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关键词： 永磁同步曳引机   双级矩阵变换器   负载转矩观测器   换流策略  

摘要： 无齿轮永磁同步曳引机因其具有体积小、效率高、低损耗等优点,广泛应用于电梯领域中作为曳引电机。同时双级矩阵变换器(TSMC)是一种“绿色”的电力电子变换器,具有输入电流正弦、高功率因数优点,并且其直流侧无大电解电容,能量可双向流动和良好传动性能,可应用于电梯、起重等领域以充分发挥其回馈节能优势。本文对TSMC驱动永磁同步曳引机展开研究,针对曳引机在启动过程中因负载变化会导致转速波动电梯轿厢倒溜的问题,本课题采用龙贝格负载转矩观测器估算和补偿负载转矩的变化,从而提升曳引机抗扰性能,确保电梯运行中的安全可靠性和平稳舒适性。 本文首先分析了 TSMC系统中整流级和逆变级的双空间矢量调制策略,推导了基本矢量占空比表达式;同时针对TSMC整流级中无自然续流回路问题,采用电流型四步换流策略,确保了 TSMC系统工作的安全性。其次针对TSMC驱动永磁同步曳引机系统构建了id=0双闭环矢量控制策略。并在此基础上,为改善电梯曳引机启动转矩变化引起的转速突变轿厢倒溜的现象,根据控制原理,引入了龙贝格负载转矩观测器,利用电机数学模型和实时反馈的电流、转速等信息,通过算法实时观测出电机的负载转矩,并将观测到的转矩前馈补偿到q轴电流,以补偿因负载变化引起的转速波动,解决曳引机在启动过程中的轿厢倒溜问题,提高系统的安全性。 搭建了以DSP+CPLD为控制器的TSMC驱动永磁同步曳引机的实验平台,验证了TSMC驱动曳引机系统的控制策略,并在此基础上针对TSMC换流策略和电机转矩补偿算法进行实验验证。实验结果表明:TSMC系统具有良好的输入输出特性以及交流传动性能;换流策略有效抑制了 TSMC网侧开关续流导致的电流尖峰,确保了系统安全可靠的工作;而龙贝格负载转矩观测器利用系统反馈的电流和转速信息可以准确观测出电机转矩值,并通过前馈补偿至q轴电流,有效地抑制了由转矩变化导致的转速波动,使曳引机在启动和运行过程中更加平稳,提高了系统抗扰动性能。

关键词： SPICE模型   二维电荷分布   IGBT   负载流子寿命   开关特性   IGBT并联   PSPICE  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)相较于MOSFET和晶体管具有更高的输入阻抗和更低的导通阻抗的优点,以及驱动简单、较少缓冲电路和容易做保护等原因,IGBT在大功率开关器件的应用中占据重要地位。 IGBT目前常用的模型主要有形函数模型、傅里叶模型和集总电荷模型,形函数模型较难描述载流子在瞬态情况下浓度分布,且模型收敛性低;傅里叶变换模型虽然仿真精度较高,但是物理意义不明晰、模型收敛性也较差;集总电荷模型有着明晰的物理意义、精度高、收敛性好等优点,但传统集总电荷大多忽略了对于器件基区的电荷二维分布的描述。 在本文的研究中选用了集总电荷作为IGBT的建模方法,建立了二维集总电荷物理模型,该模型考虑了基极区域的二维电荷分布,将IGBT基区分为两个主要部分:等效PNP和等效PIN部分。通过引入一个有效负数来表示栅极沟道与基区交界附近载流子寿命的概念,基于电中性原理,有效的说明了器件导通状态时电荷在栅极区附近的逐渐积累,即基区等效PIN部分中载流子的悬链线状分布现象。此外,该模型还包含了栅极沟道导通时沟道与N-基区交界处存在的N+N-结,并在器件的开关动态特性时,通过受控电压源的方式描述该结区在P+N-结与N+N-结类型之间的转变过程,使得提出的模型能够在计算出器件关断瞬态时完整的描述出载流子在沟道附近先被抽取形成耗尽区,之后耗尽区逐渐向集电极扩散的现象。最终,该模型还考虑了温度对器件特性的影响。 在基区电荷分布的验证中,通过参数提取搭建有限元模型,建立二维电荷分布的对照数据来进行模型验证。在实验测试验证中,本文通过搭建稳态测试电路与开关瞬态测试电路实验平台,以及双脉冲并联测试平台来进行对于英飞凌1700 V/1000 A的IGBT模块和650 V/40 A的分立器件的实验测试。将测试结果与新提出的模型和传统模型等进行对比,来验证新提出二维集总电荷模型在稳态特性、开关瞬态以及并联不均流特性中的准确性。对比分析结果表明,相较于传统集总电荷模型,新模型在拖尾电流方面误差在5%以内,开关速率新模型误差为7.07%,并联不均流现象的研究中新模型电流的最大误差为6.27%。

