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关键词： 新能源汽车   永磁同步电机   矢量控制   滑模速度控制器   滑模观测器算法  

摘要： 由于环境污染加剧和能源枯竭等问题,人们对新能源汽车的需求日益增加。随着新能源汽车的不断发展,对电机速度控制系统的要求也越来越高,永磁同步电机(PMSM)具备体积小、结构简单、高效节能等特点被广泛应用于新能源汽车领域,然而PMSM速度控制系统中存在抖振、大超调、抗干扰能力差等问题,影响新能源汽车的安全性与运动品质,同时由于滑模控制算法对参数变化不敏感以及能够提高响应速度,进而可以提高PMSM在运行过程中的动态性能。因此,对PMSM速度控制系统中应用滑模控制算法的研究具有重要意义。论文主要的研究内容如下: (1)对PMSM的工作原理与转子结构进行了梳理,介绍了PMSM数学模型与控制方法,在传统矢量控制方法的基础上,研究滑模控制在PMSM矢量控制系统中的应用。 (2)对PMSM矢量控制中转速环采用传统滑模控制(SMC)存在的大超调和抖振等问题,论文中设计了一种基于改进型指数趋近律的SMC,接着对符号函数进行平滑处理,并借助MATLAB对传统与改进的指数趋近律进行性能对比。结果表明,改进后的SMC能够减少超调和削弱抖振现象,进而改善趋近运动的动态品质并提高系统动态响应速度。 (3)为了能准确获取转子的实时位置和速度信息,保证整个控制系统正常运行,论文中提出了无速度位置传感器滑模观测器(SMO)算法,减少了传统的机械传感器,保证了系统的稳定性,提高了系统的响应速度。同时,设计了一种基于锁相环的SMO,并用饱和函数代替开关函数,减小了估计位置速度信息误差,解决了开关函数中高频信号切换过快引起的系统抖振问题。 (4)在上述改进的滑模速度控制器和滑模观测器的基础上,借助MATLAB/Simulink搭建相关的PMSM矢量控制的仿真模型,验证了论文中改进的PMSM能够减小超调,转子速度、位置信息估算误差小,有效提高了系统动态响应性能,从而改善新能源汽车的运行性能,有利于新能源汽车的普及。

关键词： 一体化关节模组   驱控一体化   无框力矩电机   矢量控制  

摘要： 机器人关节是机器人的核心基础部件,其性能优劣直接影响机器人整机性能。一体化关节模组将无框力矩电机、谐波减速器、制动器、传感器和驱动器等零部件集成为一体,体现了轻量化、模块化和集成化的设计理念,是当前机器人关节的重要发展趋势。本文针对一款新型一体化关节模组,设计开发其嵌入式驱控系统,以提高关节模组的伺服控制性能。围绕一体化关节模组驱控系统的关键技术,本文的主要研究内容与结论如下:(1)一体化关节模组的集成设计。对一体化关节模组的功能特性和性能指标进行分析,明确系统组成与集成设计方法,根据设计指标分析确定了关节模组以无框力矩电机为动力源,谐波减速器为减速装置。完成了主要零部件的选型与设计,最后在此基础上进行了结构设计并搭建了实验样机。(2)建立无框力矩电机的数学模型与矢量控制。三相静止坐标系中的数学模型控制难度较大,利用坐标变换方法建立了-和(9-坐标系中的数学模型,在此基础上研究了磁场定向控制理论并详细分析了SVPWM的原理和技术实现。在Matlab/Simulink中搭建了坐标变换和SVPWM调制的仿真模型,验证了数学模型和SVPWM调制过程的正确性。(3)控制系统设计与仿真。基于电流环、速度环和位置环的三环控制结构搭建了关节伺服系统,并针对各个环路的控制模型逐步分析了相关的控制参数。针对关节模组的位置控制要求快速响应、高精度、高稳定性以及抗干扰能力,设计了带前馈的模糊自适应PI控制器。在Matlab/Simulink中搭建了三环控制系统的仿真模型并进行了仿真实验,验证了所设计的伺服控制系统的有效性。(4)驱控系统软硬件搭建与实验。针对关节模组的控制需求完成了硬件系统搭建,进行了完整的硬件原理图和PCB设计,在硬件系统基础上设计了控制软件。为了验证关节模组的实际性能,搭建了实验平台并分别在空载和带载的工况下进行了样机实验,实验结果表明所设计的一体化关节模组符合设计指标,整体性能优良。

