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关键词： 火箭弹舵机   矢量控制   无刷直流电机   PID控制   Matlab/Simulink  

摘要： 随着世界范围内战争形势逐渐朝向局部化、小型化战争发展,单兵火箭弹发挥了相当重要的作用,提高火箭弹精度一直是世界各国单兵作战的重要研究方向,而且舵机控制是飞行控制中不可缺少的组成部分,对目标打击的精准性起着至关重要的作用,所以提高电动舵机系统的动静态性能对提高火箭弹命中精度等具有重要的意义。故针对30mm口径单兵制导火箭弹无刷直流电动舵机控制系统,提出采用FOC(Field-Oriented Control,磁场定向控制)矢量控制算法来减小电机旋转时的转矩脉动,围绕舵机控制系统的模型建立、控制方法以及软硬件设计等方面开展了研究,进而实现制导火箭弹舵机系统的精准控制。 首先对单兵制导火箭弹电动舵机的组成、无刷直流电机工作原理、正弦波控制原理以及矢量控制技术进行了详细介绍,提出了火箭弹舵机系统控制设计要求,建立了电动舵机系统整体数学模型,推导出了无刷直流电机和舵机传动系统的传递函数。设计了电动舵机三闭环回路矢量控制策略及一种舵机位置信息检测方法,根据模块化建模的思想,在Matlab/Simulink环境下使用PID控制策略建立了电动舵机三闭环矢量控制模型,对电动舵机矢量控制仿真模型分别进行了10o、20o、30o以及40o阶跃响应仿真,并且基于该仿真模型对矢量控制系统进行空载以及有载情况下位置阶跃信号和位置跟随信号的动静态性能仿真分析,仿真结果验证了制导火箭弹电动舵机矢量控制算法以及三闭环矢量控制策略的可行性和合理性,能够很好地满足舵机矢量控制系统的动静态性能要求。 基于模块化设计思想,搭建了舵机矢量控制系统硬件电路,主要包括舵机矢量控制系统电源电路、隔离电路、功率驱动电路、三相电流采样电路以及MCU外围电路,并且对各个电路的功能和作用进行了详细的介绍。随后编写了FOC矢量控制等相关软件程序,对主程序、A/D采样模块程序、矢量控制算法程序以及PI控制器程序的设计流程进行了详细的介绍,为后续舵机矢量控制系统的实验与验证做出了充分准备。 鉴于现有转矩检测设备无法准确跟随待测转矩的变化,转矩波动系数采用直接测量方法难以实现,故提出了一种间接测量方法对转矩波动系数进行测量,来对火箭弹飞行过程中的稳定性进行评判。在完成单兵制导火箭弹舵机矢量控制系统硬件设计及软件程序设计的基础上,对舵机进行了空载以及带载条件下的动静态性能测试实验,并且验证了矢量控制算法对改善舵机系统转矩脉动的可行性和合理性,最后进行了空载以及负载条件下舵机在高速段的转矩脉动实验,实验证明所设计的舵机矢量控制系统快速性以及稳定性等动静态性均能很好地满足制导火箭弹舵机控制系统设计要求,符合预期。

关键词： IGBT   隔离电路   栅极驱动电路   脉冲边沿调制   保护电路  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)作为最热门的功率半导体器件之一,被广泛应用于智能电网、航空航天、轨道交通和新能源汽车领域,获得了电力电子装置“CPU”的称号。随着IGBT的飞速发展和成熟,IGBT的栅极驱动技术也越来越受到关注和重视。由于IGBT的栅极存在较大的寄生电容,并且IGBT的导通电压相对较高,使用微控制单元(Microcontroller Unit,MCU)或数字控制模块输出的控制信号无法直接驱动IGBT。因此对于IGBT器件而言,栅极驱动芯片几乎是必不可少的。同时,IGBT往往工作在高电压、大电流的环境下,对于各种可能发生的故障予以保护能够大大提高IGBT的使用寿命和系统的安全性。针对上述情况,论文对IGBT隔离式栅极驱动芯片的关键技术展开了研究。论文首先对IGBT的工作特性和结构进行介绍;并提出了设计IGBT栅极驱动器芯片的关键要求,包括:隔离设计要求、调制解调要求、栅极驱动要求和保护设计要求。按照这些要求,论文完成了驱动芯片的隔离模块和调制解调方案的设计、栅极驱动模块的设计和保护电路模块的设计等关键电路的设计;完成了版图设计的同时对芯片的各功能和性能进行了前仿真和后仿真的验证。论文采用SMIC 180nm BCD工艺进行了电路设计、版图设计和仿真验证。验证了基于以上设计的IGBT隔离式栅极驱动芯片电路具有2A的峰值电流驱动能力、低至10m A的总静态电流以及124ns的低导通传输延时,并集成了短路保护、米勒箝位保护等保护功能。

