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关键词： LLC谐振变换器   时移控制   移相控制   混合控制   宽输入范围  

摘要： 随着社会现代化程度的提高和产业的不断升级,开关电源逐步朝着高频化、小型化、低能耗和高可靠性的方向发展。对传统硬开关拓扑而言,开关频率的提高导致了开关损耗的增加,限制了变换器效率的提升。LLC谐振变换器因其可在全负载范围内实现原边开关管的零电压导通（zero voltage switch,ZVS）和副边整流二极管的零电流关断（zero current switch,ZCS）而备受青睐。然而,传统直接频率控制LLC谐振变换器动态响应性能差,增益调节范围窄,不能满足日益严苛的应用需求。因此,提高LLC谐振变换器动态响应速度和拓宽其增益范围至关重要。 首先,本文对全桥LLC谐振变换器的工作原理进行了详细分析,并采用基波近似法推导了变换器增益与频率的关系。深入研究了LLC谐振变换器的小信号建模方法;针对直接频率控制LLC谐振变换器存在低频双极点,动态响应速度较差的问题,着重分析了一种电流型控制技术——时移控制。研究了其增益调节原理,并详细阐述了该控制方式在数字控制器中的实现方法。 其次,为拓宽LLC谐振变换器电压增益范围,深入分析了移相控制LLC变换器的工作原理;通过对不同模态列写时域表达式,推导了移相控制导通占空比Dy与电压增益之间的关系。为兼顾动态性能及电压增益范围,将移相控制与时移控制相结合,提出了定频移相-变频时移混合控制策略,探讨了该混合控制策略的增益特性及模式切换方法。 最后,为使变换器兼容更低的输入电压,研究了一种改进型LLC谐振变换器拓扑。详细分析了该改进型拓扑结构的工作原理,通过对各模态列写时域表达式,绘制了其不同阶段状态轨迹,并根据状态轨迹方程推导了副边开关管交叠导通占空比Dx与电压增益之间的关系。依据改进型LLC谐振变换器增益特性,提出改进型LLC谐振变换器三段式混合控制策略。将定频移相-变频时移混合控制策略与该改进型拓扑结合,通过对三种控制模式进行切换,进一步拓宽了输入电压范围,并在一定范围内提升了LLC谐振变换器的动态响应性能。

关键词： 电动汽车   机电控耦合   矢量控制   优化设计   循环工况  

摘要： 我国电动汽车的快速发展,其驱动系统正在向着高功率高稳定性方向发展,鉴于永磁同步电机稳定且结构紧凑,因此被常用与电动汽车机电耦合下驱动系统中。然而电动汽车在实际运行中存在很多工况,这些工况也影响着电动汽车运行的安全性与稳定性,因此在设计驱动系统时要考虑到电动汽车机电控耦合下驱动系统能否达到预期标准与稳定运行的问题对电动汽的可靠运行有着重要的意义。通过上述问题,首先为了满足电动汽车的动力需求,对电动汽车的驱动系统进行设计,分为机电部分和电控两个部分,并利用软件进行仿真分析。然后,为了使设计的驱动系统满足设计需求,因此采用多目标优化对机电部分进行结构优化,从而提高驱动系统的效率与性能,以满足电动汽车的驱动需求。最后,利用弱磁控制对机电进行控制并利用模糊算法对控制系统中PI控制器进行改进,并进一步应用MATLAB对控制系统进行仿真分析,通过仿真实验验证了改进后的控制系统对驱动系统会进行有效控制。应用ADVISOR软件对电动汽车整车进行模型搭建并根据电机损耗的相关理论对循环工况下电动汽车进行仿真分析。通过电动汽车机电控耦合实验从而得到电动汽车驱动系统再循环工况下的各项参数,通过得到的参数从而验证设计的电动汽车驱动系统的可行性,并在试验台中对驱动系统样机进行实验验证。该论文有图106幅,表20个,参考文献90篇

