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关键词： 单机架轧机   电气传动   日立变频器   矢量控制   V/F控制  

摘要： 本文主要分析了国内某钢厂单机架轧机机组传动系统，该机组传动系统选择了日立不同系列的变频器。文中介绍了单机架轧机机组运行的主要设备组成及电气参数，对不同功能的电机配置变频器的选型思路进行了说明，详细介绍了变频器控制电机使用的矢量控制方法和V/F控制方法。该机组设计的传动系统已经应用在生产中，整体传动系统运行稳定、可靠，具有较高的控制精度。本文可以帮助相关从业人员理解电机控制原理，并且可为其他单机架轧钢机组的传动系统提供设计思路。

关键词： 平面非穿通型   1700V IGBT   终端结构   短路特性  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）因具有高耐压、低损耗等优点而备受关注,被广泛应用于智能电网、新能源发电、轨道交通等领域。1700V IGBT作为光伏逆变器的核心元器件,对提高可再生能源的转换、传输效率具有重大意义。然而,在1700V电压等级IGBT的国际市场上,国内厂商在研制成本、技术成熟度、市场份额等方面仍不完全具有较强的竞争力。因此,为满足日益增长的市场需要,掌握IGBT的设计是十分重要的。本文依托国内某半导体代工平台,开展了耐压为1700V的IGBT设计与优化研究,为业内研发同类型的产品提供参考。 本文的主要工作如下: （1）设计了一款1700V/32A平面非穿通型IGBT（Non-Punch-Through IGBT,NPT-IGBT）。结合工艺平台的条件,制定了工艺流程。使用仿真软件完成了器件电学参数的优化设计,考虑了元胞的工艺与结构参数对击穿电压、导通压降、关断损耗等电学特性的影响,确定了P-well注入剂量、JFET注入剂量、栅极长度等元胞参数值。完成了满足耐压要求的结终端设计,对其关键参数进行拉偏仿真。取得的结果如下:器件击穿电压为1930V,电流密度160A/cm2下导通压降为3.2V,关断功耗为8.9m J。 （2）完成了IGBT的测试与优化工作。结合仿真设计结果,完成了版图的绘制。完成流片后器件的静态、动态电学特性测试,实际测试结果如下:器件阻断电压大于1900V,导通压降为4V,关断损耗为3.5-4m J。分析了实测结果与仿真数据之间的差异并总结了原因。完成了本次流片的IGBT短路性能测试,探究了N+发射极掩模板注入窗口与器件短路性能的关系,得到了16μs的短路安全时间。最后给出了优化建议。

关键词： 十二相永磁同步电机   中性点连接方式   PWM调制技术   矢量控制   容错控制   转矩脉动  

摘要： 多相电机驱控系统具有低转矩脉动、高可靠性以及高自由度的特点,可以实现传统三相电机驱控系统难以实现的技术指标。因此为进一步提高多相永磁电机运行性能,保证缺相状态下稳定的转速与转矩输出,本文以十二相永磁同步电机为研究对象,围绕多相电机驱控策略和容错控制技术展开分析和研究,具体研究内容如下: 首先,本文以四Y移15°十二相永磁同步电机为研究对象,基于传统四d-q坐标系建立十二相电机解耦模型,提出十二相电机的六相矢量空间解耦坐标变换以及十二相矢量空间解耦坐标变换,分析三种坐标变换的关系,推导基于矢量空间解耦坐标系的十二相电机解耦模型,实现十二相电机变量基波和谐波的完全解耦,提高十二相电机的冗余度以及运行可靠性。 其次,本文分析不同中性点连接方式的逆变器拓扑结构,针对性提出解耦SVPWM以及最大两矢量SVPWM算法;由于数字式PWM调制算法难度大,随着冗余度提高,输出电压谐波含量上升,提出载波调制式十二相SPWM算法并通过注入零序分量进行直流母线电压利用率优化;为保证正常状态与缺相状态下PWM调制算法切换的平滑性与方便性,提出基于零序信号注入的SPWM算法与十二相SPWM算法切换驱动的PWM调制策略,同时避免缺相状态下SVPWM算法引入三次谐波分量产生的直流偏置。 再次,本文分析当前广泛研究的基于四d-q坐标系的多相电机矢量控制策略,以四d-q坐标变换方法为核心,实现d-q轴电流静态解耦;针对传统矢量控制自由度低,d、q轴存在动态耦合的问题提出基于六相VSD坐标变换的矢量控制以及基于十二相VSD坐标变换的矢量控制,并且分析不同子空间下的PI控制器传递函数,得出多相电机VSD矢量控制的调参方法;对于三种矢量控制之间的联系进行理论分析以及建模仿真,并对于理论分析进行仿真验证。 最后,本文研究基于总磁势不变原则的十二相PMSM容错控制算法,实现单中性点连接系统仅退出故障绕组的稳定运行;针对不同中性点运行方式分析容错电流幅值与相位以及电机冗余度和性能的差异,并建立仿真模型验证理论分析正确性;同时,分析三次谐波磁势的产生机理及影响,研究基于三次比例谐振控制器的容错控制算法,减小故障后三次谐波、转矩脉动和噪声,在仿真中对比改进前后容错控制状态下三次谐波含量以及转矩脉动抑制效果。