关键词： 无人机编队   数据驱动   领航–跟随者   自适应动态规划  

摘要： 无人机编队具有广泛的应用价值和发展前景，然而，无人机动力学模型的非线性和耦合性，以及实际应用中的不确定性限制了其应用。为了解决模型不精确问题，提出了一种数据驱动的自适应动态编程（ADP）最优编队控制器设计方法。该方法结合了分布式一致性和线性二次方相关理论。首先，通过建立虚拟领航–跟随者模型，可以将四旋翼无人机的复杂非线性动力学模型简化为4个线性子系统，并解耦它们的相互影响；接下来，针对每个子系统设计编队控制器；随后应用李雅普诺夫理论对算法进行稳定性分析；最后通过仿真，验证了所提算法的稳定性和有效性。

关键词： 车路协同自动驾驶系统   微观交通流   异质交通流   智能网联自动驾驶车辆   协同自适应控制   纵向控制   稳定性理论   间距策略   最优控制   深度强化学习  

摘要： 随着经济社会的蓬勃发展,大数据、人工智能技术等高新技术呈现出爆发式地增长,传统交通系统正在逐步向新一代智能网联交通系统演化。作为智能网联交通系统中的新兴产品和技术,智能网联自动驾驶车辆(Connected and Automated Vehicle,CAV)和自动驾驶车辆控制技术受到了学术界和工业界的广泛关注,并在理论和实践方面均取得了一定的进展。现阶段,部分自动驾驶技术已实现商业化落地,能够实现车辆的辅助驾驶,比如自适应巡航控制(Adaptive Cruise Control,ACC)系统,它能使车辆实现在一定速度下与前车保持适当的距离自动跟驰。随着自动驾驶技术的深入发展,更多高级的辅助驾驶技术的将不断涌现,人工驾驶车辆(Human Driver Vehicle,HV)和智能网联自动驾驶车辆混合的异质交通流中将在路网中出现。由于人工驾驶车辆的多样性和不确定性,智能网联自动驾驶车辆需面对复杂的驾驶环境,因此它需要先进的纵向控制技术以满足多样化的驾驶需求。 本文的研究依托于国家重点研发计划项目课题《现代人车状态感知方法与群体运动态势演化机理研究(2018YFB1600602)》,针对人工驾驶车辆与智能网联自动驾驶车辆混合的异质交通流,研究智能网联自动驾驶车辆的纵向控制方法。文章首先提出了智能网联自动驾驶车辆在异质交通流中的控制框架,根据跟驰对象不同,将智能网联自动驾驶车辆分为了同质跟驰和异质跟驰两种情况,分别制定智能网联自动驾驶车辆的控制目标。其次,文章建立了智能网联自动驾驶车辆纵向控制模型。从纵向控制器的信息流拓扑结构出发,研究双向加速度信息对控制器稳定性能的影响。深入解析控制器间距保持策略对安全和稳定性的影响,提出更加安全的纵向控制间距策略,并建立智能网联自动驾驶车辆纵向控制器。最后,智能网联自动驾驶车辆纵向控制模型分别针对两种跟驰情况研究了智能网联自动驾驶车辆纵向控制控制参数优化方法,为智能网联自动驾驶车辆的纵向控制应用提供多种解决方案。在建立智能网联自动驾驶车辆纵向控制模型的基础上,提出同质跟驰中基于稳定性最优化的控制器增益优化方法以最大限度地提升车辆抵御扰动的能力,提高交通流的弦稳定性。结合深度强化学习方法提出异质跟驰中实现多目标优化的智能网联自动驾驶车辆纵向控制策略。本文主要内容及成果包括以下几个方面: 第一,分析异质交通流特性并制定智能网联自动驾驶车辆纵向控制框架。解析智能网联环境交通系统组成及服务水平,分析智能网联环境下异质交通流的组成及纵向运动特征。制定智能网联自动驾驶车辆的在异质交通流中的纵向控制框架和编队策略,使其分为同质跟驰以及异质跟驰两种情况,为后文分别进行不同策略的研究奠定基础。收集人工驾驶车辆和无网联自动驾驶车辆的运动数据集并对数据进行预处理,作为智能网联自动驾驶车辆面临的复杂混合交通环境的数据基础。 第二,分析双向加速度信息对纵向控制模型的稳定性影响。建立基于临近前后车加速度信息的纵向控制模型框架,扩展推导得到基于双向历史运动信息的纵向控制模型框架,根据特征微分方程方法分析基于两种框架的稳定性边界条件。