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关键词： Insulated gate bipolar transistors (IGBT)  

摘要： Recently, due to the commercialization of power semiconductors based on SiC (Silicon carbide) devices with high voltage operation, high frequency operation, and high temperature operation characteristics, there is growing interest in transition conventional Si device to SiC power semiconductors. In order to convert the widely used Si-based inverters to SiC-based inverters, it is necessary to quantitatively evaluate the inverter system improvement due to the use of Si or SiC device power semiconductors. In this paper, the efficiency comparison of a 150kW inverter for EV propulsion using Si-IGBT and SiC-MOSFET is carried out, and the system improvements due to the conversion of power semiconductors is analyzed. For accurate comparison, a Si-IGBT/SiC-MOSFET power module with the same specifications of 1200V, 600A is selected, and an inverter performance test over entire driving range is performed with only the power semiconductor and gate driver changed. Through driving cycle analysis based on inverter performance test results, it is verified that when switching from Si-IGBT to SiC-MOSFET, inverter energy loss is reduced by 26.3%. © 2024 Korean Institute of Electrical Engineers. All rights reserved.

关键词： 四轮转向   控制算法   转向执行器特性   最优控制   硬件在环  

摘要： 随着汽车不断发展,四轮转向技术逐渐受到关注。四轮转向技术能够有效提高车辆的稳定性与安全性,具有广泛应用意义。本文将从转向执行器特性测试、四轮转向后轮控制策略设计、四轮主动转向LQR控制策略设计、控制策略对车辆性能改善效果等方面开展研究,主要研究内容如下: (1)建立了四轮转向车辆线性二自由度模型与前轮和后轮的转向执行器模型,比较了四轮转向车辆线性二自由度模型与整车Carsim模型的仿真结果。分析和对比了开环试验和闭环试验下转向执行器滞后影响。设计了实车控制架构网络和保护策略,保证了实车试验安全性,总结了实车试验过程采用的工具链。 (2)开展了四轮转向车辆后轮控制策略的设计与联合仿真验证,分析了四轮转向车辆的控制目标,设计了四轮转向车辆的经典控制策略,建立了期望稳态的横摆角速度和质心侧偏角的表达,设计了前后轮转角比例前馈控制策略和比例前馈+横摆角速度PI反馈控制策略作为对照。设计了LQR控制策略与MPC控制策略,搭建了LQR控制策略与MPC控制策略实现的Simulink模型。利用了角阶跃工况和双移线工况对原车和4种控制策略进行了联合仿真验证,分析了仿真试验结果,验证了LQR控制策略和MPC控制策略对原车性能的改善,为后续控制策略优化提供了基础。 (3)完成了四轮主动转向LQR控制策略的设计与联合仿真验证,设计了四轮主动转向LQR控制策略,实现了对车辆四个车轮转角的控制。设计了角阶跃工况和双移线工况并将主动四轮转向车辆与原车前轮转向车辆进行对比,验证了设计的LQR控制策略提高车辆稳定性的效果。分析了LQR控制策略状态量权重矩阵参数、控制量权重矩阵参数、控制率各分量的作用,通过仿真试验验证了LQR控制策略参数的选择对四轮主动转向的影响。 (4)开发了四轮转向控制策略验证硬件在环试验台,验证了控制策略的效果,说明了试验台的架构、硬件和软件。设计了后轮转向电机三闭环控制策略,验证了后轮转向电机位置控制的跟随效果。设计了角阶跃工况和双移线工况,进行了车速90km/h的控制策略硬件在环试验,分析了试验结果,验证了控制策略提高车辆的效果。采用实车完成了3种转角60km/h阶跃试验、2种转角90km/h阶跃试验、原地转向变频正弦试验、30km/h转向变频正弦试验、60km/h转向变频正弦试验,获得了相应的后转向执行器平均滞后时间和峰值响应偏差,为后续车辆性能优化提供了支持。

