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关键词： IGBT   热网络模型   Foster模型   Cauer模型   过温保护  

摘要： 随着功率半导体器件的封装体积逐渐缩小,同时应用频率和工作功率密度不断提高,器件工作时的结温不断升高,而温度升高容易导致器件失效,影响器件的可靠性,因此如何对以IGBT为代表的功率电子器件的结温进行检测就显得尤为重要。目前对IGBT的结温进行估计的方式有多种,本文采用基于热电比拟理论的热阻抗网络模型法,建立起等效的能反映器件阻热和储热性能的热阻—热容网络模型。这种热网络模型可以表示器件的传热情况,然后根据器件的功率损耗和热网络模型参数就可以实现IGBT的结温估算。当前典型的一维等效热网络模型可以分为两种:Foster热网络模型和Cauer热网络模型。在研究了热网络模型的结构后,为了构建具体的热网络模型,需要获取其中的热阻和热容参数,方法大致有三种:热参数解析计算法、有限元仿真法、实验测量法,一般会选用实验测量的瞬态双界面法。本文选取英飞凌的IGBT产品IKW40N65H5作为研究对象,利用热阻测试仪器测量得到瞬态热阻抗曲线,然后对所得的瞬态阻抗曲线进行拟合分析,从而获得Foster的热阻和热容参数。由于Foster模型和Cauer模型在数学上是等效的,所以可以利用数学变换方法,实现两种模型的相互转化。热网络模型能反映器件的热行为,从而能对器件的结温进行检测,因此本文利用建立的热网络模型设计了一个有过温保护功能的电路,并对电路内的关键模块进行设计。该电路的核心就是配置一个被保护器件的电热网络模型,然后用与器件功率正相关的电流对该热网络模型充电,得到一个与结温正相关的电压,再经过比较器产生控制器件是否导通的信号,并且由逻辑电路控制过温保护的迟滞。最后在Cadence仿真平台上,基于国内某代工线的工艺平台,对设计的电路进行仿真,仿真结果表明:本文设计的电路可以实现期望的功能,设置的过温保护阈值为160℃,迟滞20℃,即IGBT结温降温到140℃后再重新开启工作。而且可以通过改变逻辑电路中计数器的时钟周期,来改变迟滞量即可以控制IGBT降温到某一温度时重新工作。

关键词： 随机控制系统   强化学习   反馈镇定   最优控制   事件触发  

摘要： 动态系统的状态反馈控制和最优控制是控制理论的基本概念,在理论研究和实际应用中起着重要的作用。然而,针对随机系统,因为其存在不确定性,这无疑增加了我们研究上述控制问题的难度。本文主要基于人工智能领域中热门的算法,即强化学习算法(Reinforcement Learning,RL),分别讨论了几类离散型或连续型的随机系统的状态反馈控制和最优控制问题。主要的工作如下:针对一类离散型随机系统,即概率布尔控制网络(Probabilistic Boolean Control Net-works,PBCNs),提出了一种改进的Q学习算法:加权快速Q学习(Weight Speedy Q-learning,WSQL),并证明了所提出算法的收敛性。基于WSQL算法,我们针对PBCNs设计了状态反馈控制器,实现了 PBCNs的稳定性。最后,通过仿真结果验证了所提出算法的有效性。与传统的控制方法相比,我们的方法适用于模型未知的情况。与Q学习算法相比,我们提出的算法可以更快地使PBCN收敛到稳定点。针对一类连续随机控制系统,我们提出了一种RL方法来处理最优的周期脉冲控制和事件触发的脉冲控制。我们设计了一个马尔可夫决策过程,将最优控制问题转化为在RL框架中找到最优策略。基于此,我们提出了一种基于深度确定性策略梯度(Deep Deterministic Policy Gradient,DDPG)的算法来寻找最优策略。最后,通过仿真验证该算法的有效性。与传统方法相比,该算法不需要知道系统的动态模型,也可以应用于高维耦合情况。与Q学习算法相比,我们提出的算法更接近真实的最优值。最后对于一类连续随机控制系统,我们利用上述构建的强化学习模型研究了其在零阶保持下的最优控制问题。在此情况下,不仅仅要考虑到其控制参数的设计,而且也要根据不同的采样方式设计其最优采样时刻。我们分别讨论了最优确定性采样和最优水平交叉采样。并且通过实验验证了我们方法的有效性。与现有结论相比,我们方法不仅可以应用于模型未知的系统,而且对更复杂的系统也能有比较好的效果。

