模型预测控制在永磁同步电机系统中的应用发展综述

随着数字技术的发展,模型预测控制(MPC)已经广泛应用于交流传动系统。首先介绍了经典MPC策略——有限控制集MPC和连续控制集MPC的原理。其次综述了多步预测控制、多矢量预测控制、具有参数鲁棒性的预测控制、广义模型预测、显式模型预测这些常见的改进MPC的研究现状,并提出相关研究思路。最后,根据MPC的应用需求和研究现状,展望了未来需要进一步深入和拓展的研究方向。     

基于双变量预测控制的表贴式永磁同步电机直接转矩控制系统

基于电压矢量幅值和相角为变量的表贴式永磁同步电机(SPMSM)定子磁链幅值和转矩表达式,给出了9个不同幅值和相角的备选电压矢量,采用预测控制计算得出施加不同电压矢量下一时刻的定子磁链幅值和转矩值,建立了基于磁链和转矩误差的目标函数,并选择使目标函数最小的电压矢量为作为下一时刻施加的最优电压矢量。仿真结果表明:在双变量预测控制下,SPMSM直接转矩控制系统运行良好,定子磁链轨迹为理想圆,磁链和转矩均符合控制要求,转速跟踪良好,定子电流波形正弦。进一步对比分析表明:与开关表和固定电压矢量选择策略相比,双变量预测控制能显著减小转矩和磁链脉动。与开关表相比,转矩脉动均方根误差降低了62.92%,磁链脉动均方根误差降低了45.05%,评价函数均值降低了60.30%;与固定电压矢量选择策略相比,转矩脉动均方根误差降低了22.40%,磁链脉动均方根误差降低了3.85%,评价函数均值降低了15.93%。     

Hypervelocity impact induced shock acoustic emission waves for quantitative damage evaluation using in situ miniaturized piezoelectric sensor network

Manmade debris and natural meteoroids, travelling in the Low Earth Orbit at a speed of several kilometers per second, pose a severe safety concern to the spacecraft in service through the HyperVelocity Impact(HVI). To address this issue, an investigation of shock Acoustic Emission(AE) waves induced by HVI to a downscaled two-layer Whipple shielding structure is performed,to realize a quantitative damage evaluation. Firstly a hybrid numerical model integrating smoothparticle hydrodynamics and finite element is built to obtain the wave response. The projectiles, with various impact velocities and directions, are modelled to impact the shielding structure with different thicknesses. Then experimental validation is carried out with built-in miniaturized piezoelectric sensors to in situ sense the HVI-induced AE waves. A quantitative agreement is obtained between numerical and experimental results, demonstrating the correctness of the hybrid model and facilitating the explanation of obtained AE signals in experiment. Based on the understanding of HVI-induced wave components, assessment of the damage severity, i.e., whether the outer shielding layer is perforated or not, is performed using the energy ratio between the regions of ‘‘high frequency" and ‘‘low frequency" in the acquired AE signals. Lastly, the direct-arrival fundamentalsymmetric wave mode is isolated from each sensing signal to be input into an enhanced delay-andsum algorithm, which visualizes HVI spots accurately and instantaneously with different sensor network configuration. All these works demonstrate the potential of quantitative, in situ, and real time HVI monitoring using miniaturized piezoelectric sensor network.     

基于小波神经网络PID的永磁同步电机转速控制

提出了基于小波神经网络PID的永磁同步电机(PMSM)转速控制策略。根据系统运行参数的变化,采用三层前馈式人工神经网络,基于梯度下降纠正误差法在线训练实时更新PID参数值。采用小波神经网络和增量式PID共同构成转速环控制器。建立PMSM数学模型,设计PMSM速度环控制器,构建S函数,对控制算法进行仿真试验,验证了该控制算法的先进性。试验结果表明,所提控制策略比传统PID转速控制具有更好的动态性能和抗干扰能力。     