关键词： Stewart平台   永磁同步电机   FPGA   矢量控制   Anti-windup  

摘要： 大型望远镜在空间目标检测、天体观测、空间通信等领域发挥着重要作用,Stewart平台作为典型的并联机构,凭借其闭链控制的优势用于大型望远镜的次镜调整机构。永磁同步电机（Permanent magnet synchronous motor,PMSM）具有功率密度高、动态性能好及控制精度高等优点,成为Stewart平台驱动电机的首选。目前,PMSM伺服控制系统普遍采用DSP作为控制器,但是基于DSP设计的控制系统存在响应速度慢、功耗高等问题,FPGA具有开发周期短、功耗低且采用并行运算等优点,逐渐替代DSP作为伺服控制系统控制器并且成为研究热点。因此,对基于FPGA的Stewart平台伺服控制系统进行研究,具有重要的应用价值。研究的主要内容如下: （1）针对Stewart平台的运动机理,确定平台采用关节空间控制方案。建立了永磁同步电机的数学模型,基于di=0控制方案分析了电流环、速度环和位置环频域模型,确定了各环路的控制器参数,在MATLAB中搭建了伺服控制系统仿真模型。 （2）针对在速度环中由于限幅环节的存在,会使系统出现超调量增加,稳定时间变长的问题,设计了反计算抗饱和算法对速度环控制器进行改善,和采用传统PI控制器做仿真对比,超调量从10.8%降低至4.3%,到达稳态时间由0.018s降低至0.007s。针对在位置环控制器中采用纯比例控制时,位置阶跃响应时间较长,对高阶输入存在静态误差以及稳态输出滞后于输入信号的缺陷,采用比例加前馈复合控制进行优化,对正弦位置信号进行追踪,仿真结果显示正弦误差幅值从0.3rad降低到0.004rad。 （3）结合改进的控制器模型并基于FOC控制策略,设计了基于Xilinx系列XC7S25CSGA324-1芯片的Stewart平台伺服控制系统,包括坐标变换模块、控制器模块、SVPWM模块、电流采样处理模块以及编码器信号处理模块,并在Vivado软件中对上述模块进行了功能测试。 （4）选择FPGA作为伺服控制器的核心,计算机作为系统上位机,通过上位机发送相关操作指令,来验证设计的Stewart平台伺服控制系统性能。首先对Stewart平台单轴伺服控制系统进行测试,测试结果表明所设计的控制系统有良好的响应速度和控制精度。并搭建了Stewart平台样机,将平台整体作为测试对象,测试了平台的重复定位精度,测得平台X、Y、Z方向的重复定位精度均小于2μm,U、V、W方向的最差重复定位精度为2.5μrad,测试结果表明所设计的伺服控制系统可以满足平台设计要求。综上,表明所设计的伺服控制系统具有良好的动态性能和控制精度,为后续的深入研究奠定基础。

关键词： 长线电缆   过电压抑制   三电平   矢量控制  

摘要： 在当今的工业自动化和精确控制系统中,电机驱动技术扮演着核心角色。随着系统需求的不断提升,驱动技术面临着越来越多的挑战,其中之一便是长线电缆在连接逆变器和电机时产生的过电压问题。这一问题不仅影响系统的稳定运行,也对电机的寿命和性能构成威胁。 本文研究聚焦于使用长线电缆连接逆变器和电机时的电机端过电压现象。首先,讨论了电缆过电压的产生机理,电缆末端的反射和折射现象,波在无损电缆上的传播过程,波在无损且末端接大电阻的电缆上的传播过程,电缆的分布参数对过电压的影响,以及驱动系统实际工作时出现超两倍过电压的原因。本文还提出了一个基于传输线和电路频域分析理论的过电压计算程序,该程序能够准确计算长线电缆末端的过电压值。 通过理论分析、仿真和实验,本文对比了两电平和三电平PWM调制方式在抑制长线电缆末端过电压方面的效果,并指出三电平技术能够显著降低过电压的原因在于其谐波含量少和谐波幅值低。此外,通过设计基于两电平和三电平技术的长线电缆矢量控制系统仿真模型和实验,验证了三电平技术的有效性。 进一步地,设计了基于FPGA的三电平矢量控制的核心程序。 综合来看,本研究不仅降低了电机端过电压,并且对于以长线电缆为传输介质的驱动系统的设计和优化具有重要的理论和实际应用价值。

关键词： 底盘测功机   LabVIEW   道路模拟   变频器   Modbus总线  

摘要： 能源和环境问题是目前世界上热门的话题。随着机动车数量的增多以及机动车相关制度的推行,车辆的性能成为判断车辆产品好坏的重要指标。在投放到市场之前,摩托车的整车性能检测是最关键的检测关卡。 底盘测功机是一种室内检测车辆的设备,是用来检测车辆发动机功率、动力性能和滑行性能等的重要设备。底盘测功机使得车辆的各种测试项目可以移至室内进行,大大减少了不可控的室外环境对于测试结果的影响,节省了人力、物力等,并提高了试验精度。传统的底盘测功机采用电涡流测功机搭配飞轮组来完成阻力的模拟,飞轮一旦加工完成,质量固定不变,不能实现对不同摩托车型号的需求测试;电涡流测功机的性能会随着其机身温度的升高而变化,导致测试结果的不准确。为了解决上述不足,设计了交流电力式摩托车底盘测功机。针对上述不足,通过对摩托车试验标准、台架测试方法与评价指标的深入剖析,以及对底盘测功机的基础构造与运行原理的理解,提出了一种能够实现阻力连续模拟调节的加载设备方案,进而设计了一套全面的交流电力式摩托车底盘测功机测控系统。本文主要研究内容如下: (1)针对阻力模拟,采用交流电机作为阻力模拟的加载装置,用电模拟阻力的方式替代传统的飞轮组对阻力的模拟,实现了对不同惯性质量摩托车行驶阻力的模拟,一定程度上提升了测试精度和操作简便性。 (2)针对滑行参数的确认,通过滑行法进行滑行模拟阻力试验,采用最小二乘法对参数进行拟合,进而得到底盘测功机设定系数。 (3)针对控制系统,运用变频调速技术来调节电力测功机加载电机转速的大小,达到加载阻力无级模拟的要求。 (4)进行了软件系统设计,为了提升了摩托车底盘测功机软件程序的灵活性和可复用性,采用了模块化编程理念,运用LabVIEW编程环境设计了摩托车底盘测功机的测控软件系统。上位机与下位机之间采用Modbus进行数据交互,极大地提高了通讯速率。