将四种广泛使用的微观跟驰模型(IDM、OV、FVD、线性ACC)嵌入两种控制框架中得到扩展的跟驰模型,通过稳定性的理论分析结论以及数值仿真实验研究前后加速度信息对纵向模型的稳定性影响。研究发现,前向和后向的加速度信息在稳定性效益方面具有可替代性,信息比例的增加对均质交通流的稳定性是有利的,但双向信息比例之和超过一定限度后将对稳定性带来负面影响。除此之外,后向加速度信息比前向加速度信息使车辆略微更快地从扰动中恢复,但更容易引起微小的加速度的波动。因此前向加速度信息更有利于异质交通流的稳定性。 第三,设计智能网联自动驾驶车辆协同自适应控制器并进行稳定性分析。提出一个考虑减速停车距离的非一致最大减速(Non-Consistent Maximum Deceleration,NCMD)间距策略,能够在同等通行能力的前提下增强车辆的安全性和队列稳定性。在广泛应用的定常车头时距(Constant Time Headway,CTH)间距策略基础上考虑了减速距离的影响,同时考虑了车队的车辆之间不一致的最大减速度设计,从而实现安全效益的提升。从双层控制架构出发,基于分布式线性反馈控制器和非一致最大减速间距建立了协同自适应控制系统上层控制器,结合三阶运动模型构成协同自适应控制系统。最后,搭建了仿真平台,对具有不同参数的基于非一致最大减速的间距策略的协同自适应控制系统进行了仿真,验证了稳定性理论分析的结果。证明了本文提出的基于NCMD间距策略的智能网联自动驾驶车辆纵向控制器与基于CTH间距策略的智能网联自动驾驶车辆纵向控制器比,更适合小车头时距和低速下的控制,能够更加灵活的提升通行能力和稳定性可行阈,并可通过调节参

关键词： 相场法   IGBT器件   固晶焊料层   疲劳裂纹扩展  

摘要： IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)作为电能转换的关键器件,其工作时的温度波动可等效为热循环过程。器件热循环过程中的热失配问题将导致固晶焊料层产生裂纹,降低其导电与导热能力,影响器件长期工作的可靠性。论文建立粘塑性断裂相场模型,研究温度冲击及功率循环下固晶焊料层疲劳裂纹的扩展过程,揭示焊料层缺陷对裂纹扩展的影响规律,丰富了IGBT焊料分层失效领域的理论,具有十分重要的意义。论文的主要研究内容及结论如下: 将Anand粘塑性本构模型与断裂相场法结合,构建适用于焊料的断裂相场模型,并采用交错求解法计算热-力-相场变量。建立存在中心空洞的模型,在模型上表面施加拉伸载荷,分别研究不同温度与不同加载速率下模型的断裂。发现温度越高,完全断裂时的位移越大;加载速率越大,完全断裂时的位移越小。 制备SiC芯片/SAC305(Sn96.5Ag3.0Cu0.5,SAC305)DBC(Direct Bonding Copper,DBC)基板与Si芯片/Pb92.5Sn5Ag2.5/铜框架两种固晶结构,进行温度冲击试验与仿真,发现焊料层裂纹都由芯片/焊料层界面的边角产生,并沿界面向中心扩展。裂纹尖端达到焊料层中心时,裂纹扩展速率减慢,前三个周期结束时,SAC305内的裂纹长度分别为2.74、4.36和4.60 mm。当SAC305焊料层存在空洞时,裂纹会贯穿空洞,并形成垂直芯片/焊料层界面的裂纹;存在预置裂纹时,疲劳裂纹会由预置裂纹的尖端产生;焊料倾斜时,薄侧的裂纹扩展速率大于厚侧。 以SiC芯片/SAC305/DBC基板结构为对象进行功率循环仿真,发现焊料层裂纹的扩展路径与温度冲击的结果一致,并且裂纹的存在阻碍了传热,使芯片的最高温度由166°C上升到262°C。焊料层存在空洞时,将形成间断裂纹,导致裂纹在芯片/焊料层界面断开。研究发现,温度冲击及功率循环下,位于焊料层边角上部的空洞危害大于其他位置的空洞;位于焊料层边角中心位置的裂纹危害大于其他位置裂纹;空洞率、焊料层倾斜程度越高,裂纹扩展速率越快。

