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关键词： AGV   恒流与恒压输出   耦合机构   抗偏移   移相控制  

摘要： 无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)是一种全新的电能接入方式,也是近年来研究的热门技术之一。它具有安全、灵活、高效环保的优点,在电动汽车、机器人、消费电子以及特种工业设备等行业领域发挥着不可替代的重要作用。随着工业的快速发展,自动导航车(Automated Guided Vehicle,AGV)因其较高的自动化和智能化水平,在工业生产中发挥着重要作用,研究AGV车的无线充电技术显得十分重要而有意义。在AGV无线充电实际运用中,由于负载锂电池的充电过程由恒流和恒压两部分组成,因此需要拓扑具备实现两种输出状态的能力,且可以在两种输出状态之间进行平稳切换。鉴于WPT系统的发射与接收线圈之间总是客观存在偏移的情况,且偏移具有随机性和不确定性,因此需要设计耦合机构提升抗偏移能力。由于AGV车身空间小,给耦合机构抗偏移设计带来局限,需要提出控制方法克服偏移带来的互感变化对输出造成的影响。本文从系统的谐振拓扑性能分析及参数设计、耦合机构抗偏移能力分析及设计优化和输出功率控制策略三方面入手,研究解决上述问题。内容如下:(1)通过分析AGV车无线充电技术的发展现状和实际需求,分析双边LCC拓扑实现负载无关的恒流和恒压输出及实现ZPA的条件,从恒流谐振状态出发推导各参数关系,并以恒压输出及其ZPA状态为约束条件检验其是否满足要求。在此基础上提出补偿网络的参数设计流程。(2)针对AGV无线充电存在偏移的情况,提出双向同轴平面线圈的结构,通过有限元仿真分析其磁场分布和偏移对互感与耦合系数的影响,以获得均匀磁场分布平面为目的,分析外线圈边长和充电距离之间的关系,并采用控制变量法逐个分析各参数对抗偏移能力的影响,并提出耦合机构的设计与优化流程。(3)为了实现电池负载从恒流至恒压模式的切换,本文利用改变系统工作频率实现输出状态切换。采用移相控制策略,分别针对恒流和恒压设计PI闭环控制回路,维持系统在发生互感或者负载变化时的稳定输出。(4)基于理论和仿真的分析验证,实际搭建2.5 KW输出功率的实验平台进行实验验证,能实现与负载无关的恒流/恒压输出,并能克服偏移给系统造成的影响,证明了本文理论分析的正确性和仿真的有效性。

关键词： 矢量控制   二阶滑模控制   永磁同步电机   健身训练   基于模型的设计  

摘要： 随着全民健身倡议的提出,参与运动健身的人群规模逐渐扩大,健身行业也在不断产生新的需求,整体向着电控化、数字化、智能化、随常化的方向发展,其中,健身装备的电控化是实现其他发展方向的基础,而力量的对抗又是人与装备之间高频的交互方式,因此论文以力量的电控化作为切入点展开研究,使用永磁同步电机代替传统的非电控负载,实现力量的电控化调节。论文通过对被控对象运行原理的分析,将变半径情况下的永磁同步电机电磁力调节问题转化为对一种不确定仿射型非线性系统的跟踪控制问题,基于矢量控制的框架,设计一种具有状态机结构的二阶滑模控制器,在无需知道滑模量一阶导的情况下对被控量进行控制。论文完成的主要工作如下:(1)分析了一种采用永磁同步电机的电控化负载运行方式,基于阿基米德螺线建立绕盘上牵引带的数学模型,获得了电磁力与转矩电流之间的数学关系,将任务转化为对转矩电流的跟踪控制问题,使得在矢量控制的框架下,可以通过对转矩电流的控制来实现变半径情况下的恒定电磁力输出。分析了脱手情况下的电流和转速变化情况,将该情况下的牵引带回收转化为速度控制问题。(2)分析了在一种具有状态机结构的二阶滑模控制器作用下的滑模量相轨迹运行原理,设计了转矩电流二阶滑模跟踪控制器,以及脱手后回程中的二阶滑模转速控制器。为解决电磁力上升时间随设定值改变而产生较大变化的问题,分析了变积分增益和变状态机控制量对控制效果的影响,采用查找表的方式调节转矩电流跟踪控制器的输出,以进一步改善控制器的动态性能,并分析了控制器的收敛性。(3)在矢量控制的框架下,通过建立转矩电流目标值计算模型和二阶滑模控制器,设计出系统的嵌入式控制器。搭建三相桥式逆变电路、泄放电路对电机进行驱动,采用光电编码器对电机转角进行检测,并通过上位机对转矩电流、电磁力及相电流等关键变量进行监测。仿真和实验的结果表明,论文设计的基于状态机结构的二阶滑模控制器有着较好的控制效果,实验验证了输出的电磁力可以在半径变化的情况下维持在设定值附近。所设计的控制器可以在仅需获取滑模量大小和符号的情况下实现对被控量的快速无超调的控制,基于状态机的二阶滑模控制策略简洁直观,便于嵌入式实现。