关键词： 驱动电机   矢量控制   改进模型参考自适应   迭代学习控制  

摘要： 国际能源问题不断恶化,国内外油价飙升,燃油车出行成本偏高,电动汽车逐渐成为出行的首选。国家大力发展新能源,电动汽车顺应发展逐步成为汽车行业的发展重点。驱动电机作为电动汽车的核心动力部件,研究驱动电机控制稳定性和鲁棒性,对于发展电动汽车具有重要作用。 本文从驱动电机入手,对比主流驱动电机的性能,突出了永磁同步电机高效率、高功率因数以及高功率密度的优点,并建立永磁同步电机三相坐标系数学模型,通过Park变换和Clark变换建立理想化旋转坐标系数学模型,根据此数学模型研究永磁同步电机矢量控制方式,对于永磁同步电机空间电压矢量控制原理进行了详细的推导分析,阐述了空间矢量脉宽调制的基本原理,在矢量控制方式基础上加入模型参考自适应控制,根据波波夫超稳定理论建立转速的辨识模块以及基于模型参考的自适应控制系统,利用MATLAB/Simulink进行仿真模拟。并通过改进模型参自适应控制(MRAS)以及迭代学习算法(ILC)的融合,进一步提高了控制系统的性能,同时为了验证改进方法的效果,与粒子群算法以及多目标差分算法进行转速辨识效果比对,通过收敛速度的不同,体现出所用方法的优越性能,进一步证明了该控制系统的有效性。 通过驱动电机自适应控制性能的研究,为驱动电机转速稳定性控制提出了一个完善的控制策略,对于驱动电机控制性能的提升以及电动汽车运行稳定性的发展做出了贡献。

关键词： 三电平逆变器   过电压   共模电压   矢量控制  

摘要： PWM型伺服驱动系统在工业中的应用十分广泛,通过脉宽调制技术来控制电机运行,显著提升了系统的性能。然而,这种系统在实际应用中也面临诸多挑战。例如在核电厂反应堆这种对可靠性要求极高的应用场合,由于伺服驱动器与电机距离较远,当PWM信号通过长线电缆传输至电机时,会由阻抗不匹配而引起电压反射,造成电机端过电压,损害电机和电缆的绝缘性能。因此,针对长线电缆驱动系统中电机端过电压的抑制尤为重要,需采取有效抑制措施,保护电机和电缆,提升系统的可靠性与稳定性。三电平调制算法相较于传统的两电平调制算法,可以减小电压跳变,改善输出电压波形。通过推导两电平脉冲波以及三电平脉冲波在电机端过电压的时域表达式,分析三电平技术抑制电机端过电压的机理,并通过仿真验证了其正确性。 此外,伺服驱动器采用PWM控制时,输出的三相电压不平衡,逆变器输出一侧会产生共模电压,损害电机轴承,产生电磁干扰,影响了电机的工作可靠性。因此,对共模电压抑制技术进行探究具有重要的意义。因此,提出基于三电平逆变器共模电压抑制的混合调制策略,通过调制比把三电平空间矢量划分为两个区域,选取产生共模电压较低的电压矢量,有效降低共模电压的同时保证三电平逆变器输出电流的总谐波失真低于6%,并通过仿真验证策略的可行性。 搭建基于三电平矢量控制系统的仿真模型以及实验平台,仿真表明矢量控制系统具有良好的稳态精度,对逆变器输出电压以及电机端线电压进行测量,证明三电平逆变器对电机端过电压抑制效果良好。 图57幅;表9个;参51篇。