关键词： 轮毂电机   模糊PID   转矩矢量分配策略   驱动防滑控制   纵向稳定性  

摘要： 轮毂电机驱动汽车在车辆动力学控制方面具备各种优势,通过各车轮直接驱动,结构简单紧凑,传动高效,简化了车辆底盘系统。同时车辆可以实现转矩转速的精确控制与快速响应,极大地提升车辆动力学控制性能,更适应复杂工况下的行驶要求。转矩矢量控制是在两侧车轮动态分配驱动力,可以提高车辆稳定性和动力性。随着越来越多的创新技术用于轮毂电机驱动汽车上,转矩矢量控制成为一大研究热点。 本文依托国家重点研发计划课题“高密度多单元轮毂电机多物理场协同优化设计与研制”（2021YFB2500701）,针对轮毂电机独立驱动车辆纵向控制系统,从车辆动力学的角度入手,以4WID（Wheel Independent Drive）车辆为研究对象,以提高车辆行驶纵向稳定性和驱动性能为主要研究目标,对4WID车辆的状态参数估计、转矩矢量分配策略和驱动防滑控制等关键技术进行深入研究。本文的主要研究工作如下: （1）轮毂电机驱动汽车仿真模型搭建。针对Carsim没有电动汽车模型的情况,本文在Car Sim中搭建整车模型,根据轮毂电机驱动汽车的特点修改Carsim燃油车的传动系统、悬架系统等,将Carsim车辆模型的动力源改为外部输入,同时增加簧下质量。在Matlab/Simulink中搭建轮毂电机模型,将其作为Carsim车辆模型的动力源输入。为了验证轮毂电机驱动汽车仿真模型的车辆参数合理性、电机选型正确性和驱动性能,进行了直线加速仿真测试,确定该模型可以满足后续控制算法验证需求; （2）车辆状态参数估计。车辆状态参数识别是车辆动力学控制的重要基础,纵向车速估计和路面附着系数的估计直接影响着驱动防滑控制的效果。车辆在复杂路面行驶时,四个车轮的路面附着条件各不相同,车辆纵向稳定性和驱动性能将受到严重影响。本文提出了一种基于信息融合的纵向车速估计方法和基于模糊理论的路面识别方法,为了验证车辆状态参数估计的准确性,进行了直线加速、直线制动和对接路面直线行驶的仿真测试。结果表明,纵向车速估计的最大误差不超过0.9km/h,路面附着系数估计的最大误差不超过8.3%; （3）基于附着率的前后轴转矩矢量分配研究。针对车辆在中低附路面进行加速行驶时,前轴车轮容易出现提前打滑的问题,本文提出了一种基于附着率的转矩矢量分配方法。通过车辆尺寸和纵向加速度等参数计算出一个前后轴转矩矢量分配系数,调节前后轴车轮的驱动转矩关系,提高前后轴的纵向附着系数利用率,避免了前轮提前发生打滑。为了验证基于附着率的前后轴转矩矢量分配方法的有效性,进行了中附路面直线加速仿真测试。结果表明,开启转矩矢量分配的车辆的纵向加速度提高了10.5%; （4）轮毂电机驱动汽车的驱动防滑控制研究。车辆在低附路面、对接路面和对开路面等道路行驶时,容易出现车轮打滑、驱动力下降和车辆跑偏等问题,本文搭建了一种轮毂电机驱动汽车的驱动防滑控制算法。在单轮层面上,基于最优滑转率进行模糊PID控制,将滑转率保持在最优滑转率。在整车层面上,基于转矩矢量分配策略协调各车轮的转矩,将打滑车轮降低的扭矩转移到其他车轮,通过附加横摆力矩限制和电机扭矩上下限,在保证整车纵向稳定性的前提下,提高纵向驱动性能。 （5）转矩矢量控制仿真验证和实车试验。为了验证基于最优滑转率和转矩矢量分配策略的驱动防滑控制算法的有效性,进行均一路面、对接路面和对开路面直线加速的仿真测试。结果表明,在低附和中附的均一路面上,能够控制车轮滑转率到最优滑转率,车辆纵向加速度分别提升了10.2%和12.7%。在低附到高附的对接路面上,路面对接的过渡阶段,车辆纵向加速度提升了1.3m/s2。在高附到低附的对接路面上,路面对接的过渡阶段,车辆纵向加速度提升了2.9m/s2。在对开路面上,车辆没有发生跑偏现象。同时介绍轮毂电机驱动汽车的试验样车开发,进行了基于附着率的转矩矢量分配算法实车试验,测试了其在直线加速行驶中动力学响应和驱动性能。