摘要： This thesis explores the use of Fibre Bragg Grating (FBG) sensors for direct on-chip thermal sensing of Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs). The research focuses on three main aspects: (1) investigating FBG sensor bonding technologies on IGBT chip surfaces and the impact of various interface materials on thermal measurement performance, (2) analyzing the influence of FBG head length on IGBT thermal sensing accuracy, and (3) evaluating FBG sensor performance for in-situ IGBT junction temperature sensing compared to voltage-based methods.A Finite Element Analysis (FEA) model of the IGBT power module was developed to understand thermal distribution on the chip and assess FBG sensor performance. Various FBG sensor bonding techniques were explored, with the FEA model used to study thermal conductivity of interface materials. Performance of glue-bonded FBG sensors during thermal expansion and contraction was examined, revealing potential strain due to coefficient of thermal expansion (CTE) mismatches and adhesive forces. Effective sensing performance was achieved by operating FBG sensors within the glue's linear working ***, the impact of FBG head length on direct on-chip thermal sensing of IGBTs was investigated through thermal simulations and experimental characterizations. Challenges arising from significant thermal gradients in IGBT applications with longer head lengths were identified. Analysis of reflected spectrum distortion of FBG sensors provided insights into the limitation of accurately measuring IGBT junction *** were made between FBG-based contact temperature measurement and voltage-based approaches, assessing strengths, limitations, and potential errors associated with each ***, this research provides valuable insights into the application of FBG sensors for direct thermal sensing of IGBTs. The findings contribute to the understanding of the thermal behaviour of IGBT power modules and offer guidance on opt

关键词： 变分离散   界面问题   最优控制   后验误差估计   自适应方法  

摘要： 最优控制问题在工程和科学领域内有着广泛的应用,例如,材料科学、温度控制、大气污染等。在实际应用中,由于构成物质材料的多样性,不同物质之间存在界面,使得该类问题的数学模型隶属于界面问题,导致该类问题控制过程的数学模型则为带界面的偏微方程最优控制问题。由于界面的光滑性和正则性不好,精确解更加不宜求解。因此,研究这类问题的数值解就显得十分重要。本文针对两类带界面的偏微分方程最优控制问题的自适应有限元方法进行了研究,主要工作如下:第一部分我们研究了带界面的椭圆方程约束的最优控制问题。考虑到界面的光滑性和正则性不好,我们采用自适应浸入有限元方法进行求解。首先,控制变量用分片常数逼近,状态变量用分片线性逼近,给出了后验误差估计子。其次,为了节省计算工作量,提高控制变量的收敛精度,我们将变分离散的概念和有限元方法相结合离散最优系统。最后,我们进行了大量的数值模拟,数值实验的结果很好地验证了估计子的有效性。第二部分我们研究了带界面的抛物方程约束的最优控制问题。首先,我们采用变分离散方法进行离散,其中空间变量采用线性有限元离散,时间变量采用向后欧拉方法;其次,对该类问题的变分离散方法进行了后验误差估计。