关键词： 三维编织   压电复合材料   振动主动控制   最优控制  

摘要： 复合材料在振动环境中有着巨大应用前景,例如大型船体的颠簸、无人机机翼的颤振、振动能量收集装置等,三维编织复合材料作为一种先进的材料体系已经发展到应用于航空航天、汽车、海洋和生物医学等领域,实现了广泛的应用。振动不仅降低了复合材料结构的力学性能,而且还会造成结构的疲劳破坏,导致安全和经济问题。振动现象在工业生产、航空航天、精密加工和生产生活上产生了巨大的负面影响,有效地控制复合材料的振动具有重要意义。本文分析了三维编织复合材料力学性能,建立了一种三维编织复合材料振动主动控制模型,分析了三维编织复合材料工艺参数和温度对振动主动控制的影响,使振动带来的不利影响最小化。全文主要研究内容如下:(1)采用玻璃纤维和环氧树脂分别作为三维编织复合材料的纤维和基体部分,设计了一种三维编织复合材料,分析了三维编织复合材料编织过程中纤维纱线的运动轨迹,得到了其内部几何结构,使用软件Solid Works对纤维形态进行拟合,建立了微观代表性体积单元模型。使用软件Abaqus对该模型划分网格并施加边界条件,预测了其力学性能。对不同编织角度和不同体积分数这两种工艺参数的三维编织复合材料进行模拟仿真,得到了其力学性能。(2)将压电陶瓷结构作为传感器和驱动器集成到三维编织复合材料梁的表面,分析了压电效应与压电方程,建立了一种三维编织复合材料悬臂梁振动主动控制模型。基于Euler-Bernoulli梁理论进行建模,分析了压电陶瓷驱动器和传感器对梁的作用,推导出了梁的控制方程和空间状态方程。通过软件Matlab/Simulink模拟仿真了振动主动控制过程,采用线性二次型最优控制(LQR)方法进行控制,分析了不同加权矩阵Q和R对控制时间和驱动器电压的影响,并采用遗传算法(GA)选择了LQR方法中的加权矩阵,优化了振动主动控制效果。采用遗传算法优化后的LQR方法进行振动主动控制,分析了三维编织复合材料的编织角和纤维体积分数对梁模型的振动主动控制的影响效果。(3)研究了三维编织复合材料梁的热-力耦合下的振动主动控制问题。分析了温度对三维编织复合材料的性能影响,预测了不同编织角度和不同体积分数的三维编织复合材料在不同温度下的力学性能,分析了温度对三维编织复合材料梁振动行为的影响,建立了热-力耦合下的三维编织复合材料梁的振动控制方程,研究了热-力耦合下不同编织角度和不同体积分数的三维编织复合材料梁的振动主动控制。

