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关键词： 最优控制与最优估计课程   优质课程   课程结构   教学方法   教学资源  

摘要： 研究生优质课程建设是提高高等教育质量和培养高水平人才的重要举措。文章针对“最优控制与最优估计”课程，从课程结构、教学理论、团队建设、教学方法、教学资源、考核方式等方面进行研究生优质课程的建设和探索，为培养德才兼备的高素质人才打下良好的基础。

关键词： 永磁同步电机   模型预测电流控制   超局部模型   扩展滑模观测器   参数失配  

摘要： 永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)因其高精度、高效率和卓越的性能等特点在工业领域被广泛应用,同时,PMSM系统作为典型的非线性系统,传统PI控制方法在某些特定情况下无法达到令人满意的性能,而模型预测控制(model predictive control,MPC)作为一种简单易用、快速响应、控制性能优异的控制方法,近年来逐渐成为国内外学者研究的热点。然而,由于MPC是一种基于电机模型的控制方法,导致其高度依赖于模型参数的准确性,预测模型与实际模型的参数失配会直接导致控制性能的下降。为了降低参数失配对永磁同步电机模型预测控制的影响,本文提出一种永磁同步电机鲁棒双矢量模型预测电流控制,具体工作如下:1.针对单矢量MPCC在单个控制周期只能输出一个开关状态的问题,分析了双矢量MPCC的基本原理,对第二电压矢量的选择方法进行了改进,缩小了电压矢量的选择范围,降低了算法复杂度,通过搭建仿真模型对单矢量和双矢量MPCC进行了仿真分析。2.针对永磁同步电机模型预测电流控制对参数敏感的问题,从预测电流值和电压矢量作用时间两方面,分析了不同参数失配情况下的双矢量模型预测电流控制的误差,并搭建仿真模型对不同参数失配导致的误差进行了可视化的分析。3.基于无模型控制思想,分析了传统的超局部模型,并在此基础上做出改进,采用设计的改进超局部模型重构电流预测模型,设计扩展滑模观测器对超局部预测模型中的未知扰动项进行观测,并用Lyapunov函数证明其稳定性,针对传统滑模观测器在滑模面附近出现抖振,导致稳态性能不佳的问题,引入fal函数替换原有的符号函数以抑制抖振现象。仿真和实验结果表明,相较于传统双矢量MPCC,所提方法消除了参数失配导致的电流预测值和电压矢量作用时间的误差,提高了PMSM系统的参数鲁棒性。

关键词： 永磁同步电机   IGBT   结温   自适应超螺旋滑模观测器  

摘要： 当前伴随着社会生产和应用技术的发展,电机被广泛地应用在工程实践中,现有的电机类型主要包括:直流电机、异步电机、开关磁阻电机、直流无刷电机、永磁同步电机等,其中永磁同步电机以功率因数高、结构简单、体积小、噪音小等特点被广泛运用在社会生产当中。本文先介绍了国内外电机的发展现状,对不同类型电机的优点和局限性进行了分析,并着重介绍永磁同步电机的结构和运行原理。 在工程应用中,多种控制策略被应用于永磁同步电机,本文分析了永磁同步电机不同控制策略及其优缺点,由于矢量控制具有高控制精度和良好的动态性能,同时为了降低电机成本和占用空间,永磁同步电机通常采用无传感器的矢量控制方法,鉴于滑模观测器不受电机参数影响、调节方便、计算简单、收敛快速等优点,在无传感器算法中通常采用滑模观测器,但滑模观测器会导致系统产生严重的抖振现象,为了解决抖振问题,许多学者已经提出了很多不同的解决方案,本文比较了这些解决方案的优缺点,为了优化滑模观测器的性能,本文在分析滑模变结构理论的基础上提出了一种自适应超螺旋滑模观测器,通过仿真和实验验证了本文提出的自适应超螺旋滑模观测器相比经典滑模观测器和超螺旋滑模观测器具有更好的稳定性和抑制抖振能力。 逆变器是一种将直流电转换为交流电的电子设备,在现代电力系统中,逆变器由于其易操作、易控制、易实现的特点已被普遍地应用于永磁同步电机驱动电路中,但逆变器在运行过程中面临着复杂多变的环境,这增加了IGBT的损耗,也极大地加剧了逆变器的结温,从而使逆变器疲劳老化,影响系统运行的可靠性,针对三相逆变器采用空间矢量脉宽调制驱动方式时运用固定开关频率和额定直流母线电压会存在直流电压利用率低、IGBT损耗较高的缺点,许多学者提出了很多不同的驱动策略,本文对其进行了优缺点分析,为了进一步优化IGBT损耗,本文介绍了基于空间矢量脉宽调制的IGBT平均损耗模型和电流纹波有效值计算方法,在此基础上提出了一种变直流母线电压变开关频率的永磁同步电机驱动方式,通过仿真和实验验证了本文提出的变直流母线电压变开关频率驱动策略能够在保证输出电流质量的基础上有效降低IGBT平均损耗,从而降低IGBT的结温,提高逆变器运行的可靠性,提高直流母线电压利用率。