关键词： 智能功率模块   栅极驱动   电平位移   IGBT   软关断  

摘要： 在功率半导体时代技术发展背景下和芯片模块系统化的历史进展中,智能功率模块的概念逐渐发展出来,智能功率模块(IPM,Intelligent Power Module)是一种高集成度、高功率密度的功率混合集成系统化模块,因其模块面积小、性能优越,可针对电机、电源等提供完整的功率驱动和保护功能,因此它们在中低功率和中频范围的电源系统中得到了广泛的应用。栅极驱动电路对于智能功率模块的驱动性能和逻辑保护十分重要,在保证足够电气隔离、信号完整性的前提下,也要兼顾经济适用性和模块的系统稳定性。本设计基于智能功率模块项目,参与设计了一款基于华润上华高压BCD工艺的高压栅极驱动电路芯片,该电路具有欠压保护、过温保护和过流保护等优异的保护和故障安全操作的特点。 根据实际应用需求、IGBT产品手册等多方面因素考虑对驱动电路的要求,本项目的栅极驱动芯片的主要参数指标为:兼容3.3V/5V的高低逻辑电平,高电平有效,高低侧输入输出同相位;正常工作电压13.5V-16.5V,采用标准15V单电源供电;内置双高互锁、使能关断、软关断等功能;工作温度为-20℃至120℃,正常温度范围内工作,高低侧信号传输延迟差小于50ns;芯片的逻辑控制部分集成了高低侧通道的VCC/VBS的欠压保护、短路保护、过温保护、温度输出以及异常工作状态故障处理控制电路,能够有效输出故障信号,关断模块输出,避免模块遭受损坏。 本文首先根据智能功率模块的系统构成,解构了功率电路部分、栅极预驱电路部分和逻辑控制电路部分,确定了本设计的智能功率模块驱动拓扑为U/V/W三相全桥驱动,根据选用的IGBT器件的工作特性和实际应用需求确定芯片的参数指标,介绍了整体的栅极驱动电路的整体结构框图和工作原理。对智能功率模块的基本单元模块电路进行了详细的分析、设计,在Cadence仿真平台使用Spectre仿真器对各子电路模块进行了仿真和验证。并搭建整体仿真环境,验证了整体功能,保证功能的正确性和芯片参数的准确性,最后进行了实物验证测试。