关键词： Stewart平台   永磁同步电机   矢量控制   滑模控制   负载滑模观测器  

摘要： 大型光学望远镜在探明暗能量本质、观测第一代天体和观测系外宜居行星大气成份等科学问题上有重要作用。随着望远镜的口径增大,作为次镜调整机构的Stewart平台,成为建造大型望远镜的关键组件。Stewart平台采用电机驱动方式相比于其他驱动方式具有研制加工成本低、响应速度快、可编程性强和后期维护简便等诸多优势,而永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor,PMSM)以功率密度高、动态性能好以及可靠性高等优点,成为Stewart平台伺服控制系统驱动电机的首选。大型望远镜口径越大,Stewart平台负载时变所带来的扰动也越大,然而国内针对Stewart平台伺服控制系统负载时变的研究,相对还不够完善。因此,本文对Stewart平台伺服控制系统的关键技术和相关控制策略等方面进行深入研究。(1)针对Stewart平台的运动机理,确定平台伺服控制系统采用关节空间控制方案。建立永磁同步电机的数学模型,依据其数学模型及矢量控制策略推导出电流环、速度环、位置环传递函数的数学表达式。根据经典频域法,确定控制系统各环路的控制器参数并搭建伺服控制系统的仿真模型进行分析。建立速度环带宽与负载的关系,并分析负载时变对速度环控制性能的影响。(2)针对伺服控制系统的速度环采用比例-积分控制器具有负载变化敏感、鲁棒性差的缺点,采用滑模变结构控制对速度环控制器进行改善。为了有效地抑制滑模控制的抖振,提出了一种基于分段复合函数的自适应新型趋近率,并根据新型趋近律设计了速度积分滑模控制器。针对Stewart平台负载时变的特性,设计了负载转矩滑模观测器,通过将观测结果前馈补偿至速度控制器,降低负载时变对伺服控制系统的影响。针对位置环比例控制器面对一阶以上的位置指令存在稳态误差和相位滞后的缺陷,采用前馈复合控制的策略,有效地提高了位置环响应速度和动态性能。(3)选取TMS320F38279S微控制器为核心完成了伺服控制硬件电路设计,包括电源电路、微控制器基本电路、逆变电路等,并在硬件平台基础上完成了主程序、控制算法等程序代码的开发。(4)对Stewart平台单轴伺服控制的控制策略进行了试验验证,试验结果表明伺服控制系统具备较短的响应速度和良好的动态性能。在Stewart平台样机上进行了位置跟踪测试,以及X、Y、Z方向的重复定位精度测试,试验结果表明本文设计的伺服控制系统提高了Stewart平台总体的控制性能。

关键词： 轴向组合式转子   永磁同步电机   同步磁阻电机   转矩特性   矢量控制  

摘要： 永磁同步电机具有转矩密度大、功率因数高的优点但存在弱磁调速困难的问题;同步磁阻电机具有调速性能好的优点但存在转矩密度较低、转矩脉动大的问题;永磁辅助式同步磁阻电机兼具一定转矩输出和弱磁调速能力,但存在较大的转矩脉动和铁心损耗的问题。单一的电机拓扑结构各自存在的缺陷限制了电机综合性能的进一步提升,故此本文提出一种新型轴向组合式转子永磁同步电机。其电机的转子部分为轴向夹心式,两侧采用轴向叠压各向异性(Axial Laminated Anisotropic,ALA)同步磁阻转子,中间部分采用轮辐式永磁同步电机转子。电机可以通过灵活设计不同转子间的组合角度改变转矩叠加机制,使各转子段最大转矩时的电流相位角收敛为同一个值,从而充分利用由于最优电流相位角不同造成的转矩浪费。另外ALA磁阻转子与轮辐式永磁转子相结合的转子拓扑形式,在充分利用电机转矩的同时,还可以拓宽电机调速范围,从而实现电机性能的综合提升。为了体现所提出的轴向组合式转子永磁同步电机的优点,本文采用优化设计、对比研究的方法设计所提出的电机,并与相同尺寸规格的传统永磁辅助式同步磁阻电机进行对比分析。据此本文详细的研究工作如下:(1)首先本文对永磁辅助式同步磁阻电机的拓扑结构与数学模型进行研究与定义,并据此分析了传统永磁辅助式同步磁阻电机的转矩特性。通过转子轴向组合的设计原理,确立了提出的轴向组合式转子永磁同步电机的拓扑结构。在内置式永磁同步电机以及同步磁阻电机传统数学模型的基础上,构建起提出的轴向组合式转子永磁同步电机的数学模型。在此基础上,将传统的永磁辅助式同步磁阻电机与提出模型的转矩成分变化图对比,并结合两者的转矩表达式进行分析。(2)使用遗传优化算法,对轴向组合式转子永磁电机的结构参数进行优化设计。首先对轮辐式永磁转子以及ALA同步磁阻转子的基本尺寸结构分别进行多目标设计优化,而后对组合转子间的轴向参数:转子间隔磁层、错位配置角以及轴向长度配比进行研究及优化设计,最终确定轴向组合式转子永磁同步电机的结构参数。(3)利用有限元仿真方法,采取对比研究的方法对轴向组合式转子永磁同步电机的性能进行分析。将相同尺寸规格的传统永磁辅助式同步磁阻电机作为参考模型,与提出的轴向组合式转子永磁电机进行空、负载特性分析,其中包括空载反电动势分析、电机的齿槽转矩分析以及负载转矩特性等。同时,对轴向组合式转子永磁电机的弱磁调速性能进行对比研究,并结合不同轴向配比情况下的电机弱磁调速能力,证明了轴向组合式转子永磁同步电机结构具有较为普遍的宽调速范围。(4)基于轴向组合式转子永磁同步电机的数学模型,利用MATLAB-Simulink模块搭建电机模型,并基于搭建的电机模型构建轴向组合式转子永磁同步电机的矢量控制系统,实现了轴向组合式转子永磁同步电机的矢量控制。并将矢量控制的结果与有限元分析的仿真结果相互比照验证。