关键词： 三相逆变器   IGBT   老化失效   状态监测   数字孪生  

摘要： 三相DC/AC逆变器广泛应用于电机驱动和电能变换等领域,其主要使用于大功率场合,在工作过程中承受较高的电、热应力,增加了逆变器系统的故障发生率。其中功率半导体器件是最易发生故障的薄弱环节之一,在大功率场合下,这些故障的发生将会造成严重事故。因此,在线监测逆变器关键器件的老化失效,及时更换临近失效器件,具有很大意义。 考虑到IGBT的监测与逆变器系统密切相关,本文首先考虑了逆变器的老化失效因素,对电感、电容、线路进行了分析,得到其随老化程度的变化关系。之后详细探究了IGBT的失效原因与失效模式,总结出IGBT主要的老化失效电参数,为后面的数字孪生系统的构建和IGBT电参数的搜寻打好了理论基础。 然后本文分析了三相逆变器的基本原理,对三相逆变器主功率模块和控制电路构建数字孪生模型,并釆用四阶龙格库塔数值算法解析模型。据此本文提出了一种基于数字孪生的三相逆变器IGBT老化失效基础监测方法,将实验电路的采样数据和数字孪生系统计算出的数据进行处理,构造出目标函数,采用粒子群优化算法进行演化迭代,借此更新数字孪生系统中的数据集。之后本文在该基础监测方法上进行改进,获得了监测效果更好的改进监测方法。改进监测方法将逆变器参数进行分步辨识,通过对比采样和计算数据,对采样的波形数据的不同频率量进行筛选,构建出更合适的目标函数,使得IGBT的导通电压可以较为准确的被检测出。此外,改进方法通过对三相逆变器工作状态的分析,筛选出续流模态数据导入模型中,剔除了高压影响,使得IGBT导通电压和反向并联二极管正向电压具有更好的区分度,进而更准确的搜寻出IGBT电参数。 最后使用三相逆变器硬件平台,通过更换不同型号的IGBT来验证所提方法的有效性。实验中记录了每种情况下三相逆变器硬件平台的输入、输出波形数据,将获得的数据代入了数字孪生系统中进行IGBT电参数的搜寻,最后通过加热台改变器件温度,在不同工作温度下采用改进监测方法对IGBT进行监测。结果表明,两种监测方法均可对IGBT导通电压进行监测,但改进监测方法可以在三相逆变器不同的工作温度下对IGBT的老化电参数进行更快速、更准确的监测。