关键词： 直线感应电机   无速度传感器控制   模型参考自适应系统   二阶超螺旋滑模算法   双参数并行辨识  

摘要： 直线感应电机(Linear Induction Motor,LIM)具有横断面尺寸小、爬坡能力强、转弯半径小等优势,常应用于城市轨道交通列车牵引驱动系统。LIM牵引驱动控制系统通常使用速度传感器获取运行速度,不仅增加系统硬件及维护成本,同时速度传感器测量结果易受环境影响,而无速度传感器LIM控制摒弃速度传感器并简化控制结构,得到很多学者关注。针对传统速度观测器易受边缘效应和电机参数改变等问题,提出一种基于二阶超螺旋滑模的改进模型参考自适应系统(Model Reference Adaptive System,MRAS)速度观测方法实现。为进一步提高电机参数变化时,速度观测器的精度,提出采用速度和电机参数并行辨识方法,进一步提高在复杂工况扰动下,无速度传感器LIM控制系统的鲁棒性。 首先,对LIM特性进行分析,构建考虑边端效应的LIM T型等效电路数学模型;以LIM电压磁链模型为基础设计MRAS观测器的参考模型,以LIM初级电流磁链模型为基础设计MRAS观测器的可调模型,并利用Popov超稳定原理,构建自适应控制律,实现对电机速度的观测。电机数学模型的准确性直接影响基于MRAS观测器速度辨识精度,同时外部扰动和电机参数摄动均影响观测结果。应用鲁棒性高、动态性好的二阶超螺旋滑模算法对MRAS观测器参考模型进行改进,提高速度辨识抗干扰能力。 其次,基于改进MRAS速度观测器控制系统,在一定速度域范围内,能够提高系统对参数摄动的抗扰性能。然而,在额定速度域范围励磁电感发生较大突变和极低速度域初级电阻突变时,速度观测结果振荡显著且无法收敛,系统鲁棒性不足。针对以上问题,提出励磁互感、初级电阻分别与速度并行辨识的方法,提高了参数变化时LIM无速度传感器控制系统综合性能,并进行simulink仿真验证方法有效性。 最后,搭建硬件在环实验环境对所提方法进行验证,实验结果表明基于改进MRAS无速度传感器控制,能够有效应对直流偏置的测量误差、高斯白噪声和负载突变的影响,保证控制系统的实时性及鲁棒性;基于改进MRAS的速度和参数并行辨识的方法,在励磁电感及初级电阻变化时,能够有效实现双参数辨识。

关键词： PMSM   优化无感FOC   增量式光电编码器   限幅均值滤波   新型“M/T”测速算法  

摘要： 随着现代科技的进步,永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)作为高性能、高功率密度和效率优异的电机,在电动汽车、工业生产线和风力发电等领域中应用广泛。因此对PMSM的控制和测速算法进行深入研究,实现稳定的动态控制至关重要。然而,矢量控制(Field-Oriented Control,FOC)算法依赖位置和速度传感器,导致成本和复杂度增加,且容易受传感器故障影响。传统的“M”法(定时测角法)和“T”法(定角测时法)难以满足整个速度段,“M/T”法在低速时段的实时性差以及部分改进后的“M/T”测速算法难以应用于实际硬件设备。在上述研究背景下,本文提出优化无感FOC的PMSM控制,并基于增量式光电编码器对改进后的“M”法、“T”法和新型“M/T”算法在PMSM进行测试。论文的主要研究内容如下: 1)针对传统FOC算法的精度低以及依赖传感器增加成本的问题,提出优化无感FOC算法来控制电机。首先,通过近似估计算法来优化传统的坐标变换技术,并采用饱和安全控制对比例积分器进行改进。然后,通过滑模控制对电流观测器进行补偿来预估和观测三相电流值,并通过相位补偿和滤波之后的反电动势观测器来获取电机的转子角度和速度。最后,基于STM32单片机在PMSM上实现优化的无感FOC算法,通过和其他控制算法进行精度和成本比较,优化的无感FOC在精度和成本上达到了很好的平衡性。 2)针对传统“M”法低速段实时性不佳和精度低的问题,采用了分段式采样、倍频和指数加权移动平均滤波的方法进行处理,以提高测速的准确性、实时性和速度曲线的平稳性。针对“T”法在高速阶段产生的误差以及难以实现的问题,采用了限幅均值滤波方法进行处理,通过限制速度范围和均值处理降低了高速阶段的脉冲误差。虽然限幅均值滤波有效地滤除了高速误差,但是其在中低速阶段处理毛刺信号方面存在困难。因此,提出了分段式限速滤波算法,充分利用电机转速的稳定性,在速度检测周期内对低速情况下的毛刺信号进行处理。实验结果显示,改进后的“M”法和“T”法在误差方面都能够维持在6%以下,且改进后的两种算法由于测速时间的改变,实时性也有了较大地提升。 3)针对传统的“M/T”算法在低速阶段实时性差、难以在硬件设备上实施和精度低等问题,提出一种新型“M/T”测速算法。该算法将改进后的“M”法和“T”法结合起来,并融合加权平均算法,使电机在不同速度段采用不同的测速方式。此外,在PMSM上实现了新型“M/T”测速算法,验证了其可行性。实验结果显示,新型“M/T”测速误差在整个速度段都能够低于4%,并通过和多种基准测速算法对比,改进后的算法在成本、精度和实时性方面均取得了显著地提升。