关键词： 倒向重随机系统   时滞倒向重随机系统   平均场时滞倒向重随机系统   非零和微分对策   近似最优控制  

摘要： 本文主要研究了重随机系统的最优控制问题和近似最优控制问题。我们针对重随机系统的状态过程是否含有时滞变量和时滞变量不同的情况进行了探讨。讨论了不同情况下重随机系统的非零和微分对策问题,并在此基础上针对系统最优控制不存在或不易求得时,讨论了系统的近似最优控制问题。首先我们研究了倒向重随机系统,探讨了此类系统的非零和微分对策问题。引入相应的代价泛函,利用经典的凸变分技术和对偶方法给出纳什均衡点存在的必要条件。并利用目标泛函和纳什均衡点的定义,结合系统对应的变分方程给出了系统对应的伴随方程,进而得到纳什均衡点存在的必要条件。最后我们将所得的结果应用于一类特殊的线性倒向重随机微分对策问题及金融实例,给出了系统对应的纳什均衡点的具体形式。考虑到时滞的影响,我们针对受控系统中包含时滞变量且时滞变量不同的情况,构造了一种由一个重随机微分方程和三个简单微分方程组成的新型的伴随方程。在此类方程解存在的适当前提下,利用对偶方法和凸变分技术推导出类似随机最大原理的纳什均衡点的必要条件和验证定理。探讨了含有时间延迟的重随机系统的非零和微分对策问题。最后将所得的结果应用于一类线性时滞倒向重随机系统的非零和对策问题及金融实例,验证结果的有效性。为了减少随机性之和对系统的影响,以平均场时滞倒向重随机系统为研究对象,研究了此类系统的非零和微分对策问题。我们延用第三部分的方法,讨论了系统包含不同的时滞变量时纳什均衡点存在的必要条件和充分条件,即验证定理。将所得的结果应用金融实例来验证结果的有效性。文章的最后研究了具有凸控制域的线性时滞重随机系统的近似最优控制问题。在研究过程中,讨论了所有的时滞延迟变量各不相同的情况,利用Ekeland变分定理,并对系统对应的状态和伴随过程进行估计,得到了控制近似最优控制的最大值原理。

