无轴承异步电机非线性滤波器自适应逆解耦控制

针对无轴承异步电机(bearingless induction motor,BIM)多变量、非线性、强耦合的问题,提出了基于非线性自适应滤波器的无轴承异步电机自适应逆解耦控制策略。在分析了无轴承异步电机工作原理的基础上,推导出无轴承异步电机的数学模型,基于自适应逆控制原理,利用非线性自适应滤波器,分别建立转矩系统和悬浮系统的模型和逆模型。复制逆模型,将其串联在对应系统之前作为逆控制器,并采用变步长最小均方(least mean square,LMS)算法在线调整权值。相比于传统的磁场定向控制方法,此方法不必依靠转矩系统来传递磁链信息,从而避免了各自的控制策略之间的相互制约问题。基于MATLAB/Simulink仿真平台,对无轴承异步电机的转子磁链、转速、转矩、悬浮响应进行了仿真分析。仿真结果证明了该方法的有效性,实现了无轴承异步电机旋转力与悬浮力之间的解耦,而且能够实现两自由度径向悬浮力之间、转速与转子磁链之间的动态解耦。该研究可为基于无轴承异步电机的农业生产设备的研发提供参考。     

基于低频信号注入法的无轴承异步电机转速自检测控制

针对无轴承异步电机运行中悬浮转子转速检测问题,提出了一种基于低频信号注入法的无速度传感器控制新策略。该策略在无轴承异步电机基波模型基础上,通过注入低频信号引起的响应来构造转子位置偏差角,进一步通过PI控制器对偏差角进行调节,得到电机气隙磁场旋转速度,进而估计电机转速。运用该转速自检测方法,在Matlab/Simulink平台中搭建了无轴承异步电机无速度传感器矢量控制系统仿真模型,并进行了仿真研究。仿真结果表明,该方法能够在0.15 s内快速跟踪转子转速,并且具有优良的悬浮和转矩特性。试验结果同样表明,该方法不仅具有良好的转速在线自检测能力,而且能在无速度传感器方式下实现转子稳定悬浮运行,验证了所提方法的有效性和实用性。     

考虑笼型转子趋肤效应的无轴承异步电机矢量控制优化

针对无轴承异步电机启动和运行时趋肤效应带来的转子参数变化问题,该文提出了一种基于有限元计算和最小二乘原理的转子参数辨识方法。在分析电机悬浮机理和构建其有限元模型的基础上,计算了不同转子电流频率下转子的电阻、漏感值,获取趋肤系数变化曲线。基于数学模型推导分析了趋肤效应对电机转子磁场定向和悬浮控制的影响。采用最小二乘法对转子参数进行曲线拟合,提出一种考虑趋肤效应的无轴承异步电机矢量控制优化,通过拟合辨识获得转子参数的实时值,提高控制系统转矩和悬浮性能,并搭建电机试验平台进行试验验证。试验结果表明,与未考虑趋肤效应的控制方法相比,采用转子参数辨识能够缩短电机转速响应时间0.05 s,响应速度提高了25%,并且电机转子的x、y方向位移幅值降低50%左右,具有良好的转矩特性和悬浮性能。该研究可为无轴承异步电机控制系统优化提供参考。     

新型无轴承无刷直流电动机结构与模型研究

目前研究的无轴承电机均是将电机和转子悬浮磁路合为一体,两个磁场的叠加一方面容易造成磁饱和,使电机的承载能力下降,影响电机的稳定悬浮;另一方面电磁转矩与径向悬浮力之间具有很强的非线性耦合,而实现解耦控制是非常复杂的。将无刷直流电机的优点与磁悬浮轴承的优点结合,提出一种六自由度可控的无轴承无刷直流电动机结构,通过研究其悬浮原理和运行原理,建立了转子偏心时的精确数学模型和PWM（脉宽调制）调速的精确数学模型,经仿真测试,表明了这种电机结构的合理性。主要特点是承载能力高且电磁转矩控制与径向悬浮力的控制相互独立,无需复杂的非线性解耦控制。     

基于改进UKF的无轴承异步电机无速度传感器控制

基于传统卡尔曼滤波器的转速估计方法依赖于系统的精确数学模型,但目前通用的无轴承异步电机的数学模型是一个近似模型,针对该问题该文提出一种以实际转速为基准的改进的无轴承异步电机转速估算方案:首先,用残差归一化处理自动更新渐消因子并将其引入增益矩阵,以减小系统模型偏差对估算精度的影响,增强滤波器的稳定性;其次,用遗传算法自动更新噪声矩阵,使其具备补偿作用,再次优化转速估算精度,最终将估算精度控制在5 r/min左右,干扰误差控制在10 r/min左右,可有效应对建模误差和参数扰动对转速估算的影响,具备较高的鲁棒性和估算精度。最后,用d SPACE试验平台证明了所提方案的正确性和可行性,该研究为无轴承异步电机无速度传感器控制提供参考。     