关键词： 非线性滤波   加权平均场系统   随机控制   模型不确定   G-期望   条件强大数定律  

摘要： 本文主要研究了一类系数不确定的最优控制问题。系数的不确定性可由多种因素导致,文中讨论了由系统中随机微分方程的漂移项不确定性,扩散项不确定性以及评价体系,即概率环境的不确定性导致的系数不确定的随机控制问题。近年来,越来越多的领域涉及到了随机控制模型,例如AI计算,机器学习,信息过滤,信息传输,投资组合,以及金融衍生品定价等,随机控制模型均在其中发挥着巨大的作用。然而,随着理论与现实问题的紧密结合,完备化模型似乎无法准确地描绘复杂的实际问题。因此对于模型不确定的随机控制问题的研究是急切且关键的。本文旨在不同的导致模型不确定的因素的影响下,寻求最优控制,以解决目标函数达到期望极值的优化问题。同时,本着从实际问题中来,回到实际问题中去的宗旨,本文在得到最优控制的理论解法的同时,论证了在给定信息干扰的前提下的条件强大数定律,为实现最优控制的分支粒子系统表示找到了理论支撑,为数值应用奠定了基础。文章的主要研究内容为: 首先,在传统的概率背景下,本文研究了一类漂移项系数不确定的最优控制问题。该问题具体表现为在一个非线性的随机滤波模型中,信号模型不确定,针对最优控制的决断须依赖不完备的观测信息。此时,模型的不确定性可以由一族概率测度集来刻画。因此,本文提出了一类稳健的最优控制问题,即在最不利的评价体系下,根据不完备的观测信息,找到最优控制使系统承担的代价达到最小值。为了应对该种不确定性,本文采用了最大最小值定理,交换了极值问题的先后次序,于是,此稳健的最优控制问题随即转化为了一类加权条件平均场的最优控制问题。随后,本文证明了该类稳健的最优控制问题中的最优控制的存在唯一性,并利用上述方法对其进行了刻画。 之后,在彭实戈院士首次提出的G期望的理论框架下,本文研究了一类扩散项系数不确定的最优控制问题。扩散项系数的不确定性具体表现为在一个加权平均场系统中,概率环境及驱动随机控制系统的G布朗运动的不确定性。在G期望空间中,G期望是由一族概率测度刻画的,因此许多原本传统概率空间中,依赖概率的可列可加性得到的结论在G期望空间中便无法使用。为了解决这一不确定性,本文利用一类在G期望空间中的导数定义,搭建了G期望与传统数学期望的桥梁,在系数非Lipschitz连续的条件下,得到了G期望空间中的随机最大值原理。 最后,为了给G期望框架下的模糊滤波的分支粒子系统表示提供理论依据与基础,在首次给出条件G容量与G期望下的条件独立同分布的概念下,本文研究了一类在不完备信息的限制下的条件强大数定律。研究表明,在不确定的评价体系中,在部分信息的干扰下,条件独立的样本均值的聚点仍然取值在样本的上下条件期望的区间中;而当样本在部分信息干扰下呈独立同分布性质时,样本均值的聚点则集中在上下条件期望这两点上。这对执行人或投资者理解和预测市场行为,比如通货膨胀模式,资金收益情况及在不完备信息下的金融市场交易都具有重大意义。