关键词： 永磁同步电动机   超螺旋滑模控制   无位置传感器   超螺旋滑模观测器   直接转矩控制  

摘要： 永磁同步电动机(PMSM)具有结构稳定、起动转矩大和易于控制的优点,广泛应用在工业生产中。永磁同步电动机的直接转矩控制(DTC)具有算法简单、响应迅速的优点,因此,广泛使用在PMSM调速系统。本文针对传统DTC系统中存在转矩脉动大的缺陷,以及机械位置传感器易受环境影响的缺点,提出了一种基于双滑模的永磁同步电动机直接转矩控制系统。针对传统DTC系统存在的缺陷,引入空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)技术,同时引入二阶滑模中的超螺旋算法,设计超螺旋滑模控制器(STSMC),替换传统DTC系统中的滞环控制模块。通过仿真验证分析,优化的DTC系统降低了磁链和转矩脉动,提高了系统的控制精度。永磁同步电动机转子信息采集精度,对于PMSM控制系统的性能和可靠性至关重要,PMSM通常使用机械位置传感器确定电动机转速和转子位置,机械传感器不仅容易受到恶劣环境的影响而且还使PMSM的结构更加复杂。因此,本文将使用滑模观测器算法(SMO)获取转子的位置信息,传统SMO系统存在观测精度差和高频抖振等问题,因此,本文提出了一种基于双重滤波的超螺旋滑模观测器(STSMO)。高阶滑模有削弱抖振的作用,本文引入二阶滑模中的超螺旋算法,设计了STSMO,传统SMO算法提取反电动势后,利用低通滤波器滤除高频信号以提高观测精度,但效果较差,本文通过构建可变截止频率的低通滤波器和卡尔曼滤波器组成双重滤波系统代替低通滤波器,将STSMO中的符号函数替换为饱和函数,并用锁相环算法代替反正切算法,提高反电动势的观测精度。将改进的STSMO与优化的DTC系统相结合,构成基于双滑模的永磁同步电动机直接转矩控制系统。仿真结果证明,优化后的基于双滑模的永磁同步电动机直接转矩控制系统具有良好的动态和静态稳定性。为验证所提算法有效性,设计并搭建了PMSM无位置传感器控制系统实验平台。实验结果表明:优化后的基于双滑模的PMSM直接转矩控制系统可以有效抑制系统抖振,具有更好的控制精度和稳态性能。

关键词： 电动夹爪   两相混合式步进电机   矢量控制   三闭环控制系统   电流环模糊控制   夹持力  

摘要： 随着协作机器人的兴起和自动化设备市场转型需求的日益旺盛,夹爪所属的末端执行器市场开始被外界关注。作为协作机器人和自动化设备核心功能附件,电动夹爪扮演着重要的角色。研究如何在价格相对较低且使用广泛的两相混合式步进电机的基础上,配合FOC磁链定向控制技术,实现一款高性能的电动夹爪,以满足协作机器人和自动化设备对高灵巧性、适应性强的电动夹爪的需求,具有重要意义。 首先,本文以步进电机为动力源的电动夹爪为研究对象,阐述了夹爪的整体架构及工作原理,分析了该电动夹爪控制系统工作时的特点;为了使夹爪在夹持物品时提供稳定可调的夹持力,提出了使用矢量力矩控制方法来实现夹爪夹持,建立了电动夹爪控制系统的数学模型,包括两相混合式步进电机数学模型和夹爪传动机构的力学传动模型等,推导了夹爪的夹持力输出与交轴电流iq的计算公式;在Matlab/simulink中搭建了电动夹爪系统的仿真平台,仿真结果表明,当夹爪夹持物品即步进电机堵转的条件下,可以采用无压力传感器的方法通过采样电机绕组电流来估计夹爪的夹持力,并通过控制绕组电流来实现夹持力的可控可调。 其次,针对电动夹爪的矢量力矩控制方案,本文设计了位置-速度-电流三闭环控制策略,以位置环为外环,电流环使用模糊PID算法作为内环,并具体阐述了交轴电流iq为控制量的模糊PID控制器设计过程。对电流环进行了仿真,仿真结果表明,在夹爪系统的电流环上使用模糊PID算法会使夹爪的夹持力具有更快的响应速度、更小的超调和更强的抗干扰能力。速度环和位置环均使用传统PID控制,采用串级控制和限幅输出的方法可以实现夹爪的力矩/位置两种状态的无缝切换,解决夹爪运行过程的速度约束和位置规划等问题。 然后,根据电动夹爪的功能性需求,对系统进行了总体设计。具体阐述了电动夹爪控制系统软硬件设计中的关键技术;阐述了夹爪系统的可视化上位机软件设计。 最后,搭建了电动夹爪的实验验证平台,对电机闭环控制的性能进行测试,对系统整体运行进行测试。实验结果表明,步进电机为动力源的电动夹爪,采用无压力传感器的方案,可以通过电机绕组电流来实现对夹爪夹持力的估计和控制。