关键词： 半主动悬架   时滞补偿   改进双曲正切模型   LQR控制   NSGA-Ⅱ算法   台架实验  

摘要： 磁流变半主动悬架结构简单、能耗低、阻尼力连续可控,是国内外学者的研究热点,研究人员主要根据磁流变阻尼器(MRD)的力学特性,设计可靠的控制算法,用以同时实现车辆驾驶的舒适性和操作稳定性。然而在系统的实际工作中会因为磁流变液的响应、控制系统的计算、MRD的驱动等消耗一定的时间,导致控制阻尼力与悬架系统的实际运动状态存在时滞,影响控制性能。因此,本文以磁流变半主动悬架为研究对象,基于最优控制理论,在考虑时滞问题的前提下,展开了以下研究:本文分别阐述了磁流变液和MRD的工作原理,并搭建了MRD力学性能测试平台,对MRD进行性能测试,分别获取了反映MRD性能特性的力与位移关系曲线以及力与速度关系曲线,并以此作为依据,利用遗传算法对改进双曲正切模型实现参数辨识,并对比该模型预测的曲线与试验曲线的拟合度,结果显示辨识精度较高,然后根据辨识出的改进双曲正切模型求逆,获得MRD逆向动力学模型,用于半主动悬架的控制策略设计。阐述了评价悬架性能的三个性能指标分别为车身加速度(平顺性)、悬架动行程(安全性)、轮胎动载荷(操作稳定性),并建立了二自由度1/4车辆悬架模型以及其状态空间方程。依据车辆的实际运行路况,分别搭建随机路面和冲击路面模型,在Simulink环境下对其分别进行仿真研究,得出其轴向位移曲线。针对LQR控制策略在应用过程中其加权系数矩阵难以确定的问题,引入能够进行多目标优化的NSGA-Ⅱ算法,选择车身加速度和轮胎动载荷作为优化目标,在满足悬架动行程不超过限位块的前提下对加权系数矩阵进行优化,提出NSGA(Ⅱ)-LQR控制策略。针对半主动悬架系统响应存在时滞的问题,在NSGA(Ⅱ)-LQR控制策略的基础上,引入一阶泰勒级数展开法,建立扩展状态空间方程,实现对未来时刻理想控制力的预测,提出NSGA(Ⅱ)-TLQR控制策略。在Simulink中分别对被动悬架、单纯LQR控制下的半主动悬架、NSGA(Ⅱ)-LQR控制策略下的半主动悬架、NSGA(Ⅱ)-TLQR控制策略下的半主动悬架进行仿真,结果表明,三种控制策略在被动悬架的基础上均得到了不同程度的优化,并且在NSGA(Ⅱ)-TLQR控制策略下取得了最好的控制效果,其次为NSGA(Ⅱ)-LQR控制策略。基于STM32设计了半主动悬架试验方案,为解决A/D采用过程中传感器出现的干扰问题,利用一阶数字低通滤波算法处理采样信号,过滤信号中出现的高频扰动,使信号更加稳定。为了实现MRD输出实时可控的阻尼力,本文设计BUCK电路作为MRD的驱动电路,为了实现信号的精确跟踪,引入PID控制算法对BUCK电路实现负反馈调制,并通过阶跃信号跟踪和正弦半波信号跟踪实验验证了该策略的有效性。搭建了悬架性能测试平台并分别在未加控制(被动)情况下、NSGA(Ⅱ)-LQR控制下、NSGA(Ⅱ)-TLQR控制下分别进行了正弦激励实验和冲击载荷实验,结果表明,两种控制策略下的悬架系统在被动悬架的基础上得到了不同程度的改善,并且NSGA(Ⅱ)-TLQR控制的实验效果最好,由此验证了本文提出的控制策略的有效性。