柴油机高压共轨系统轨压模糊控制与试验

为了改善发动机的冷起动性能以及有利于各工况切换时喷油的精确控制,该文针对采用高压共轨系统的柴油机,建立了基于模型的轨压控制策略,首先分析推导其数学模型;然后利用MATLAB/Simulink建立了轨压控制模型,轨压控制设计了前馈控制加反馈控制的轨压控制器,轨压反馈控制设计了传统的增量式PID(比例-积分-微分,proportion-integration-differentiation)控制器和模糊自适应PID控制器;最后对轨压控制模型进行了离线仿真验证;在此基础上利用硬件在环系统进行发动机台架试验,比较了2种控制器的控制效果。仿真和台架试验结果表明,模糊自适应PID控制器在目标轨压突变时的响应性(响应时间小于0.3 s)和跟随性以及稳定工况下轨压的稳定性(稳态误差小于2 MPa)方面都优于传统的增量式PID控制器,从而验证了控制策略模型的正确性。该研究提出的基于模型的轨压控制策略有助于实现柴油喷油的精确控制,可为柴油机共轨技术国产化提供参考。     

基于无刷直流电机的风力机转矩模拟

针对风力发电技术的研究受到自然条件制约的问题,该文提出了一种新的利用无刷直流电机来代替风力机的模拟方案,通过控制无刷电机直流侧电流的方式实现转矩控制,电流环采用径向基函数神经网络与PI调节相结合的控制策略。利用Matlab/Simulink建立系统仿真模型,并搭建了基于DSP控制的无刷直流电机+永磁发电机的硬件平台,仿真和试验结果都与理论转矩相吻合,并有效降低了无刷电机的转矩脉动。该方法控制简单、精度高,为实际模拟系统的设计提供了一种新的思路。     

理论换段点下HMCVT换段离合器转矩交接及控制

针对液压机械无级变速器在换段过程中的动力中断和换段冲击问题,该研究以三段式液压机械无级变速器第二段切换第三段为例,通过建立动力学模型分析理论换段点下两段位的液压路功率方向变化规律,提出基于液压路功率方向的两阶段换段离合器转矩交接方法,并使用分段函数对两阶段离合器转矩交接轨迹进行优化,通过仿真对转矩交接方法正确性进行了验证。为了实现转矩的跟踪控制,基于终端滑模控制的方法设计了离合器控制器,通过对油压的跟踪控制实现转矩的跟踪控制,通过试验验证了控制器有效性。仿真和试验结果表明：在负载换段过程中,所提换段离合器转矩交接方法能够实现动力的平稳过渡,终端滑模控制器能够实现离合器油压的跟踪控制,从而实现转矩控制。在输入轴转速1 000 r/min,负载700 N·m工况下,使用终端滑模控制器控制两换段离合器进行换段,输出轴转速的波动范围为-20.6～7.4 r/min,输出轴转矩波动范围为-117.4～107.9 N·m,换段过程中最大冲击度为-6.16 m/s3,换段离合器的最大滑摩功为508.45 J,换段过程中无动力中断。该研究可为液压机械段变速器的换段控制提供参考。     

基于自抗扰-动态矩阵的油葵联合收获机脱粒滚筒转速控制

针对油葵联合收获机的脱粒滚筒控制方法的实时性、准确性和适应性问题,该文以油葵联合收获机行走速度为控制量,滚筒转速为目标建立油葵联合收获机脱粒滚筒速度动力学模型,并将模型变换为适于自抗扰控制的仿射系统,设计了基于自抗扰和动态矩阵模型的控制系统,并对联合收获机的时变干扰进行在线估计,对脱粒滚筒的控制延迟进行基于动态矩阵模型预测控制,实现对其控制延迟的抵消和滚筒转速的实时控制。对所设计的脱粒滚筒控制器进行了仿真、台架试验和田间试验。结果表明,在自抗扰-动态矩阵控制器作用下,当喂入量较小时,随着收获机行走速度慢慢增加滚筒转速稳定在最优转速430 r/min;当喂入量加大时,滚筒转速降低;当喂入量有小幅度随机干扰时,滚筒实时控制转速与最优转速430 r/min的静态误差保持在5%之内,自抗扰-动态矩阵控制器能够使脱粒滚筒获得平稳的速度控制效果。研究结果可为油葵作物联合收获机控制提供参考。     