关键词： 多智能体系统   事件触发控制   自适应动态规划   网络攻击   最优控制   海上自主水面船  

摘要： 在多智能体系统中,通信网络扮演着连接智能体的重要角色。它允许智能体之间进行信息传递、共享知识、协调行动,并在系统中实现协同工作。但由于通信网络的引入,网络安全和网络资源受限问题日益突出。因此,研究网络攻击下多智能体系统事件触发控制,保证系统安全可靠运行具有重要的理论意义和工程价值。本文考虑网络攻击下事件触发多智能体系统的设计与分析,并将其理论方法推广到多自主水面船应用中。主要研究工作如下:首先,本文研究了基于简化自适应动态规划的多智能体系统事件触发控制问题。基于智能体的自身及其邻居的状态信息,得到局部邻域一致误差,定义每个子系统的局部性能指标函数,构建事件触发汉密尔顿-雅克比-贝尔曼方程。采用单网络自适应动态规划架构求解事件触发汉密尔顿-雅克比-贝尔曼方程,得到事件触发最优控制策略。引入经验延迟技术更新神经网络权值,从而放宽了持续激励条件的要求。通过李亚普诺夫泛函证明闭环系统中的所有信号最终一致有界。其次,本文研究了遭受虚假数据注入攻击的多智能体系统事件触发最优控制问题。通过设计安全预选器,采用排序法和中间值算子来获取未受到攻击的传感器数据。同时,针对系统内部状态无法测量的问题,利用获得的传感器数据,设计了状态观测器来估计系统的不可测状态。在此基础上,得到局部邻域一致误差并设计局部性能指标函数,建立汉密尔顿-雅克比-贝尔曼方程。引入事件触发机制,将求解时间周期采样最优控制问题转化为求解事件触发最优控制问题。采用单网络自适应动态规划方法求解事件触发最优控制策略,避免了显式地计算值函数和策略函数,从而简化了计算过程,减少了计算复杂度。然后,本文研究了拒绝服务攻击下带有输入量化的多自主水面船事件触发控制问题。采用图论和领导-跟随法相结合的结构,通过坐标转换对多自主水面船系统进行解耦。利用扇区有界特性将回滞量化器的输出进行非线性分解,消除量化误差。设计相对阈值事件触发机制,并根据物理元件输出电压电平信号之间的逻辑关系,提出了一种基于可靠攻击检测机制的事件触发控制策略,降低控制输入更新频率的同时,可以有效减轻拒绝服务攻击的不利影响。最后,通过李亚普诺夫分析,所提出的控制协议可以确保所有闭环信号在攻击下仍保持有界。最后,本文研究了拒绝服务攻击下带有未知干扰的多自主水面船动态事件触发控制问题。根据图论和领导-跟随法的结构,采用坐标转换对多自主水面船进行解耦。设计了带有辅助变量的干扰观测器来估计未知的干扰,通过在虚拟控制器中添加等量的补偿,可以实现对未知扰动的估计和抵消。同时,结合触发误差和动态调整规则,并根据物理元件输出电压电平信号之间的逻辑关系,提出了一种基于可靠攻击检测机制的动态事件触发控制策略。与相对阈值事件触发机制不同,所设计的动态事件触发机制不需要始终固定,根据动态规律进行动态调整阈值参数,进一步减少了控制器与执行器之间不必要的传输,从而提高了资源效率。