关键词： IGBT模块   电-热-力-湿   饱和压降   老化失效   可靠性评估  

摘要： 为应对能源危机、温室效应等问题,以光伏发电、风力发电以及海洋能发电为代表的新能源发电得以快速发展。然而,相较于陆地环境下新能源发电变流器中的IGBT模块,服役于海洋大气环境中的IGBT模块不仅会在电场、温度场以及应力场的作用下发生疲劳老化,还会在受到湿气入侵后造成模块的性能退化。因此仅考虑电-热-力对IGBT模块老化失效的影响不再适用于高湿度环境下的IGBT模块。本文针对服役于高湿度环境下变流器IGBT模块可靠性降低的问题,开展电-热-力-湿对IGBT模块老化失效的影响研究。本文主要工作如下:(1)提取了在电-热-力-湿作用下能够更为准确地反映IGBT模块综合健康状态的特征参量。根据IGBT模块的电-热与热-机械应力的具体特征,建立IGBT模块的电-热-力多物理场有限元仿真模型,仿真结果表明在电-热-力作用下IGBT模块的薄弱环节为键合线与焊料层。采用湿热比拟的方法建立IGBT模块中湿气扩散的有限元仿真模型,探究湿气在IGBT模块内部的扩散规律,仿真结果表明湿气经过约40个小时的扩散即可让IGBT芯片附近的湿气浓度达到饱和。湿气对IGBT模块的性能退化影响分析表明在湿气的侵蚀下,IGBT芯片金属化铝层、钝化层以及各层材料之间的界面结合处为模块的薄弱环节。综合分析了电-热-力-湿对IGBT模块老化失效的影响,结合加速老化试验结果表明,在电-热-力-湿的作用下,选取IGBT模块的饱和压降作为特征参量能够更为准确地反映IGBT模块的综合健康状态。(2)提出了一种考虑电-热-力-湿作用的IGBT模块加速老化试验方法。根据新能源发电变流器输出功率具有波动性与间歇性的特点以及在高湿度环境下IGBT模块加速老化试验的安全性与可行性,针对高湿度环境下电-热-力-湿对IGBT模块的老化失效影响的试验研究采取功率循环与高温高湿反偏压试验交替进行的方式对模块进行老化。以加速老化试验需求为导向,设计并搭建了加速老化试验平台,老化试验平台具备对IGBT模块饱和压降和漏电流数据进行采集、分析以及保存的功能,并可同时进行功率循环和高温高湿反偏压两种试验,试验平台上位机界面可实时掌握试验平台运行状态。(3)获得了IGBT模块在电-热-力与电-热-力-湿作用下的寿命差异以及IGBT模块在电-热-力-湿作用下的预期失效前功率循环次数。通过加速老化试验获得了进行功率循环、进行高温高湿反偏压试验以及进行功率循环与高温高湿反偏压交替试验的三个试验组的IGBT模块在老化进程中的饱和压降和漏电流数据。对试验结果进行分析表明在电-热-力-湿的作用下IGBT模块更容易发生老化失效,在电-热-力-湿的作用下IGBT模块的伪寿命比在电-热-力作用下的IGBT模块伪寿命少约20.99%。基于性能退化数据建立了电-热-力-湿作用下的IGBT模块寿命分布模型,对IGBT模块进行了可靠性评估,评估结果表明在电-热-力-湿作用下IGBT模块的预期失效前功率循环次数为61192次。

关键词： 分数阶偏微分方程   稳定性   谱方法   最优控制问题  

摘要： 分数阶偏微分方程被广泛应用于很多工程问题,与整数阶偏微分方程相比较,它可以更好的描述系统;在各领域的应用过程中,由于要求所预计的目标达到一个最优的情况,需要考虑最优控制问题进行研究分析,因此,分数阶偏微分方程的最优控制问题已成为研究热点.本文主要对分数阶偏微分方程最优控制问题的高精度数值算法进行研究,主要分为两大部分.第一部分研究了右Caputo分数阶偏微分方程的高阶数值格式,首先利用有限差分法构造了右Caputo分数阶常微分方程的高阶数值格式,并分析它的局部截断误差和稳定性,得到该格式的收敛阶为3-;其次,基于所得出的数值格式,利用二阶中心差分法求解了右Caputo分数阶偏微分方程一维以及二维情况的高阶数值格式,且得到的空间收敛阶为2;最后,给出几个算例进行数值模拟,通过该模拟验证了所求解格式的有效性以及理论分析的正确性.第二部分研究构造了Caputo分数阶偏微分方程最优控制问题的高阶数值格式,根据先优化后离散的思想,首先引入拉格朗日乘子把有约束条件变成无约束条件,以便求解最优控制问题的最优性条件,其次在空间上采用谱方法,时间上采用有限差分法对最优性条件进行离散,最后针对离散之后的格式给出了严格的误差分析.

关键词： 伺服控制系统   矢量控制   电机驱动器   力矩传感器  

摘要： 近年来,足式机器人已经成为机器人研究领域的一大热点,而使用永磁同步电机作为动力源又是机器人领域的主流驱动方式。由此可见,电机驱动器性能的好坏对足式机器人的控制有着直接影响。为了实现对电机良好的控制,本文设计了一个永磁同步电机伺服控制系统,并将其应用到了实际电机的控制中。此外为了提升电机驱动器的力控性能,还设计了一款基于电容的力矩传感器用以检测电机轴端力矩,实现对电机力矩的精准控制。本文对于伺服控制系统和力矩传感器的设计与实现主要分为了以下几部分。首先分析了当前主流的电机伺服控制理论,并选择矢量控制作为该系统的基本控制框架,随后建立了电机的数学模型,并使用Simulink搭建了矢量控制的各个算法模块,最终通过模型的仿真验证了控制方案的可行性。其次对电机驱动器性能以及应用场合进行研究分析,确定了驱动器的总体设计方案,并将驱动器的设计方案分为软件设计和硬件设计两大部分,所设计的内容主要包括控制部分、电压模块、驱动模块、位置检测、电流检测、通讯模块和保护模块。在设计过程中将软件和硬件的每一部分功能分别进行设计和验证。当所有的模块验证通过后,将全部模块进行组合即可完成整个电机驱动器的设计。然后对国内外力矩传感器的类型、检测原理以及应用场合进行分析和研究,最终决定设计一款基于电容式的力矩传感器,用以反馈电机轴端力矩,实现对电机的高性能控制。该力矩传感器的设计内容主要包括,算法编写、结构设计、数值仿真、力学仿真和硬件电路设计。最后对设计完成的驱动器和力矩传感器进行测试,驱动器的测试内容主要有,硬件电路信号测试、单电机驱动性能测试和机器人工作性能测试。力矩传感器的测试主要包括硬件电路信号测试、电容容值测试和模拟力矩测试。