关键词： 沟槽栅-场截止型IGBT   器件串联   行为模型   动态电压均衡   中压变流器  

摘要： 中压大功率电力电子装备作为现代电力能源产业中最重要的核心部分之一,对于国家实现能源转型发挥着重要作用。其中,功率半导体器件是中压大功率变流装备的核心部件,但现有商用功率器件的耐压和容量等级与实际中压大功率变流应用场景差距巨大。为拓展商用IGBT在中高压大功率领域的应用,IGBT器件的直接串联技术应运而生。然而,IGBT器件的串联运行面临着器件电压应力失衡的严峻挑战。为此,本文以现阶段主流的沟槽栅-场截止型IGBT器件的串联运行为研究对象,对IGBT串联电压失衡机制、均压方案及应用评估展开研究。首先,提出计及IGBT结构特征的器件串联行为模型。本文先分析沟槽栅-场截止型IGBT感性负载条件下的动态开关特性,指出沟槽栅-场截止型IGBT在米勒平台阶段存在的栅极电压跌落现象,提出载流子抽取效应的假设,从而建立器件串联的解析行为模型。基于该模型,阐明串联IGBT电压应力失衡的三类影响因素,为器件串联的均压参数设计提供理论依据。其次,提出大容量沟槽栅-场截止型IGBT串联均压技术及其保护策略。为应对IGBT串联应用中出现的动静态电压失衡难题,本文归纳串联用IGBT器件对应的特征参数及筛选指标,并提出多层次、定量化的均压参数设计方法,为串联电压失衡的抑制提供较为系统的理论指导。在此基础上,针对IGBT串联应用场景下的特殊保护需求,提出栅极应答保护、短路保护、过压保护、常态化保护以及串联器件冗余容错运行机制等多维度、全方面的保护策略,实现器件串联系统可靠性的大幅提升。最后,搭建基于多管串联的10kV/450A T型三电平功率模组及中压单相对拖测试实验平台。基于所提出的均压技术及保护策略,本文搭建T型三电平IGBT串联模组,并对其动态特性与持续运行能力展开了综合评估。动态特性测试表明,所设计的串联模组均压效果良好,并在开关速度与开关损耗方面均明显优于商用高压IGBT单管器件。为评估串联模组的持续稳定运行能力,搭建中压对拖测试实验平台,实现对功率模组的全工况遍历验证。对拖实验结果表明,所设计的IGBT串联模组的电、热性能均满足系统持续稳定运行的需求。