关键词： 车道减少路段   轨迹优化   Vissim二次开发   最优控制  

摘要： 高速公路对人们的出行提供了诸多便利,能够加强城乡之间的交流,减轻交通压力。但随着人们交通需求的不断增加,随之带来诸多交通拥堵问题。车道减少路段作为高速公路瓶颈路段,是高速公路拥堵产生的主要源头之一,提升车道减少路段的通行效率,是提升高速公路路网运行效率的重要举措。智能网联作为智能运输系统的重要组成,使得对车辆运行轨迹控制成为可能,为提升车道减少路段车辆行车效率提供全新视角。本文针对高速公路双车道减少为单车道场景进行车辆轨迹进行优化,进而缓解高速公路车道减少路段交通拥堵,对高速公路路网整体运行效率提升有积极作用。 首先分析了车道减少路段的交通特性及存在的问题。对高速公路车道减少路段车辆运行特性及交通流特性进行了分析;基于已有数据对Vissim软件进行参数标定,对正常双车道与车道减少路段两种情况下车辆进行仿真实验,通过设置检测器,得到在不同车头时距下的车辆出行时间、排队长度及排队延误数据。仿真结果表明,在车道减少路段不同交通需求下,车道减少路段会增加车辆的行程时间及延误时间,车道减少路段会对车辆出行产生负面影响;基于高速公路车道减少路段存在的问题,提出了智能网联环境下车辆控制策略。 其次构建了车辆轨迹优化模型。基于提出的车辆控制策略,考虑高速公路车道减少路段的复杂性,选择最优控制方法构建车辆轨迹优化模型:考虑车辆的最小能量消耗,确定了目标函数;考虑不同的交通流量,确定其优化模型的约束条件;确定表征输入—状态关系的状态方程;考虑到车辆的实际运行情况,确定边界条件;综合上述目标函数、约束条件、状态方程、边界条件,构建车道减少路段车辆的轨迹优化模型;为保证车辆能够应对复杂环境,将模型控制预测技术与之结合。 然后求解了轨迹优化模型。利用庞特里亚金极大值原理得到了解析解,并利用数值解验证了解析解的正确性;从采样周期、前导车辆运行轨迹、不同初始速度等方面分别探究了对于解析解的影响,结果表明:在采样周期为1s、前导车辆轨迹为vl（t）=v0lead[1-1/6sin（π/15t）]、初始速度为15m/s时,车辆由2车道汇入1车道过程中用时最小且乘客舒适性最高。 最后验证了轨迹优化策略的有效性。利用Matlab对Vissim进行二次开发,分别得到无控制策略与构建的车辆轨迹优化策略下车辆的行程时间、延误时间、车辆平均速度等。仿真结果表明:在轨迹优化策略控制下,车辆经过高速公路车道减少路段行程时间更低、延误时间也更低,与无控制策略相比,轨迹优化控制策略使瓶颈路段上下游车辆速度分别提升9.2%与5.9%,道路通行能力提升9.1%。