关键词： 开关磁阻电机   转矩控制   直接转矩控制   转矩分配函数   可靠性  

摘要： 开关磁阻电机具有结构简单、起动转矩大、频繁起停、调速范围宽等优点,广泛应用于航空航天、轨道交通、船舶工业等诸多领域。然而由于其转矩脉动较大,运行时噪声大同样也在一定程度上制约了其应用,为了改善这个问题,本文针对开关磁阻电机的转矩控制策略展开了研究。首先,一个准确的磁链模型是研究开关磁阻电机转矩控制的首要一环,本文提出了一种简化的开关磁阻电机磁链模型,该模型可以准确的获取电机的相磁链,同时可以在电机运行过程中快速将磁链转换为转矩。所提出的建模策略采用了耦合系数ε来拟合每个角度的测量曲线,与低阶傅里叶分解方法相比,本文提出的模型有效地提高了磁链模型的精度。针对电机运行过程中受制造工艺、摩擦系数和测量误差影响导致磁链数据不准确的问题,本文采用了一种补偿策略,该补偿策略基于电机的加速度回路,可以进一步提高电机磁链模型的精度。对三阶傅里叶磁链模型和所提出的磁链模型分别采用脉宽调制策略和角度位置控制策略获取其电流波形并进行了比较,验证了所提出的方法具有较高的建模精度。为了优化开关磁阻电机的转矩脉动的问题,对传统的直接转矩控制策略进行了改进,有效降低了电机的转矩脉动。为了使电机的实际转矩更好地跟踪参考转矩,所提出的方法取消了传统的转矩滞环控制器,相应地,采用了模糊控制器定量分析参考转矩和实际转矩之间的差异,从而获取了代表不同需求下的转矩参考因子,并选用合适的电压矢量分别对其进行控制。同时,为了更好的实现转矩控制,本文对现有的扇区进行了优化,简化了控制算法也提高了控制效果。为了验证该方案的有效性,通过仿真和实验,将所提出的方案与电流斩波控制策略和传统的直接转矩控制策略在12/8的开关磁阻电机上进行了比较。结果表明,该方法能够有效地降低开关磁阻电机的转矩脉动。其次,由于开关磁阻电机在采用抑制转矩脉动控制算法后运行效率会随之降低。为了在不降低电机效率的前提下减小电机的转矩脉动,提出了一种新型的转矩分配函数控制策略。在提出的转矩分配函数控制策略中,电机的换相区域分为两个区域。在前一区域中,通过降低输入相转矩分配的比例,可以实现输入相实际转矩快速跟踪参考转矩,电机的转矩脉动有效降低。同时由于在输入相电感变化率较低时减少输入相分配的转矩,从而输入相的峰值电流随之降低,电机的转矩电流比提高。在后一区域中,将输出相的电流在转子对齐位置附近处减小到0,以避免产生较大的负转矩。因此,在所提出的方案下电机的转矩脉动得到有效抑制,电机的效率相较传统转矩控制策略也得到提高。为了验证该方法的有效性,在一台12/8三相开关磁阻电机上进行了仿真和实验。结果表明,所提出的转矩分配函数控制策略不仅能降低开关磁阻电机转矩脉动,也能有效地提高开关磁阻电机的运行效率。最后,文中提出了一种考虑不同热应力和容错能力的开关磁阻电机转矩控制系统可靠性分析方法。为了获取器件的失效率,建立了功率变换器的热路模型,可以快速准确地获得器件的结温,并计算出器件的可靠性参数。随后采用了一种k-out-of-n:G模型和可靠性框图结合的方法评估了系统的可靠性。为了进一步提高系统的可靠性,采用了一种在线优化系统可靠性的模型,该模型可以计算出任意故障状态发生后系统的可靠性,通过在线调整系统运行参数的方法有效改善系统在发生故障后的运行状态,提高该状态下的可靠性,从而实现整个转矩控制系统可靠性的提高。与传统的静态可靠性模型进行对比,所提出的模型同时考虑了热应力和容错能力,可靠性模型的精度更高。本文有图90幅,表17个,参考文献164篇。