关键词： IGBT模块   可靠性   热疲劳   状态监测   牵引逆变器  

摘要： 牵引逆变器是城市轨道交通车辆电气牵引系统的核心装备,由于城轨车辆多工作于频繁启/停、急加速、惰行、急减速等复杂工况,其关键部件绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)模块易发生热致失效故障;而IGBT模块的故障又往往会引发整个变流系统的意外停机事故。一方面,相较于应用于平稳工况的功率模块,牵引用IGBT模块长期承受更恶劣的热循环冲击,导致封装焊料层热疲劳失效进程发展迅速。另一方面,相较于具有强迫风冷或液冷的变流器,城轨车辆牵引逆变器多采用开放的走行风冷设计,外界环境中的污垢易进入风道并附着在散热器表面,导致散热器散热性能下降、变流系统运行温度升高,进而加剧IGBT模块热致失效问题。状态监测有助于及时发现故障征兆,并指导基于状态的运维工作,是保障牵引逆变器安全可靠运行的关键措施。因此,针对上述牵引逆变器超温故障涉及的关键组件IGBT模块和散热器,本文分别开展了对应的监测方法研究,旨在为智慧运维提供理论依据和技术支撑,降低IGBT模块意外超温故障率,进而提高牵引逆变器热可靠性,保障车辆安全可靠运行。论文的主要研究内容与创新性成果如下:(1)提出了基于二端口热网络结壳温度转移比的结温监测方法。现有结温监测方法在温度计算过程中涉及诸多电参数,需要附加额外的高精度电信号测量电路,增大了运维成本、且可能会向原有系统引入新的不可靠因素。为此,本文基于电热比拟理论,以IGBT模块结温和壳温作为虚拟节点,构建了等效二端口热网络模型;利用端口温度转移比的特性,消去了结温表达式中的功率损耗项,建立了无需电参数的结温估算模型。所提监测方法无需测量电参数,在仅测量模块壳温的条件下,即可实现对动态结温的有效监测,有效降低了结温监测方法的硬件负担和实现难度。此外,针对牵引逆变器散热器对流换热效率随车速变化的特征,分析了散热工况变化对结温监测结果的影响;提出通过建立散热工况与模型参数查询表,当散热工况变化时修正模型参数,避免散热工况变化导致监测结果产生偏差。(2)提出了基于壳温升温阈值拐点的IGBT模块焊料层热疲劳状态监测方法。现有相关监测方法要求变流器处于(准)热稳态或特定电气工作点等运行状态,以确保监测结果的准确性,不适用于牵引逆变器的非平稳工况特征。为此,本文分析了IGBT模块升温过程中其内部瞬态热响应过程,总结了动态热参数在焊料层热疲劳老化进程中的变化规律,提出以壳温升温阈值拐点作为特征量的监测方法;通过比较实测拐点值与参考值的差异,评估IGBT模块焊料层热疲劳老化进程。所提监测方法无需在热稳态实施测量或改变逆变器原有工况以达到特定运行状态,降低了现有监测方法对实施条件的限制,实现了非侵入式在线监测,拓展了IGBT模块焊料层热疲劳监测方法的适用范围。(3)提出了基于散热器温度动态曲线偏移量的散热器散热性能健康状态监测方法。现有相关监测方法仅适用于散热工况可主动调节的散热器,且要求在系统运行状态相对稳定时实施评估,不适用于牵引逆变器散热器对流换热效率随车速变化且难以达到热稳态的特征。为此,本文分析总结了散热器温度动态曲线在散热性能退化进程中逐渐偏离参考曲线的变化规律。然后,利用人工神经网络匹配实测工况下对应的参考温度曲线,利用单向距离算法提取实测与参考温度曲线之间的差异值作为监测特征量,进而评估散热器散热性能健康状态。所提监测方法计及了牵引逆变器非稳态运行工况和散热器对流换热效率随车速变化的特征,且具有评估结果不受IGBT模块或热界面材料(Thermal Interface Material,TIM)老化的影响、软硬件简单、易于实施等优点。此外,进一步论证了该方法以IGBT模块内置负温度系数(Negative Temperature Coefficient,NTC)温敏电阻作为观测点,实现对散热器散热性能下降和TIM热疲劳老化进行同时监测的有效性。