关键词： 永磁同步电机   滑模变结构   电流解耦   滑模观测器   矢量控制  

摘要： 永磁同步电机具有结构简单、效率高、运行可靠等优点。但其本身具有强耦合、非线性等特点,且传统PI控制在电机运行过程中容易受到外界干扰,从而影响电机性能指标。另一方面,矢量控制仅能在参数恒定时实现电流解耦,但存在的动态耦合随着参数变化影响也越来越严重,从而影响电流环的稳定性,严重时甚至造成系统不稳定。针对上述问题,本文对转速环和电流环分别采用先进控制策略,分析滑模控制与滑模观测器在解决上述问题中的具体应用。 首先针对矢量控制系统中的PI速度控制器对参数变化敏感、抗干扰性能差等缺点,提出一种改进滑模趋近律,达到优化永磁同步电机调速系统的目的。该趋近律以传统指数趋近律为基础,引入系统状态变量,可以动态适应受控系统的变化,保证系统的高跟踪性能的同时降低了控制输入所产生的抖振。同时,因为待调参数较多,参数整定困难,无法确保控制器达到最优。采用改进灰狼算法(IGWO)对系统控制器进行参数整定,使控制器充分发挥其性能。 其次针对永磁同步电机d、q轴电流在参数变化时无法实现解耦问题,设计了改进扩张滑模观测器的电流偏差解耦方案。通过参考电流与实际电流作差建立含耦合项的电流控制方程,计算耦合量并对系统进行补偿,设计电流偏差解耦控制,用来降低d、q轴耦合对系统的影响。因为电流偏差解耦无法完全消除耦合,因此将d、q轴电流耦合和电感参数变化视为扰动,建立多维滑模面下的扩张滑模观测器,用来估计参数变化引起的扰动。针对观测器中滑模部分存在抖振且收敛速度慢等问题,通过Hurwitz指数趋近率进行改进,在一定程度上实现电流解耦。 最后,本文设计了永磁同步电机控制系统实物平台,以TMS320F28335作为控制芯片,硬件系统包括功率驱动单元、控制单元、电压电流采集单元、保护单元。软件部分主要介绍控制系统初始化流程,通信任务,数据采集流程,以及电机控制算法的实现。设置对照组,将传统PI控制、滑模控制在硬件平台上进行试验,对比分析转速仿真图,实验表明改进滑模控制具有良好的动态性能。