关键词： 多芯片IGBT模块   宽频振荡问题   振荡表征平台   寄生电感提取算法   受迫振荡模型   PETT振荡模型   封装抑制方法  

摘要： 大功率多芯片绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Translator,IGBT)模块是大容量高效功率变换装备的核心部件,广泛应用于新能源发电、电气化交通和柔性直流输配电等重要领域。上述领域的蓬勃发展对功率变换装备提出了高运行效率、高输出功率、高功率密度的发展需求,因此,IGBT模块朝着低通态损耗、高开关速度、多芯片并联、高密度封装的趋势发展,引发了高幅值高频激励、低阻尼系数与高频振荡回路等振荡触发条件,从而诱发了模块内部的宽频振荡,严重影响功率变换装备的运行性能和可靠性。IGBT模块内部宽频振荡类型多、频率范围宽、振荡机理复杂,如何实现融合芯片运行特征和封装分布参数的宽频振荡建模及抑制是确保其可靠运行的关键挑战。然而,现有宽频振荡方面的研究面临着表征不清、机理不明、抑制边界不明的问题,难以快速准确地对模块内部宽频振荡问题进行分析及抑制。为此,本文聚焦于IGBT模块内部宽频振荡问题的分析及抑制方法,着重开展表征平台构建、特征参数提取、受迫振荡与等离子体抽取渡越时间(Plasma Extraction Transit Time,PETT)振荡建模与抑制方法等方面的研究,为大功率多芯片IGBT模块内部芯片与封装优化提供理论指导,提升功率模块的运行可靠性。论文的主要研究内容和创新成果如下: 首先,针对IGBT模块内部宽频振荡频带宽、难表征的难题,搭建基于空间近磁场的宽频振荡表征平台。借助空间磁场中蕴含模块内部高频振荡信息的特征,建立基于高带宽近磁场探头表征内部宽频振荡的方法。考虑到近磁场仅发生在功率模块换流过程,探究功率模块连续工况解耦为离散开关工况的测试方法以及前提条件,在此基础上利用工况离线测试、探头位置操纵、后期数据处理等多功能协同方式详细描述振荡表征平台构建方法,该平台近磁场探头带宽高达2.3GHz,远高于现有功率模块宽频振荡频率范围。进一步基于实验结果验证了不同频率范围的多类型振荡表征、高频振荡触发阶段定位、空间近磁场时空/频空分布绘制等平台功能,为探究功率模块内部宽频振荡机理提供新工具。 其次,针对IGBT模块内部寄生电感数值小、提取误差大的挑战,建立基于多数据点线性拟合的寄生电感高精度提取方法。通过对功率模块开关过程不同阶段的分析,结合电流快速变化阶段对模块运行安全产生的影响,探明适合用于寄生电感提取的阶段。揭示现有提取方法精度低的原因是仅采用开关过程中两采样点进行计算,易受测量噪声的影响,在此基础上构建基于开关过程多采样点拟合的线性拟合算法,利用数据处理残差与测量误差均服从正态分布的特点从而消除测量误差的影响。进一步基于不同工况下实验数据提取模块内部寄生电感,提取结果表明与现有方法相比,所提方法将误差从7.6%～11.2%降至2.2%～3.5%范围内,且一致性较好。 再次,针对多芯片并联IGBT模块受迫振荡谐振频率多、封装分布参数复杂的难题,提出基于多端口网络模型的受迫振荡建模方法和抑制手段。考虑到多芯片并联功率模块内部复杂的寄生参数分布,提出一种将模块内部芯片特征与封装参数解耦的多端口网络模型,基于该模型探究多芯片功率模块内部不同芯片端口对应的阻抗特征,在此基础上量化寄生电感和芯片寄生电容对端口阻抗的影响,通过与实验结果相比,构建模型可准确预测模块内部多谐振频率特征且主导频率误差小于3%。进一步,基于实验结果探究受迫振荡阶段近磁场分布特征与母线电压、负载电流以及运行结温之间的相关性,并依据构建模型分别从芯片和封装布局角度提出受迫振荡抑制方法,实验结果表明增加芯片栅极内阻的方式可将低频振荡幅值从73.77d BμV抑制到55.25d BμV,降低25%,优化芯片和封装布局的方式可有效抑制幅值为50.71d BμV的高频振荡。 随后,针对多芯片并联IGBT模块PETT振荡机理复杂、耦合因素多的难题,提出融合器件运行特性-封装分布参数的PETT振荡建模方法和抑制手段。基于振荡阶段器件半导体微观载流子运行规律,提出融合器件特征-封装参数的二极管反向恢复过程PETT振荡物理解析模型,揭示器件负阻特征是引发PETT振荡的先决条件,在此基础上,探究母线电压、负载电流、运行结温及驱动电阻对PETT振荡特征参数的影响,提出封装抑制方法将回路寄生电感调整至优化范围内,从而避免回路负阻以抑制PETT振荡的出现,并基于实验结果验证所提方法有效性。进一步,将二极管PETT振荡分析方法延申至IGBT短路关断过程PETT振荡机理与敏感性分析,并针对短路PETT振荡提出相应封装抑制方法,实验结果表明所提抑制方法可有效消除PETT振荡,且不影响器件动态特征。 最后对本文的研究工作进行总结,简述本文的主要贡献,并对后续研究做出展望。