关键词： 4H-SiC   沟槽IGBT   低损耗   续流二极管   横向集成  

摘要： 碳化硅(SiC)是一种第三代典型的宽禁带半导体材料,因其具有优秀的物理及化学特性,在高温、高压、抗辐射和大功率等多个领域具有广阔的应用前景。在电力电子器件研究领域,4H-SiC绝缘栅双极型场效应晶体管(IGBT)以其高输入阻抗,驱动简单,耐压等级高,功率密度高等特点,成为当前研究的前沿和热点。4H-SiC IGBT作为一种双极型器件,在导通时其漂移区存在高浓度载流子,这导致其关断损耗远高于单极性器件,此外由于4H-SiC IGBT不具有反向导通机制,因此在电路应用中必须反并联一个续流二极管(Free Wheeling Diode,FWD)用来保护器件,这导致电路中存在寄生电感同时增加了使用成本。低损耗和集成续流二极管问题是4H-SiC IGBT研究重点,本文主要研究内容如下:1、对于4H-SiC IGBT损耗较高的问题,提出一种具有侧壁超结的4H-SiC IGBT(4H-SiC GSJ-IGBT)。其在器件关断时通过沟槽侧壁超结促进漂移区内载流子的抽取速度,减小了拖尾电流,从而降低关断损耗。相较于传统IGBT器件,4H-SiC GSJ-IGBT的关断损耗降低了35.2%,因导通损耗的增大,总能量耗散降低了33.3%。同时沟槽侧壁超结的引入可以有效调制电场从而减弱电场聚集效应,峰值电场由10.3 MV/cm降低到3.594 MV/cm,正向击穿电压由11.8 k V提升到15.3 k V,提升器件击穿电压和工作稳定性。2、对于4H-SiC IGBT续流二极管集成的问题,在第三章研究基础上,提出一种横向集成续流二极管的低损耗4H-SiC IGBT(4H-SiC WRC-IGBT)。其在器件结构的横向集成了续流二极管,使新型器件具备了反向导通机制,同时在引入侧壁超结后使关断损耗降低47%。仿真结果表明,新型器件具有优秀的反向恢复性能,相较于仿真电路中使用的Pin二极管其具有更快的反向恢复速度,此外通过对横向扩展的结构和参数优化,使器件消除了电流折回效应,击穿电压由优化前的3 k V达到优化后的11 k V,峰值电场由12 MV/cm降低到5.9 MV/cm。

关键词： 模块化多电平换流器   交交变频器   电机驱动   谐波抑制   损耗优化  

摘要： 中高压大功率电机驱动系统是现代电力工业中不可或缺的重要动力装置,模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)因其模块化程度高、便于拓展、可靠性好等诸多优势而被视为中高压大功率电力传动领域最有潜力的驱动方案之一,并引起了国内外学者的广泛研究。MMC中包含有大量电容器件,其电容在低频运行下由于较长的充放电时间将出现大幅电压波动,将严重影响MMC系统的正常输出与可靠运行,这限制了MMC在大功率低频传动场景下的应用。针对这一难题,本文所开展的具体研究内容与创新性成果如下: (1)本文提出了一种基于MMC和交交变频器(Cycloconverter,CCV)的大功率电机驱动系统。电路结构由MMC和CCV级联组成,其中MMC将直流侧电压转换为中频交流电压,再由CCV将中频交流电压转换为低频交流电压驱动电机,不仅继承了MMC在电压扩展和控制性能方面的优点,而且有效避免了传统MMC的低频运行缺陷。基于所提驱动系统的电路结构,本文深入解析了其工作原理,并对驱动系统中的关键电路参数进行了设计,以满足各电气量的运行约束。另外,本文还针对器件数量、尺寸重量、硬件成本等方面,通过案例研究对所提驱动系统与同类驱动方案进行了定量比较,为后续进一步研究提供了参考。 (2)本文提出了一种基于MMC和CCV的大功率电机驱动系统控制策略,以保障驱动系统正常稳定运行。基于所提驱动系统各电气量之间的耦合关系,本文建立了驱动系统中各换流器和电机的数学模型,然后基于dq同步旋转坐标系与电压电流双闭环控制方式,提出了驱动系统中各换流器的基本运行控制策略,实现了对MMC交流输出电压和电机转速的矢量控制;接着本文详细分析了所提驱动系统中的中频交流链路谐波特性,进一步提出了中频交流电压谐波抑制策略,采用电容电流反馈控制方式,并设计多谐波电流控制器取代原本的电流内环,从而抑制驱动系统中频交流链路中的电压畸变,保障驱动系统稳定运行。 (3)本文提出了一种基于MMC和CCV的大功率电机驱动系统损耗优化策略,以提高驱动系统整体运行效率。本文对所提驱动系统中的运行损耗进行了分类,并基于损耗计算模型,根据仿真案例计算了所提驱动系统的各部分损耗分布与占比,确定了损耗优化的重点目标;然后在损耗分析的基础上,本文提出了一种基于分频双载波调制的驱动系统损耗优化策略,实时监测CCV晶闸管触发脉冲,并适时切换高频载波模式与低频载波模式进行MMC混合调制,有效减小了驱动系统中的开关损耗,提高了运行效率;同时所提损耗优化策略采用基于改进排序法的脉冲分配器,在平衡子模块电容电压的同时,进一步平衡了不同子模块间的损耗分布,减小了驱动系统中各子模块间的损耗差异,对于提高驱动系统的整体可靠性和寿命具有积极意义。 (4)本文基于专业工具PLECS仿真软件和实验室搭建的小型实验样机,分别对所提基于MMC和CCV的大功率电机驱动系统的电路原理、控制策略、损耗优化策略等多项研究成果进行了仿真和实验验证,仿真与实验结果均与其理论分析一致,验证了上述研究成果的有效性。