关键词： 航空分布式电推进   航空混合电推进   凸优化   直接转矩控制   滑模控制  

摘要： 航空电推进是一种能够优化飞机性能、降低飞机燃油消耗率,减少温室气体排放的航空核心技术。基于航空电推进技术,现阶段出现了综合燃油飞机和全电飞机优点的油电混合电推进技术和充分利用螺旋桨滑流效应提升飞机气动性能的分布式电推进技术。油电混合推进技术与全电推进相比航程更远,续航时间更长,与传统燃油发动机相比,燃油消耗率更低。分布式电推进系统利用电力驱动分布在飞机各个部位的多个电动推进器,在提升飞机的气动性能,动力性能等方面具有较大的潜力。 本文将油电混合动力系统与航空分布式电推进系统相结合,以某款轻型通用飞机为原型机,进行航空分布式油电混合动力系统的控制研究,实现对分布式推进系统和混合电推进系统的效果验证。本文主要工作内容如下: 首先,选取Tecnam P2006T通用飞机为参考机型,以该飞机的飞行参数和性能指标为基础对航空分布式油电混合系统进行方案设计。针对混合电推进系统的关键部件进行选型和建模,为后续章节的飞机气动性能分析,混合电推进系统燃油消耗计算以及推进电机的控制奠定基础。 其次,采用理论与数值仿真对分布式系统中螺旋桨对机翼气动力的提升效果进行验证。同时,针对飞机滑跑、爬升等重要飞行工况,通过动力学方法进行动力性能计算,最终从气动性能和动力性能两方面完成对分布式飞机和传统参考机型的对比分析。 然后,针对混合电推进系统进行以燃油消耗最低为目标函数的功率分配管理。对混合电推进系统的关键部件进行功率模型的搭建。基于搭建的功率模型,采用凸优化方法对电池和发动机功率进行合理分配管理,避免功率分配陷入局部最优,且在满足各阶段飞行任务需求功率的情况下实现燃油消耗最小的目标。 最后,针对航空分布式混合电推进系统推进电机进行多相电机调速控制研究。针对航空推进系统对推进电机提出的高可靠性,高精准度和低脉动的要求,搭建五相永磁同步电机模型,并通过改进的五相SVPWM直接转矩控制方法对多相电机进行控制。为进一步降低转矩脉动,设计了分数阶滑模控制器。针对所提方法进行仿真验证,突变转速和转矩后的仿真结果验证了所设计控制器的有效性。

关键词： 变频器   直流电网波动   电容   快熔  

摘要： 低压交-直-交传动系统由整流桥-直流滤波-逆变电路组成。不管是二极管整流桥还是晶闸管相控整流电路，输出端都是脉动的电信号。由于共直流母线传动系统下，各个电机分别工作在不同象限因而分别处于做功消耗和制动回馈过程，因此直流电网始终处于动态变化中。直流部分的电容组根据电网波动储存或释放电荷有效抑制直流电网波动，同时这种特性也在共直流母线传动系统中的某些特殊工况造成了麻烦。

关键词： 定位纠偏   矢量控制   FPGA   边缘检测  

摘要： 当前,大理石、花岗石等天然石材以其独特多样、持久耐用的特点被广泛应用于公共设施建设领域。在石板加工过程中,卸石板工序是其中的必要环节,一定程度上决定了石板产品的质量、生产效率和石板利用率。由于国内石板加工自动化水平较低,卸石板工序多由人工手动操作冲击钻,先在石板与底板接合部附近上钻划出裂缝,然后再通过手工扳裂石板接合部将石板卸下。本文旨在研究划裂缝机械装置的定位纠偏系统,其中以花岗岩石板为研究对象,采用FPGA为控制器,利用图像处理技术获取石板底部和石材底板相接的边缘位置信息实现定位,引入矢量控制作为电机的纠偏控制方案。本文主要的研究内容有如下几个方面:(1)按照定位纠偏控制系统总体要求,设计本系统的划裂缝机械装置方案、划裂缝电机控制方案和石板目标位置的定位方案。确定滚珠丝杠的传动方案;构建永磁同步电机以及SVPWM的模型,以实现矢量控制;提出使用图像处理技术获取石板目标位置的定位方案。(2)选用FPGA开发板作为主控制器,加上图像传感器、模数转换器构成的采集模块,TFT显示屏构成的显示模块,伺服电机与驱动器构成的驱动模块。另外光照部分选用高均匀LED条形光源和光源模拟控制器。以上共同构成本系统的硬件结构并完成实验台的构建。(3)将图像处理算法移植到FPGA平台,通过自顶向下的设计思想完成软件结构的搭建、设计、仿真以及板级验证,实现石板正面和底板顶面图像的实时采集、处理以及显示,经过边缘检测获取二值化图像的前两个边缘部分的像素行坐标,利用像素行坐标之间的差值进而推算出石板目标位置的坐标信息。(4)进行石板图像的目标位置定位实验测试,实验结果表明:与人工测量对比最大误差在1mm以内。构建永磁同步电机的矢量控制模型,通过PI控制器测试位置环部分的纠偏效果,综合各模块功能进行石板划裂缝实验测试,实验结果表明:冲击钻的钻头定位精度符合预期,验证了定位纠偏控制系统的可行性。