关键词： 可重构机器人   自适应动态规划   最优控制   模糊逻辑系统   值迭代算法  

摘要： 可重构机器人系统凭借其独有的柔性结构特性,通常适用于完成例如深空探测、核泄漏勘探、灾害救援等人无法直接参与的特种环境作业,在这种环境中工作时往往需要同时保证机器人系统的节能性、精确性、鲁棒性、稳定性等指标。因此,为了实现在一定控制精度的同时尽量降低控制器所需的能耗代价,最优控制的研究是尤为重要的。 自适应动态规划方法通过分别估计性能指标函数和最优控制策略进而获得哈密顿-雅可比-贝尔曼方程的近似解,并收获了显著效果。策略迭代作为自适应动态规划中求解最优策略的基本方法之一,它从一个可容许初始控制策略出发,通过策略评估和策略改进不断迭代更新策略,直到策略收敛。值得注意的是,在实际应用中很难找到一个合适的可容许初始控制策略来开始迭代。值迭代的解决方法则是使用贝尔曼最优方程,将策略改进视为值函数的改进,从初始状态值函数开始同步迭代直到值函数收敛,整个迭代过程中不需要可容许初始控制策略。本文以值迭代算法、模糊逻辑系统、自适应动态规划为核心,对可重构机器人的最优跟踪控制进行研究,具体研究内容包括: (1)可重构机器人系统的动力学建模 分别采用牛顿-欧拉迭代算法与关节力矩反馈技术对可重构机器人系统进行分析。通过局部关节动力学信息把建立闭环系统整体动力学模型问题转化为建立n个子系统动力学模型的问题。 (2)基于值迭代的可重构机器人系统分散模糊最优控制 本文构造了一种局部在线值迭代算法并提出了一种基于值迭代的分散模糊最优控制方法。针对模型中的交联耦合项,采用间接自适应模糊控制的方法对其进行补偿。通过模糊逻辑系统对性能指标函数进行估计,在不需要初始容许控制策略的条件下得到了分散模糊最优控制律。 (3)积分强化学习下基于值迭代的可重构机器人模糊反步最优控制 本文研究了一种积分强化学习下基于值迭代的模糊反步最优控制方法。将积分强化学习引入到值迭代算法中,解决了未知系统漂移动力学的最优跟踪控制问题,并对其收敛性进行了严格的证明。为提高系统的控制精度,利用局部动力学信息将可重构机器人的最优跟踪控制问题重新考虑为最优补偿问题。采用最优补偿控制策略来处理包含各关节信息的交联耦合项,进而得到可重构机器人的模糊反步最优控制律。