关键词： IGBT串联均压   有源钳位电路   驱动延时调节   参数优化   钳位时间检测与提取  

摘要： 中高压电力电子变换器作为电能转换的核心装备得到了广泛应用,其电压等级需求也越来越高。直接将多个绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)串联是提高变换器电压等级最简单直接的办法,但IGBT串联会面临电压不均衡问题。现有的均压方案各有优缺点,为优化均压效果常将多种方案结合使用,其中,有源钳位与驱动延时调节相结合的复合均压控制既有钳位电路的动作迅速、可靠性高的优点又具有驱动延时均压控制的主动性和精确性等优点,是适用于工程应用的优选方案。因此,本文针对有源钳位与驱动延时调节相结合的复合均压控制方式,围绕三个主要环节:有源钳位电路、钳位时间检测电路和驱动延时均压控制,进行了深入研究。 首先详细分析了单阈值有源钳位、单阈值有源钳位带RC和双阈值有源钳位这三种典型钳位电路拓扑的均压工作模态;接着从电压上升速率、电压钳位限幅值和开关损耗、静态均压能力几个方面对三种拓扑进行了比较。分析结果指出,双阈值有源钳位拓扑具有减缓电压上升速率、电压峰值限幅和静态均压的特性,是采用复合均压控制方案的优选拓扑。 现有的双阈值钳位电路参数设计方法,并未考虑静态均压的功能,并且得到的参数选取范围过大,不便于参数的准确设计。为此,本文提出一种考虑静态均压的参数设计方案,将钳位电路的击穿电压阈值设计在母线电压的二分之一以下即可在不采取任何功率侧静态均压措施下实现IGBT串联静态均压。采用实验手段研究了钳位电路关键参数对均压效果及开关损耗的影响,并以此为依据对参数选取范围进行了优化,便于参数的准确设计。最后通过实验证明了按所提参数优化方案设计后的钳位电路既可实现静态均压又显著减小了动态过程的最大电压差和开关损耗。 复合均压控制对钳位时间检测提取的抗干扰和精度要求较高,负载电流影响下的钳位时间差与驱动延时值间的关系需进一步探究,常规比例积分(Proportional Integral,PI)均压控制器无法在均压稳定性和快速性间折衷。为此,本文首先给出了钳位时间检测电路设计方案,重点讨论了寄生参数干扰下的检测阈值设计原则;然后结合现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)完成了多重干扰下有效钳位时间的提取并将提取精度精确到1。经过大量的实验测试,总结出了不同负载电流影响下钳位时间差与驱动延时值间的模型曲线,基于此给出了适合不同负载电流工况的二分搜索均压控制器。实验验证了基于钳位时间差反馈的驱动延时均压控制的可行性,同时证明了二分搜索控制器相较于固定参数PI控制器有更好的均压性能,能兼顾均压快速性和稳定性。

关键词： 锁螺丝机   无刷直流电机   转矩脉动   矢量控制   转速测量  

摘要： 锁螺丝机是一种用于紧固螺丝的自动化设备,能够提高装配生产线的生产效率和产品质量。然而,目前国内大多数锁螺丝机使用的是进口控制系统,有限的扩展性限制了其在中小型企业中的应用。本文遵循嵌入式软硬件设计原则,通过研究电机控制和转速测量技术,设计了一款锁螺丝机控制系统,在保证锁螺丝机性能的基础上,提高了控制系统的扩展性。主要研究内容如下:(1)针对转矩脉动问题,通过分析无刷直流电机的结构和工作原理,选用具有高控制精度的矢量控制策略。为了解决逆变器死区效应引起的转矩脉动问题,设计了一种基于时间补偿的死区效应补偿算法。通过在MATLAB/Simulink平台建立无刷直流电机矢量控制系统的仿真模型,验证了该矢量控制系统具有良好的转矩控制性能。(2)为了提高系统转速控制的精准度,通过分析使用霍尔传感器测量电机转速的原理,选用具有高分辨率的T法。针对T法转速测量周期较长导致测量误差较大的问题,提出了一种基于T法的改进测速算法。为了检测霍尔传感器可能发生的故障,设计了一种基于霍尔信号序列特征的故障诊断算法。(3)以南京沁恒微电子于2021年推出的V4F内核微控制器CH32V307VCT6为主控芯片,遵循嵌入式软硬件设计原则,设计了锁螺丝机控制系统。测试结果表明,该系统的转速误差不超过±1%,紧固转矩误差不超过±5%,满足锁螺丝机的需求。