关键词： 直接转矩控制   永磁同步电机   空间矢量脉宽调制   组合磁链观测器   转矩脉动抑制  

摘要： 直接转矩控制具有控制结构简单、动态响应快、对电机变量依赖小等特点,但当电机处于低速工况下时,存在转矩脉动大的问题。工程实践中,定子磁链观测的结果对其转矩脉动的影响又是至关重要的。传统的磁链观测器分为基于电压公式磁链观测模型与基于电流公式磁链观测模型。一种为直接利用反电动势计算,另一种利用电机本体参数解耦出定子磁链。本文结合两种模型的优缺点,进行搭建组合磁链观测器,加入空间矢量脉宽调制模块,两者结合到直接转矩控制中。其针对于传统直接转矩控制的转矩脉动,以实现更加精准和平滑的转矩输出。 本文以表贴式永磁同步电机为对象进行研究,对多个坐标系下的数学模型进行分析和推导的同时,也指出传统直接转矩控制方法存在的不足,对永磁同步电机中电磁转矩、电压矢量和磁链脉动之间的关系进行详细讨论,进而为改善永磁同步电机的转矩精度和稳定性提供了一些理论依据和参考。基于以上结论得出,电压矢量与磁链观测的结果直接决定电机稳态与动态输出。 针对上述所提到的理论研究,在其基础上加入空间电压矢量脉宽调制模块后,定子磁链给定值变为变量。保持d轴上无电流值的同时,使磁链幅值跟随转矩改变。在低速工况下,缓解了磁路饱和、直流偏置和观测误差等问题,并且可以有效提升表贴式永磁同步电机输出功率。电压矢量又采用空间电压矢量调制模块,此模块具备生成任意大小和方向的电压矢量的能力。根据仿真结果,该策略不仅能够保持正常运行并跟随目标转矩和转速,还能够有效地抑制永磁同步电机在低速工况下的转矩脉动,同时也抑制转速波动。 针对在各种应用场合下,对永磁同步电机的调速精度和反应速度提出的性能要求,研究定子磁链观测误差对控制性能造成的影响,提出一种组合磁链观测法。在低速工况时,该观测结果由电流型磁链观测的结果对电压型观测的结果进行补偿,减少电机因参数变化而产生的误差,能够准确测量定子磁链。在中高速工况下,由于电流型观测结果受转子电流和永磁体磁链的影响,故该观测结果只采用电压型磁链观测。仿真结果和实验表明,采用组合磁链观测器和空间矢量脉宽调制的直接转矩控制算法对比传统直接转矩控制,在相同工况下,磁链和转矩脉动削减效果明显,同时转速波动减少。因此,在实际应用中具有较好的前景。

关键词： 冬季   空气质量目标   遗传算法   污染物减排   最优控制策略 winter   air quality target   genetic algorithm   pollution reduction   optimal control strategy  

摘要： 本文提出城市空气质量达标约束的污染减排最优控制系统，以空气质量模型（WRF—CMAQ）为基础，搭建“本地化”空气质量模拟平台，构建空气质量达标评估模型和减排成本优化模型，并通过遗传算法求解湘潭市冬季拟定空气质量目标约束下污染物减排最优控制策略。结果表明，在保持臭氧浓度不变的情形下，当目标值分别拟定为55 、60 、65 时，可得到相应的污染物减排最优控制方案。空气质量目标值分别改进30.4%、24.1%、17.8%，对应减排总成本分别为16.6×元、6.36×元、1.46×元。本文构建的城市污染减排最优控制系统及其模型求解方法，不仅可为制订城市冬季重污染天气应对方案提供有效的技术支撑，也可为城市制定“一市一策”空气质量达标战略规划提供理论指导与决策方法。