关键词： 可重构机器人   微分博弈   人机交互   最优控制   自适应动态规划  

摘要： 随着工业4.0进程的不断推进,机器人产业的发展与技术的提升已经成为我国制造业由“劳动密集型”向“技术密集型”转变的重要突破口,担负着国家高新科技实力“弯道超车”的重要使命,对我国经济体制转型与高精尖制造业的发展起到举足轻重的作用。近年来,随着人与机器人共享工作空间的不断增大,人们迫切期待能够与机器人通过密切的肢体接触实现安全、和谐的人机交互(Human-Robot Interaction,HRI),将人的机动性、适应性和解决问题的灵活性与机器人的力量、耐久性和运动的精确性结合起来,精准高效的完成人机交互牵引、装配与运输等工作。可以预见的是,在当前“十四五”规划的指引下,在全面实现“中国制造2025”战略目标的决胜时期,在坚持“以人为本”思想发展机器人产业的进程中,面向人机交互的机器人系统将占据极其重要的战略地位。尽管目前多种机构类型的机器人系统在人机共融环境下作业的安全性与精确性已经得到了极大的提升。然而,现有的面向人机交互的机器人还存在一个共同的缺点,即是难以根据不同的人机交互环境与任务需求来改变自身的构形配置与工作模式,而现有的能够在复杂环境下完成多种人机协同作业任务的机器人大多被设计成具有庞大的尺寸及足够多的自由度,这种设计不但使得机器人造价昂贵,而且会降低机器人的稳定性与控制精度。可重构机器人(Reconfigurable Robot Manipulator,RRM)是一类具有标准模块与接口,可根据不同的任务需求对自身构形进行重新组合与配置的机器人。根据“模块化”与“可重构”的设计理念,可重构机器人的每个关节模块均包含了通讯、传感、驱动、控制等单元,通过对这些模块进行重新配置可以使机器人呈现多种装配构形来完成不同的工作任务,从而表现出传统机器人所不具有的优势。近年来,可重构机器人系统在装配、焊接、涂胶、分拣等工业生产领域已经得到了广泛的应用,更为可喜的是,由于可重构机器人所独有的“结构柔性”及“低成本、高效率、易维护”的特性,使得其尤为适合在深空探测、极地探险、灾害救援等作业任务难以预知、行进载荷受限的复杂环境下完成人和机器人协同作业任务。因此,本文针对基于微分博弈的可重构机器人系统最优人机交互控制方法展开深入的研究以及探讨,全文的主要内容包括:1、阐述了论文的研究背景及意义,对可重构机器人国内外的发展现状及其控制方法等相关技术进行综述。2、考虑可重构机器人系统是否存在谐波传动装置的情况,建立了基于牛顿-欧拉迭代算法以及关节力矩反馈方法的多自由度可重构机器人系统动力学模型,并详细分析其摩擦力、交联耦合项、扰动力矩等性质。针对机器人系统的每一个模块建立其子系统模型并列写状态空间方程,为后续章节的控制方法做出铺垫。3、基于零和微分博弈策略,研究了可重构机器人系统分散自学习优化控制方法。将机器人系统的控制律以及不确定扰动分别作为零和微分博弈中的“局中人”,通过单评判网络策略迭代以及执行-评判-辨识网络得到系统的自学习优化控制策略,并通过李雅普诺夫理论证明系统的稳定性。4、将可重构机器人系统的每一个模块视为非零和博弈中的一个参与者,建立基于模糊逻辑非零和微分博弈的可重构机器人系统近似最优控制策略。采用事件触发机制降低了机器人系统的采样频率,值迭代方法摆脱了传统策略迭代所需的容许控制策略,利用模糊逻辑系统处理未知的机器人动力学模型,并通过执行-评判网络得到耦合的哈密顿-雅克比(Hamilton-Jacobi,HJ)方程的解,从而得到所需求解的近似最优控制律。5、在人机协作任务中,人和机器人系统通过合作共同完成特定任务,根据合作微分博弈策略,将可重构机器人系统的最优控制问题转化为多子系统的合作博弈优化控制问题。采用自适应动态规划(Adaptive Dynamic Programming,ADP)算法,求解人机交互任务下耦合的哈密顿-雅克比-贝尔曼(Hamilton-Jacobi-Bellman,HJB)方程,满足系统的Pareto均衡,进而得到机器人系统的最优控制律。6、针对以人为主导的可重构机器人系统,将人视为领导者,可重构机器人系统作为跟随者,将人机交互最优控制问题转化为基于Stackelberg博弈的分层最优交互控制问题。根据近似动态规划算法,利用评判神经网络分别获得领导者和跟随者的耦合代价函数,从而求取近似最优控制策略。最后对全文的工作进行总结,并对后续研究内容进行展望。