双液压马达驱动的甘蔗根切器刀盘转速同步控制方法

为简化双刀盘甘蔗根切器的传动链,提高传动系统对时变载荷的适应性,该研究提出用双液压马达直接驱动双刀盘,并将电液比例负载敏感技术应用于根切器的传动方案,通过建模仿真和试验探究双刀盘同步精度的控制方法。建立根切器电液比例阀控马达闭环速度控制系统的传递函数,分析得到该系统的稳定裕度仅为16.5°,因此需要采用合适的控制算法提高系统的稳定性和控制精度。基于AMESim-MATLAB联合仿真,研究采用主从控制策略,主马达为PID控制,从马达分别采用PID、自适应模糊PID和滑模变结构控制算法时系统的稳定性和刀盘转速的控制精度。仿真结果为：不同控制算法下马达开启过程转速的动态调整时间分别为5.5、3.0、2.7 s,稳态阶段两个液压马达的速度差分别为20、8、5 r/min;最后搭建试验台,以实测载荷谱为负载输入,进行主从马达转速同步控制试验,得到PID、自适应模糊PID和滑模变结构控制系统启动阶段转速的动态调整时间分别为6.3、4.6、3.7 s,稳态阶段主从马达的转速差分别为47、23、13 r/min;仿真与试验结果均表明,基于滑模变结构算法的刀盘转速同步控制系统的各项指标均优于PID和自适应模糊PID控制。研究结果可为甘蔗收割机根切器传动与控制系统的优化设计提供理论参考。     

电动轮式移动小车控制系统设计与试验

为了实现电动轮式移动小车能在实际不同的负载和路况下可以稳定的运行工作,该文研制了小车的四轮独立驱动的电机驱动和四轮转向控制系统,该系统由主控制芯片STM32F103RCT6对移动小车进行解算得出4个驱动轮的速度,然后对每个驱动电机进行转矩分配,控制4台用于驱动的无刷直流轮毂电机、2台转向直流电机以及2台制动用直流电机,使得小车实现直线行驶、转向和原地转向;通过单片机ATMEGA48PA控制4台无刷直流轮毂电机换相;采用驱动芯片IR2113驱动场效应管FQA140N10,并利用电机内部霍尔传感器输出的脉冲信号检测无刷直流电机的速度,采用放大器LM358搭建过载保护电路。试验结果表明,所开发的小车驱动控制系统实现了四轮电子差速与转矩分配,移动小车能在水泥路面、干泥土路面、斜坡和草地上稳定可靠运行,小车限速20 km/h,爬坡度为8°。在空载情况下能匀速运行8~10 h,带额定负载250 kg情况下能匀速运行4~5 h,有较好的负载性能,满足农业运输及农田作业的需求,减轻人的体力劳动,提高生产效率。该研究可为应用于田间作业的电动移动小车的机械设计及电气控制系统设计提供参考。     

农用轮式机器人四轮独立转向驱动控制系统设计与试验

针对一般农用轮式机器人转向方式单一、难以适应田间复杂作业环境以及推广应用成本较高等问题,该文设计了一种农用轮式机器人四轮独立转向驱动控制系统,采用模块化设计方法构建了该控制系统的底层硬件部分,结合控制器局域网络(controller area network,CAN)总线、串口通讯和传感器技术实现了该机器人移动轮转角、转速等数据的采集功能且应用了有效的硬件电路隔离保护方案;基于低速阿克曼四轮转向模型与比例积分微分(proportion,integration,differentiation,PID)控制算法分析并验证了该机器人四轮独立转向驱动控制策略的有效性。试验结果表明:该机器人能够通过上位机或遥控器实现其四轮独立转向与转速控制功能,移动轮在0~360°转向过程中,控制效果鲁棒性强、稳定且转角控制的最大平均绝对误差为0.10°,通过上位机设定转速后经0.5~1 s左右,移动轮转速达到稳态,并具有较高转速控制精度。该研究为农用轮式机器人的四轮独立转向驱动控制方法提供了参考。     

