制方案具有更加良好的速度、位置跟踪精度和抖振削弱效果。

关键词： IGBT   驱动隔离   驱动保护   发展趋势  

摘要： Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)门极驱动技术是目前变流器中应用最广泛的一种技术。本文主要介绍了IGBT门极驱动技术的隔离方式和发展趋势。重点分析了电动汽车领域的应用新需求，对未来IGBT门极驱动技术的发展趋势进行了展望，并指出了需要重点研究的方向和挑战。总之，IGBT门极驱动技术是IGBT能够正常工作和发挥优势的关键。通过对现状和发展趋势的研究，可以为进一步推动该技术的发展提供有益的参考。

关键词： 随机Galerkin方法   随机抛物方程   最优控制   Monte Carlo方法   径向基函数  

摘要： 很多现象可以用偏微分方程来描述,许多实际问题则需要进一步结合最优控制理论与方法来刻画,这样就产生了偏微分方程最优控制问题的相关研究.然而现实世界中随机因素无处不在,因此需要进一步考虑随机偏微分方程及其最优控制问题理论与求解方法.通常很难求得精确解,从而随机偏微分方程及其最优控制问题数值求解方法的研究显得格外重要,目前主要有Monte Carlo方法、随机Galerkin方法和随机配置法.Monte Carlo方法对于高维问题往往是一种非常行之有效的办法,但随机空间维数的增长会使得计算量无法承担.随机Galerkin方法会形成大规模的耦合系统,随机空间维数的增长会导致维数危机.随机配置法充分利用了前面两者方法的优点,但所需要的配置点会随着随机空间维数的增长而迅速增加.径向基函数方法作为高维插值的有效手段,已被应用于求解随机微分方程,近来被应用于求解具有随机场系数的椭圆方程及其最优控制问题.本文主要研究具有随机场系数抛物型偏微分方程及其最优控制问题的径向基函数随机Galerkin方法,主要研究内容如下:讨论具有随机场系数抛物型偏微分方程,利用不同径向基函数方法求解该问题.物理空间方向上运用谱方法进行求解,概率空间方向上采用Matern、GIMQ径向基函数逼近,时间方向上使用向后欧拉法离散,构建相应离散系统进行求解,并和Monte Carlo方法求解结果进行对比,展示所采用方法的高效性.考虑具有随机场系数抛物型偏微分方程最优控制问题的径向基函数随机Galerkin方法求解,推导最优性条件,构造离散格式,给出逼近的先验误差分析,并通过大量数值实验验证方法的有效性.

关键词： 永磁同步电机   模糊神经网络   矢量控制   无速度传感器  

摘要： 随着经济的发展,工业自动化程度不断提高,永磁同步电机被广泛应用在化工行业领域内,具有体积小、重量轻、寿命长、稳定性高等优点。就目前而言,PID控制因其结构简单、可靠性高且技术成熟而广泛应用于大部分控制领域,但是永磁同步电机为非线性系统,耦合度高,传统的PID控制无法满足其精度高、响应速度快的要求,针对这个问题,设计了模糊神经网络控制器,主要研究内容如下: 首先,从机械结构和类型,对永磁同步电机进行了分类并做出了详细介绍,阐述了永磁同步电机中三种常用的坐标系及坐标系之间的相互转化,并在不同坐标系下建立了永磁同步电机的数学模型。 其次,分析了永磁同步电机矢量控制的原理及其控制策略,阐述了模糊控制和神经网络控制的控制策略,从而延伸到模糊神经网络控制,详细介绍了模糊神经网络的结构特点,提出了通过模糊神经网络对规则层到输出层每个权重参数的修正,实现对永磁同步电机的稳定控制。分析了传统滑模观测器原理,并在此基础上构造了自适应滑模观测器方程,并验证了自适应滑模观测器的可行性。 然后,为了验证模糊神经网络控制算法以及无速度传感器算法的可行性,通过MATLAB/SIMULINK搭建仿真模型,对模糊神经网络算法和传统PID算法进行仿真实验和对比,通过实验数据对比验证了算法的可行性与优势。 最后,搭建了永磁同步电机硬件实验平台,通过上位机软件将SIMULINK仿真转换为C程序下载到控制器内。通过硬件平台分别进行带负载启动和期望转速突变实验,实验结果表明系统能够按照期望转速快速响应,且能够平稳运行,验证了模糊神经网络算法的可行性以及无速度传感器算法的可行性。

关键词： 欠驱动机器人系统   最优控制   滑模控制   观测器   自适应律  

摘要： 欠驱动机器人系统是一种系统控制输入个数小于系统自由度的机器人系统。欠驱动机器人系统有着一些独特优势,如质量轻、能耗低、成本低等,可以用较少的控制器完成复杂的控制任务。但欠驱动机器人系统是高度非线性和强耦合的,在实际应用中容易受到干扰的影响,将极大地降低系统控制性能。为此,本文针对受干扰欠驱动机器人系统的滑模控制方法展开了研究,主要工作内容总结如下:(1)针对受外界干扰的欠驱动机器人系统的稳定控制问题,提出了一种最优二阶积分滑模控制(Optimal Second-order Integral Sliding Mode Control,OSISMC)策略。首先,利用状态相关黎卡提方程为标称系统设计最优控制律,使系统达到最优性能。然后,基于最优控制律设计最优积分滑模面,保证了对扰动的鲁棒性。进一步设计了二阶积分滑模控制器来抑制控制输入中的抖振。最后引入最优控制律得到了总的控制律OSISMC。借助Lyapunov理论证明了系统的稳定性,并在仿真中对比验证了所提OSISMC的有效性。与传统滑模控制相比,所提OSISMC不仅提高了欠驱动机器人系统的控制性能和对外部扰动的鲁棒性,而且减小了滑模控制中的抖振。(2)针对受外界干扰的欠驱动机器人系统的稳定控制问题,提出了一种基于有限时间干扰观测器的光滑超扭曲滑模控制策略。首先,为了提升观测效果并保证系统对未知干扰的鲁棒性,将常规的非线性干扰观测器改进为有限时间的干扰观测器去估计未知扰动。其次,在滑模控制中引入超扭曲算法,设计了一个光滑超扭曲滑模控制器作为系统的主控制器。其将不连续的控制量变为连续的控制量,从而削弱控制输入中的抖振现象。最后,利用有限时间干扰观测器的扰动估计值设计扰动补偿器,并与光滑超扭曲滑模控制器结合得到欠驱动机器人系统总的控制器。借助Lyapunov理论证明了系统的稳定性,并在仿真中对比验证了所提方法的有效性。该控制方法提高了欠驱动机器人系统的稳定性,在削弱滑模中抖振的同时大大地缩短了系统的收敛时间,提升了各关节的控制精度。(3)针对受外界干扰的欠驱动机器人系统的稳定控制问题,提出了一种基于扩展状态观测器的自适应分层滑模控制策略。首先,设计扩展状态观测器来估计关节状态和由匹配扰动和不匹配扰动组成的集总扰动。再将欠驱动机器人系统划分为两个子系统,然后利用观测器估计的状态设计了分层滑模控制器来补偿集总扰动,并设计了自适应律来调整切换增益。借助Lyapunov理论证明了系统的稳定性,并在仿真中对比验证了所提控制方法的有效性。该控制方法有效地缩短了系统的收敛时间,提高了欠驱动机器人系统的控制精度。