关键词： 双永磁同步电机   矢量控制   交叉耦合   滑模算法   趋近律  

摘要： 永磁同步电机因其成本低、效率高、运行可靠等优点而被广泛使用。在许多工业场合,需要双电机同步运行作为驱动源来满足功率需求,但双电机之间的同步性能关系到生产安全、生产效率和产品质量,因此对于提高双电机同步协调控制的动态性能和稳态性能的研究具有重要的工程价值。本文从提高单电机控制性能、确定双电机控制结构、设计双电机同步控制器三个方面的研究来提高双电机同步协调控制性能。工作内容如下:(1)阐述PMSM转子结构的特点,基于坐标变换的方法建立PMSM在同步旋转坐标系下的数学模型,结合数学模型介绍了矢量控制的原理及SVPWM算法的主要内容。(2)单电机矢量控制有电流控制环和转速控制环两个闭环反馈环节。通过建模与仿真结果判定传统的PI控制算法在控制精度上存在不足。为了提高单电机调速性能,在电流控制环引入DPC电流预测算法跟踪电流变化;在转速控制环设计由ESO观测的鲁棒滑模转速控制器,其采用了基于指数趋近律和幂次趋近律结合的新趋近律非奇异快速终端滑模算法。通过与PI算法的仿真对比验证了本文控制方法可以削减抖振、增强鲁棒性。(3)对主令控制、主从控制、交叉耦合控制的原理结构和数学模型进行分析得出它们各自的控制特点,最后通过在变转速、带载启动、突加不平衡负载三种工况下的仿真结果得出交叉耦合控制方式的同步性更好。(4)为了提高双电机同步性能,设计了基于新趋近律的幂次型非奇异快速终端滑模同步控制器来实现两台电机转速的误差补偿。为了验证本文设计的同步控制器的性能,引入四种其它同步控制器分别在带载启动和突加不平衡负载工况下进行仿真对比,分析证明本文设计同步控制器有效提高了双电机同步运行的鲁棒性能、响应速度、控制精度和稳态特性。