平面翻堆机转子高度调节系统

为了实现平面翻堆机转子的高度调节、水平平衡及安全保护,该文对翻堆机行走系悬置的液压系统及其控制器进行了研究,研究采用变结构和PID联合控制,获得转子水平的较高控制精度;通过采用线性随机二次型最优控制推导出转子高度调节的控制规律,仿真得出了不同信号输入下各参数的变化规律;同时基于预设的作业基准,实时完成转子高度控制。该控制策略能有效地消除因干扰力而引起的振荡现象,达到平滑的控制目标;油气悬置采用LQG控制,对转子高度调节性能有所提高。     

高地隙自走式玉米去雄机驱动系统设计与特性分析

针对中国高地隙自走式玉米去雄机研究起步晚、技术基础薄弱等问题,该文提出了一种静液压驱动系统方案并对驱动系统特性进行了仿真分析和试验研究。根据去雄机的结构特点,建立了包含四轮独立悬架系统及驱动系统的高地隙自走式玉米去雄机整机数学模型。利用Matlab/Simulink建立了仿真模型并进行了仿真分析,利用去雄机样机进行了实车试验研究,得到去雄机在I挡、II挡和III挡时能达到的最高车速分别约为15、19和24 km/h,稳态压力分别为6.361、7.286和8.717 MPa左右,可分别满足不同的作业工况需求,驱动系统动态响应快,性能良好。通过对比分析有无悬架去雄机驱动系统压力对地面激励的响应,得出有悬架去雄机压力波动小、变化平稳,悬架有效地缓解了地面冲击、改善了驱动系统性能。研究结果表明该文所建整机模型是正确的。该文可为中国高地隙自走式玉米去雄机的研发提供参考。     

混合动力汽车下坡辅助电-液复合制动控制方法

为提高混合动力汽车下坡辅助控制中电、液复合制动的综合性能,该文提出一种综合考虑整车安全及经济性的电、液复合制动控制方法。通过对混合动力汽车下坡辅助制动转矩变化过程及各辅助制动系统特性的分析,拟定了以安全性为基础、以经济性为目标的下坡辅助制动转矩分配原则,利用前馈加反馈的控制方法制定了电机辅助制动系统及液压辅助制动系统的转矩协调控制策略。并通过仿真及试验平台对以上算法进行了验证,结果表明该方法可以有效地减小液压系统启动延时,保证了液压辅助制动系统的响应速度及下坡辅助系统整体的响应精度。该研究提高了整车控制的安全性和经济性,也为电动车辆复合制动进一步研究提供了思路。     

4WD型农药喷雾机液压四驱底盘直行同步控制方法比较及验证

为了满足复杂农林环境下植保喷雾作业需求,提出了一种全液压驱动的柔性智能化喷雾机底盘,同时为了满足底盘直线行驶需求,提高4个车轮马达转速同步控制系统的精度、可靠性和经济性,提出了2种同步控制方案,分别是电磁比例换向阀单级直控式和同步阀+电磁比例换向阀双级同步控制式。制定了同步控制策略,并分别运用SIMULINK和AMESim对同步控制系统的动态特性进行了仿真。分析了阶跃输入下,同步控制系统在启动、偏载转矩干扰、意外掉电及上电恢复阶段的系统响应,并比较了2种控制方案的马达最大转速同步误差。仿真及试验结果表明:采用双级同步控制方案比单级直控方案在马达工作的各个研究阶段,其最大转速同步误差均降低约50%,同步精度可控制在1.0%~2.0%之间,能满足底盘直线行驶需求。该研究可为四轮独立驱动底盘的直行控制提供理论指导,并可为农业工程领域所需的高精度、高可靠性和经济性的液压同步控制系统设计提供参考。     

设施园艺电驱移动平台轮毂电机设计及其磁-热耦合性能

针对设施园艺作业场景下电驱移动平台的低速大扭矩牵引作业需求,该研究设计了一种减速内转子轴向磁通轮毂电机,建立电机的电磁有限元模型并分析其电磁和损耗特性。考虑到绕组电阻率受温度变化影响,构建基于热网络法的轮毂电机磁-热耦合改进模型。与台架试验结果相比,基于改进模型获得的转矩预测值较传统模型的精度提高了5.33%,验证了模型的正确性。利用改进模型分析了温度和相电流对电机转矩特性的影响,仿真结果表明,输出转矩随电机温度增加而降低;在0～20 A,电机平均输出转矩与相电流呈线性关系。试验结果表明,轮毂电机功率随转速增加而增大,峰值功率可达4.59 kW,而转矩基本保持恒定;在转速450～900 r/min、转矩300～600 N·m时,电机效率高达93.2%。研究结果可为轴向磁通电机初步设计与多场耦合影响下电机性能分析提供思路。