关键词： 随机布鲁氏菌传染病模型   平稳分布   持续性   最优控制  

摘要： 布鲁氏菌病是一种在世界范围内分布的传染病，不仅会传染动物，而且还会影响从事家畜和动物产品工作的人员.尽管这种疾病在许多发达国家得到了控制，但仍在世界许多地区流行,包括中东，非洲等地区.布鲁氏菌病是发展中国家严重的社会经济问题之一，对畜牧业有严重经济损失的同时也威胁着公众的健康安全.近年来，基于布鲁氏菌病的传播机制，众多学者已经对布鲁氏菌病确定性模型展开了一系列的研究,并且取得了较好的理论成果.但是疾病传播不可避免地会受到环境中随机扰动的影响.本文将考虑动物阶段结构，疫苗接种，不完全免疫以及环境中的白噪声对布鲁氏菌病传播的影响，建立几类随机布鲁氏菌传染病模型，研究疾病灭绝与持续或平稳分布的存在条件,主要研究内容如下:　　1.第一部分（对应第二章），研究了一类不完全免疫的多阶段绵羊随机布鲁氏菌传染病模型.首先，提出了确定性模型，计算了基本再生数R0并且研究了无病平衡点和地方病平衡点的全局渐近稳定性.其次,考虑了环境白噪声对布鲁氏菌病感染的影响,进一步建立了对应的随机模型.通过构造适当的Lyapunov函数，证明了全局正解的存在唯一性.接下来得到了疾病灭绝和遍历平稳分布存在的充分条件.最后，利用数值模拟对上述理论结果进行解释.　　2.第二部分（对应第三章），建立了一类具有疫苗接种和时滞的随机布鲁氏菌传染病模型.首先，研究了该模型全局正解的存在唯一性，然后利用随机微分方程理论，得到了布鲁氏菌病灭绝和持续生存的充分条件.最后，用数值模拟解释了上述结论.　　3.第三部分（对应第四章），构建了一类人与动物共同感染的随机布鲁氏菌传染病模型，先证明了全局正解的存在唯一性.然后利用随机微分方程理论讨论了布鲁氏菌病灭绝和持续的阈值.另外在随机模型的基础上引入了四个控制变量，考虑最优控制问题并对其进行了研究，得到最优解.最后,通过数值模拟对理论结果进行了解释说明.

关键词： snapback效应   多晶硅电阻   关断损耗(Eoff)   导通压降(Von)   阳极槽  

摘要： LIGBT（Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor）既具备低导通损耗、高输入阻抗等优点,也易于在芯片中集成。得益于电导调制效应,LIGBT具有低导通压降,但也因漂移区存储的大量载流子造成关断损耗较大。为了解决此问题,在不引入snapback现象的前提下优化LIGBT的Von-Eoff折中关系,本文提出了两种新LIGBT结构。1.提出一种无snapback效应的具有场板电阻的新型SOI LIGBT并进行了实验研究。场板电阻（Field Plate Resistances,FPR）结构由阳极侧场氧化层上分的多个多晶硅电阻组成,该设计与平面多晶硅栅工艺兼容。FPR的两侧分别与P+阳极和N+阳极相连,此时,FPR不仅有效地增加了阳极分布电阻,消除了导通状态下的snapback效应,而且在关断过程中提供了电子抽取路径,加速了器件关断,降低了关断损耗(Eoff)。实验测试表明,制备的FPR SOI LIGBT的耐压为439V。与传统SOI LIGBT相比,在仅增加了7%的Von的条件下,降低了36%的Eoff。因此,所提出的FPR SOI LIGBT可以实现良好的Von-Eoff折中关系。2.提出并研究了一种具有U形沟槽阳极（U-shape trench anode,UTA）的新型SOI LIGBT。UTA区由P+阳极、N+阳极和U型P区组成,N+阳极通过低掺杂N-区连接到N缓冲层。在导通状态下阳极电压（VA）较低,N区被U型P区耗尽,从而增加了阳极分布电阻,抑制了snapback效应。在关断过程中,VA持续上升,耗尽的N区转变为中性区,形成一条额外的电子抽取路径,从而降低了Eoff。因此,UTA LIGBT能获得更好的Von-Eoff折中关系。在阻断状态下,UTA LIGBT表现为类MOS击穿模式,而不是开基区PNP的双极击穿模式。与分离短路阳极（Separated Shorted Anode,SSA）LIGBT相比,在同为100A/cm2电流密度时,UTA LIGBT在相同Von下的Eoff降低了71.6%,在相同Eoff下Von降低了23.1%。