关键词： 航空电动燃油泵   流量控制   矢量控制   预见控制   容错控制  

摘要： 多电发动机是目前航空动力系统领域的重要革新方向,其目的是用电力取代部分的机械和液压结构,使发动机的性能得到全面提升。航空电动燃油泵作为多电发动机燃油系统中的供给装置,要求其具备极宽的调节范围、极快的动态响应以及极高的稳态精度。但是,航空电动燃油泵这一部件具有复杂的非线性特征,同时面临诸多不确定性因素的干扰,增大了控制器设计难度。此外,考虑到发动机高温、高压、强振动的极端工作环境,容易导致航空电动燃油泵关键部件故障,严重危害系统安全。本文针对航空电动燃油泵高性能、高可靠要求,研究其流量控制系统的控制器设计问题以及典型故障情况下的容错控制问题。具体内容如下: 首先,采用一种基于双三相永磁同步电机直接驱动外啮合齿轮泵架构的航空电动燃油泵系统,建立这两大部件的数学模型,为后续仿真模型的搭建与控制器的设计打好基础。 然后,针对双三相电压源逆变器推导出一种三相解耦的PWM控制算法,在此基础上建立航空电动燃油泵流量控制系统仿真模型;接着提出一种基于自适应滑模反馈线性化的预见流量控制器设计方法,利用反馈线性化方法处理电动燃油泵这一非线性模型,自适应滑模控制策略消除建模误差和负载扰动带来的线性化误差,预见控制提高系统对燃油指令的响应速度。 其次,针对位置传感器的失效故障,根据定子磁链方程,利用最小化目标函数并考虑等式约束的非线性优化方法,得到转子位置的在线估计值,实现故障状态下无传感器冗余切换容错控制;针对双三相永磁同步电机的一相开路故障,提出了一种基于电流优化的容错控制方案,将开路故障问题转化为定子参考电流的优化问题,利用一种改进的灰狼优化算法实现了参数的寻优;针对执行机构的偏差故障,基于非线性故障估计器的积分滑模控制律实现对故障的精确补偿,利用自适应动态规划方法得到标称系统的最优控制律,实现了故障下的容错控制。 最后,搭建了一个小型的电动燃油泵实验平台。基于STM32开发板构建硬件平台,利用STM32 MC SDK工具和Keil SDK开发软件程序,验证所提出的基于自适应滑模反馈线性化的电动燃油泵系统预见流量控制器的有效性。

关键词： 异步电机   参数辨识   全阶磁链观测器   矢量控制   无速度传感器控制  

摘要： 无速度传感器控制可以降低硬件成本、减少信号干扰、简化系统结构和高可靠性等优点,在工业生产中得到广泛的应用。为提高无速度传感器控制系统的可靠性,研究了自适应观测器并改善转速估计的性能,提高了控制系统的稳定性。电机参数会对矢量控制中的磁场定向产生影响,参数不准会导致异步电机矢量控制系统性能下降。本文以磁场定向控制为基础,对异步电机无速度传感器控制矢量控制系统和参数在线辨识展开了研究。论文的主要研究工作如下:1.简述了异步电机控制技术发展历程,对比常用的电机转速估计方法。然后分析研究电动机的数学模型,并阐述矢量控制的基本原理,根据数学模型建立了前馈解耦的矢量控制系统,阐述了异步电机电流环和转速环的PI参数设计方法。2.研究了全阶磁链观测器的转速估计方法,对全阶观测器深入分析了转速估计的稳定性,为提高转速自适应的性能,采用反馈增益矩阵使观测器的极点在异步电机极点的左侧,起到了加快观测器收敛和提高了观测器在定子电流频率较低时系统稳定的作用,反馈增益矩阵采用极点左移法和极点倍数法,减少观测器与电机的状态变量误差。分析了定子电流励磁分量误差导致磁链误差对转速估计的影响,并在转速自适应律中引入了励磁电流误差。其次,介绍了观测器的数字离散化方法。3.由于定子、转子电阻参数不准会对转速观测和磁链估计产生误差,采用全阶磁链观测器的参数辨识,并分析了定子、转子电阻参数对间接磁场定向的影响,用Lyapunov稳定性定理推导出了定子、转子电阻的自适应律,实现了在无速度传感器的条件下辨识定子、转子电阻以及高速时同时辨识转速和转子电阻。