不同密度弹丸对水冰的超高速撞击成坑实验

为了研究冰冻天体表面撞击坑的形成与演化,开展了水冰的超高速撞击成坑实验。使用二级轻气炮发射1.0 mm直径的球形弹丸,以3 km/s、5 km/s和7 km/s速度对圆柱状冰块进行撞击。弹丸材料包括聚碳酸酯和不锈钢两种,冰块温度为253 K。实验观察到了不同弹丸和不同速度条件下,冰块中撞击坑的形貌特征。对撞击坑直径、深度和剖面形状进行了测量,并与文献中铝弹丸对水冰的撞击坑进行了比较分析。获得了水冰撞击坑特征随撞击参数的变化规律,结果表明：撞击坑直径和深度的主导机制不同,坑深主要由弹丸侵彻作用形成,而坑径主要由冰块的剥落所致;坑深比坑径具有更强的对于弹丸密度的依赖性,高密度弹丸撞击坑直径具有比低密度弹丸更强的对于撞击速度的依赖性;撞击坑体积与撞击能量成正比,高密度弹丸形成的撞击坑直径表现出“能量缩比”行为,而低密度弹丸形成的撞击坑直径表现出“动量缩比”行为。     

哥伦布航天器对轨道碎片撞击危害的设计考虑

简要介绍了欧洲空间局在执行哥伦布计划期间，在载人压力舱和有人照料的自由飞行器的设计阶段。对微流量和轨道碎片撞击危害的防护研究方面所做的主要工作。     

基于小波包变换及相关系数法的复合材料层合板冲击位置识别研究

复合材料较为广泛应用于航空、航天等工程领域,但对冲击载荷十分敏感。因此,对复合材料结构承受的冲击载荷进行在线监测以及冲击位置的实时识别具有重要意义。文章以复合材料层合板为研究对象,基于两个冲击位置的距离越靠近则接收到信号幅频特性相似度越高的特点,采用FBG光纤光栅传感器,通过小波包变换的方法来提取能量特征向量,同时结合相关系数法来实现复合材料层合板的冲击位置识别。在480 mm×480 mm的复合材料层合板上开展冲击实验,8次实验皆完成了冲击位置识别,其中7个点距离误差为0 mm,实现精准识别,另一个点误差在6%以内。     

一种提升近地小行星防御中拦截效率的方法

利用核爆直接炸毁小行星或改变小行星的轨道以避免其与地球相撞,是近地小行星防御最主要的手段之一。文章基于美国爱荷华州立大学的超高速小行星拦截器(HAIV)概念,提出一种将原撞击引导器改为长杆撞击器的方案,采用自主研发的欧拉型冲击动力学仿真软件NTS模拟长杆撞击器对小行星连续开坑的过程,并在仿真中加入能量源以模拟核爆装置在不同深度爆炸对小行星产生的偏转与破坏效应。研究结果表明,采用长杆撞击器并合理控制撞击速度,能够引导核爆装置进入更深的地下爆炸,从而更加高效地耦合核爆能量,提升偏转小行星或直接摧毁小行星的能力。     

盘式永磁同步电机永磁体涡流损耗研究

由于永磁体中存在涡流损耗,这些损耗会以热量的形式散发出来,使盘式永磁同步电机(DPMSM)内部温度升高。当温度过高时,会引起电机运行性能降低。故针对永磁体涡流损耗进行深入研究,对DPMSM的性能提高及优化设计具有重要意义。利用Maxwell三维电磁场有限元分析软件建立电机有限元模型,在三相正弦电流源驱动下求解电机永磁体电磁场分布;为减小永磁体涡流损耗,对永磁体进行不同方向分割,并对不同方向分割进行仿真对比,得出横向分割为3块效果最佳;在利用电磁屏蔽原理减小涡流损耗时,先对其可靠性进行验证,后利用MATLAB曲线拟合得出屏蔽层厚度的最优值。     

一种卡尔曼滤波器的永磁同步电机无速度传感器

针对滑模观测器的永磁同步电机参数误差容易造成估算误差和反电动势中存在高频纹波分量的缺点,使用低通滤波器不能有效消除高频纹波,提出在滑模观测器前端引入卡尔曼滤波器来消除高频纹波,使得永磁同步电机的控制系统具有更好的稳态效果和动态响应。依据设计仿真搭建MATLAB平台,对提出新方法进行验证。试验结果表明增加卡尔曼滤波环节后的滑模观测器不仅鲁棒性强,而且在一定程度上有效抑制了抖振,在系统快速性及稳态性能上都有较好的效果。