关键词： 逆变器   传导干扰   寄生参数   高频模型   仿真预测  

摘要： 近些年来,随着电力电子技术的不断发展,以IGBT作为功率开关器件的PWM逆变器被广泛应用于国民经济众多领域。然而,由于设备功率密度与开关频率的不断提高,带来的传导电磁干扰问题也变得愈发严重,这不仅影响逆变器自身的正常稳定运行,而且还会对与其处于同一电磁环境的其它设备产生危害。为了定量评估传导干扰的危害,需要明确EMI强度和EMI特征。为此,本文以三相逆变系统为载体,对逆变器的传导干扰进行了准确的建模预测以及影响因素分析,主要内容如下: 首先,对逆变器传导干扰问题开展研究,明确了传导干扰的干扰源是IGBT在开关瞬间产生的高电压变化率dv/dt和高电流变化率di/dt。针对电磁干扰源,本文基于考虑寄生参数影响的IGBT行为模型定性分析了其开关过程。为了反映IGBT在实际开关过程中的电压和电流变化,在Simplorer中结合数据手册对特定型号IGBT进行了特征化建模,并通过搭建双脉冲测试电路验证了模型的有效性。在特征化模型的基础上,仿真研究了不同寄生参数对干扰源IGBT开关特性的影响规律,同时还对影响开关特性的其它因素进行了分析。 其次,从传导干扰的产生机理出发,分析了干扰的传播路径,综合运用有限元仿真和理论分析的方法建立了传播路径中涉及的各元器件和设备的高频模型。通过理论分析建立了无源器件电阻、电容和电感的高频模型;基于有限元分析软件Ansys Q3D分别建立了IGBT模块和供电电缆的3D模型,通过仿真提取得到IGBT内部和外部寄生参数以及电缆的寄生参数,以此建立了IGBT和供电电缆的高频模型;详述了逆变器的负载高频模型建立方法并在Simplorer中实现其模型搭建。 最后,基于LISN网络的传导干扰测试方法,在Simplorer中搭建了逆变器传导干扰仿真预测模型,实现了对传导干扰的预测。根据LISN的测量结果,从共模干扰和差模干扰的角度分析了逆变器传导干扰的大小以及频率特征。基于“建模仿真-变参分析-规律总结”的思路,研究了IGBT寄生参数、驱动电阻、开关频率以及供电电缆长度等因素对逆变器传导干扰的影响,总结了不同参数变化对传导干扰的影响规律以及典型频率点处的EMI特征。

关键词： 异步电机   矢量控制   参数漂移   磁场定向校正   转子磁链位置角  

摘要： 随着城市轨道交通的快速发展,对牵引传动系统的控制性能要求越来越高,矢量控制以其易于实现和良好的动静态性能而被广泛应用于牵引传动系统中。矢量控制的控制性能依赖于磁场定向的精度,而要实现精准磁场定向又严重依赖于电机参数的准确性,但在实际列车运行过程中,由于各种复杂的工况会导致电机参数在运行过程中出现较大变化,导致磁场定向不准,进而影响矢量控制的控制性能。因此,本文的主要内容为分析磁场定向不准时对电机性能的影响,基于转子磁链位置角研究异步电机精准磁场定向控制策略。 首先,简要介绍了异步电机的数学模型,给出了异步电机矢量控制系统的基本结构,其中磁场定向所需的同步转速的计算直接用到了转子时间常数,所以要获得准确的转子时间常数才能实现精准磁场定向。进而分析了牵引传动系统运行过程中造成电机参数变化的影响因素,如温度变化、集肤效应以及磁路饱和等。基于上述给出的矢量控制模型,分析了磁场定向不准对电机励磁、dq轴电压以及输出转矩的影响,结果表明了当电机转子时间常数发生变化,即磁场定向不准,电机的励磁、dq轴电压以及输出转矩都会产生偏差,严重影响电机的控制性能。针对传统的矢量控制方法存在参数易漂移导致磁场定向不准的问题,研究了一种三相异步电机精准磁场定向控制策略。该方法在原有的矢量控制模型下,加入前馈解耦,由解耦后的电机模型推算出q轴磁链分量,进而计算出转子磁链位置角用以补偿转子时间常数。 在理论分析基础上,本文使用MATLAB仿真工具建立矢量控制系统的仿真模型,验证异步电机精准磁场定向控制策略的有效性以及定向不准对电机各项性能指标的影响。此外还搭建了以数字信号处理器TMS320F28335和现场可编程逻辑门阵列EP4CE40F23I7N为核心的牵引异步电动机矢量控制实验平台,完成基于磁场定向校正的矢量控制算法的实验,验证异步电机精准磁场定向控制的有效性。