关键词： 永磁同步电机   燃油泵   自抗扰控制   矢量控制  

摘要： 随着汽车行业对性能和效率要求的不断提高,燃油泵技术的发展战略将重点关注如何提高燃油泵的效率和可靠性。燃油泵作为汽车燃油供应系统的核心部件,通过燃油泵用永磁同步电机高速运转将燃油从油箱输送到发动机的燃烧室,其性能直接影响到发动机的工作效率和排放标准。因此,实现对燃油泵用永磁同步电机的精确控制可以使电机转速稳定,燃油泵输油平稳,提升汽车整体性能。 永磁同步电机是高耦合非线性系统,被线性PID控制调速时,易受参数变化及负载扰动等非线性因素影响,存在快速超调问题,不能满足燃油泵用永磁同步电机在复杂工况下对转速的稳定性等高性能控制的需要。自抗扰控制通过对预设值安排跟踪过渡过程,实时估计和补偿系统的状态变量,采用非线性组合控制律,克服PID控制器中存在的快速超调问题。本文基于自抗扰控制算法结合永磁同步电机数学模型,设计并开发基于燃油泵用永磁同步电机自抗扰控制系统,旨在提高油泵电机输出转速的稳定性,提高燃油泵的效率和可靠性。 本文首先阐述了课题的研究背景与意义,归纳分析国内外学者对燃油泵和永磁同步电机相关技术的研究,深入分析自抗扰控制器数学模型及其实现原理,并结合永磁同步电机数学模型,设计永磁同步电机速度环自抗扰控制器。利用MATLAB/Simulink平台搭建自抗扰控制系统模型,对比分析速度环PI控制与自抗扰控制的性能差异,印证本文设计的速度环自抗扰控制方法的控制性能。最后,以车规级SPD1179国产芯片作为油泵控制器的主控制芯片,设计硬件外设电路和开发软件程序,将自抗扰控制算法应用于200W燃油泵用永磁同步电机控制,搭建实验平台进行软硬件联合调试,通过采集SVPWM信号、电角度位置信号和转速曲线波形,实验结果验证自抗扰控制能够有效解决PI控制存在的快速超调问题,具有良好的控制效果。 未来在工程应用中将进一步探索自抗扰控制算法的优化和实施,以期达到更高的性能和应用价值。

关键词： 柔直换流阀   IGBT   波导光栅   结温监测   传感网络设计  

摘要： 随着新能源转型,电力资源分配不均的矛盾日益突出,柔性直流换流站的建设成为特高压输电建设的“新心脏”。大功率绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)作为柔直换流阀输电系统中的关键器件,对其结温进行实时、准确地监测是电网安全运行的重要保障。但由于大功率器件在封闭空间运行时可能存在复杂的物理场耦合现象,导致市面上的大部分电学温度传感器难以准确地直接测量出IGBT模块内部芯片的结温。因此,设计一种准确且稳定的温度传感器来监测IGBT内部芯片结温有重要研究价值和现实工程意义。在团队的早期研究中,通过在IGBT芯片表面铺设光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)的方式,成功实现了对IGBT内部结温的直接测量。然而,由于光纤光栅的结构较为脆弱,容易折断,这不仅增加了安装的难度,而且在测量过程中,它也容易受到外部条件的影响,导致测量位置出现偏差。这些问题最终导致温度监测系统的准确性和可靠性未能达到预期的水平。 本文根据厦门鹭岛柔直换流站中换流阀温度监测现状,针对换流阀的结构及测温需求,基于前期研究人员对换流阀温度监测成果,设计了一个基于波导光栅的柔性直流换流阀温度监测系统。该系统采用硅基波导光栅作为传感芯片,该芯片具有低功耗、高传输带宽和高抗干扰性等优势。此外,相较于光纤光栅温度传感系统,波导光栅结构稳定、集成度高,可以有效解决光纤光栅安装易折断、测量位置偏移等问题。 首先,本文从波导光栅的理论知识入手,运用耦合模理论对波导光栅的结构和原理进行了深入分析,并阐述了其在温度传感方面的应用。针对换流阀的温度监测需求,本文依据波导光栅的设计思路,通过光栅耦合理论及模场分布分析,推导出了波导光栅耦合系数、光栅周期、波导宽度和波纹宽度等关键参数。接着,利用Lumerical仿真软件对这些参数进行了仿真分析,并进行了优化,以改进光栅结构、提高其性能。其次,针对柔直换流阀中IGBT芯片检测环境复杂且空间狭窄的问题,本文提出了一种新型光路设计方案,其中包括波导光栅的测温点位确定,针对小空间、无金属器件绝缘环境的IGBT模块整体封装设计。最后,基于密集波分技术设计了换流阀子模块温度传感网络,使传感器件独立的同时简化了光路。该系统设计通过详细介绍其优化设计、器件封装、实验测试和结果分析的各个具体过程,验证了波导光栅在温度检测系统中的高性能、高可靠性应用。研究表明,该结温在线监测系统能够准确获取换流阀中器件的动态结温,实现柔性直流输电系统中的安全监测和故障预警功能,为换流阀的维护和故障分析提供了科学依据,具有一定的工程应用价值。