关键词： 电流馈电型变换器   移相控制   效率优化   多模态   非对称匝比  

摘要： 在着力推动能源绿色低碳变革的大环境下,电力电子设备与电网技术的融合是能源转型过程中尤为关键的环节。然而,在高可再生能源参与度水平下,分布式电源输出的不稳定可能对电网的运行造成严重的后果。电流馈电型双向DC-DC变换器以其低电流纹波、高电压增益及电流可控等优势,有效提高了分布式电源参与下直流母线系统的运行可靠性和高效性。 为抑制电流馈电型双向DC-DC变换器低压侧开关管的电压尖峰,实现变换器电流之间的匹配,提高变换器的运行效率,研究了一种多模态的自然钳位电流馈电型双向DC-DC变换器。分析了变换器在正常模态、高电压增益模态、高传输功率模态下的工作原理和波形;建立了电压增益、传输功率、漏感电流以及软开关范围等性能指标与移相参数、变压器匝数比和漏感值大小等变量参数的关系式;搭建了变换器的损耗模型,并以变换器损耗最小为目标,确定了单个模态下变换器移相参数的最优设计方案;基于变换器最优移相参数的解析模型,设计了变换器的单模态闭环调制方案。仿真和实验结果表明:通过复合移相调制,变换器在三种模态下均可抑制开关管的电压尖峰和实现软开关;使用最优移相参数运行可以有效提高变换器的运行效率。 为确定变换器的最优工作模态,实现变换器在不同工况下的高效运行,研究了变换器在三种模态下的运行特性。划分了各模态的工作空间范围,确定了各模态的最优运行区间。仿真和实验结果表明:变换器在最优模态下及最优移相参数下运行,可以有效降低电路整体损耗,优化提升系统的效率。 为拓宽变换器的工作空间,研究了变压器匝比非对称设计模型的工作机理,实现了对变压器匝比非对称设计模型的性能评估。分析了在三种模态下,变压器非对称设计模型的工作波形;综合对比了变压器非对称设计模型的运行范围、成本模型及损耗模型。仿真和实验结果表明:变压器匝比在不同的非对称条件下,工作特性具有不同的优势,合理设置双变压器之间的匝比关系,可以改善变换器的综合性能。

关键词： IGBT模块   可靠性   容错   短路失效   逆变器  

摘要： 航空通讯电源需要极高的设备可靠性来保障其在运行过程中的安全性。因此,针对其最容易损坏的电力电子变换器的可靠性研究就显得尤为重要。以往的研究多是在某一层面进行单独的研究,像是研究器件的可靠性,变换器的可靠性等,极少有人用器件级的可靠性结合整个变换器来进行研究。且针对变换器可靠性提出的容错方法,多是以降低输出功率、增加开关损耗、增加设计成本、降低可靠性指标为代价来实现的。而本文将两个层面的研究结合在一起,首先对器件级进行研究,然后以其研究结果为基础,提出一种不降低可靠度指标、不改变控制策略、相对不增加成本的器件级容错型逆变器结构。首先以电力电子功率器件的基础可靠度模型为基本单元,通过构建两电平(2-Level,以下简称2L)逆变器的可靠度通用模型,实现“相对”量化的定性可靠性分析方法,为后面提出的器件级容错型逆变器做理论基础。且由于本章内容具有扩展性,所以在建立的2L模型的基础上将此方法应用于3电平(以下简称3L)和5电平(以下简称5L)ANPC型逆变器中,通过叠加多级单元结构的方式对比分析了多电平逆变器在故障前和故障后的内在容错性和故障转移方式对可靠性的影响机制。从理论上对“整体”可靠度进行定性量化比较,以此证明系统的可靠性和容错能力。然后对逆变器故障情况最多的开关器件(IGBT)失效入手,并以IGBT性能影响最大的过电流短路失效为切入点,开展两种不同封装形式的IGBT桥臂的瞬态短路破坏试验,分析过电流短路损伤对IGBT性能的影响。在有/没有过电流保护两种情形下,从微观层面解析并阐明瞬态短路的失效模式与机理。在此基础上,结合各种电学参数的比较分析,明确了IGBT短路的失效机理与失效模式,对其失效阻抗进行了动/静态分析,为后面IGBT桥臂的可靠性应用(建立器件级容错型逆变器结构)提供了必要的器件基础。最后建立了基于器件失效特征及其电参数演化规律的器件级容错型逆变器结构,实现其安全性、可用性和经济性共存的目的。最终通过器件级容错型逆变器测试平台的验证,实现了在不降低可靠度指标、不改变控制策略,相对不增加成本的前提下,做到了短路故障前后“无缝”切换、全功率长时间的稳定输出。