关键词： 自适应动态规划   积分强化学习   动态面控制   输出约束   多智能体系统  

摘要： 随着工业系统规模日益庞大,控制任务变得更加复杂,人们对系统性能的要求也随之提高.近年来,多智能体系统(multi-agent systems,MASs)的优化控制问题已成为学者们的研究热点之一.如果实际工程系统的输出超出了既定的约束范围,其控制品质、稳定性及安全性都会受到严重影响.同时,实际复杂系统中常常存在未建模动态,这也会严重影响系统的性能和稳定性.目前,关于MASs优化控制的研究已经取得一定成果,但现有文献中考虑未建模动态和输出约束的研究并不多.因此,本文针对几类具有未建模动态的输出受限MASs,提出了几种自适应最优控制策略.本论文的主要工作和创新点如下:第一,针对具有未建模动态的时变输出受限不确定严格反馈非线性MASs,提出一种最优一致控制方法.利用一对一非线性映射将受限系统转化为等价的无约束系统,利用动态信号处理未建模动态,在动态面控制(dynamic surface control,DSC)方法的基础上引入误差补偿信号设计前馈控制器,结合自适应动态规划(adaptive dynamic program-ming,ADP)和积分强化学习(integral reinforcement learning,IRL)方法设计最优反馈控制器,利用神经网络(neural networks,NNs)在线逼近相应代价函数,并设计权重更新律.理论分析证明了所设计的控制器不仅保证全部跟随者组成的闭环系统是半全局一致最终有界(semi-globally uniformly ultimately bounded,SGUUB)的,同时跟随者的输出保持在给定的时变约束集中,而且使得代价函数达到最小.仿真结果验证了所提出控制算法的有效性.第二,针对具有未建模动态和时变输出约束的不确定严格反馈非线性MASs,提出一种最优包含控制方法.利用一种新型积分型障碍Lyapunov函数(integral barrier Lya-punov function,iBLF)处理输出约束,利用动态信号处理未建模动态,利用 DSC 方法设计前馈控制器,利用ADP和IRL方法设计最优反馈控制器,利用NNs在线估计代价函数,并设计权重更新律.理论分析证明了所有跟随者的输出收敛到领导者生成的凸包中,全部跟随者组成的闭环系统是SGUUB的,同时跟随者的输出保持在给定的约束集中,代价函数实现最小化.仿真结果验证了所提出方法的有效性.第三,针对具有未建模动态的时变输出受限MIMO块结构非线性MASs,提出一种最优包含控制方法.利用iBLF处理输出约束,利用动态信号处理未建模动态.基于DSC方法设计前馈控制器,并从第二步开始引入误差补偿信号,在ADP方法中引入IRL的思想设计最优反馈控制器,利用负梯度下降算法更新NNs权重.理论分析证明了所有跟随者的输出收敛到领导者生成的凸包中,全部跟随者组成的闭环系统是SGUUB的,同时跟随者的输出保持在给定的约束集中,代价函数达到最小.仿真结果验证了所提出方法的有效性.

关键词： 汽车动力总成系统   振动控制   动力吸振器   非线性能量阱   最优控制   模糊控制  

摘要： 汽车在行驶时，来自垂直方向上的振动对舒适性影响显著。随着行驶路况的变好与悬架技术的成熟，路面激励对汽车振动的影响越来越小;发动机激励具有不平衡性和宽频带性，在工作状态下，其振动一直存在，会对舒适性产生很大影响。基于此，本文针对汽车动力总成系统振动问题，进行了如下研究:　　(1)动力总成系统振动被动控制方法研究。首先对线性吸振被动控制方法进行研究,根据不动点理论对动力吸振器进行参数设计;其次对非线性吸振被动控制方法进行研究，采用复变量平均法推导得到系统的慢变方程，根据动力总成垂向振动幅频响应曲线分析不同参数下平衡点的稳定性和系统的鞍结分岔特性;最后对并联混合吸振被动控制方法进行研究，将动力吸振器与非线性能量阱并联结合，采用改进粒子群优化算法进行并联混合吸振结构的参数设计。通过时域响应、频域响应、悬架动行程及相图分析被动式动力吸振器、被动式非线性能量阱和被动式并联混合吸振结构的减振效果。结果表明，三者均可以降低动力总成在其共振区附近的振动，起到一定程度的振动抑制效果。　　(2)动力总成系统振动主动控制方法研究。首先对线性吸振主动控制方法进行研究,在动力吸振器线性吸振被动控制方法研究的基础上，基于线性二次型最优控制理论，设计主动式动力吸振器;其次对非线性吸振主动控制方法进行研究，在非线性能量阱非线性吸振被动控制方法研究的基础上，基于模糊控制理论，设计主动式非线性能量阱。通过时域响应、频域响应、悬架动行程及相图分析主动式动力吸振器和主动式非线性能量阱的减振效果。结果表明，主动式动力吸振器和主动式非线性能量阱具有更好的振动抑制效果，均可以进一步降低动力总成在其共振区附近的振动。　　(3)动力总成悬架系统振动主动控制方法研究。对动力总成悬架系统进行主动化设计，分别基于线性二次型最优控制理论和模糊控制理论，设计悬架主动控制器。通过时域响应、频域响应、悬架动行程及相图分析悬架主动控制的减振效果。结果表明，悬架主动控制同样可以降低动力总成在其共振区附近的振动，具有良好的振动抑制效果，也充分说明了所采用主动控制方法的正确性以及所设计控制器的有效性。

关键词： IGBT串联   中压隔离型直流变换器   故障监测保护状态机   电压失衡   四变压器串并联  

摘要： 随着我国交通运载工具电气化的持续推进,以高速轨道交通、电力推进船舶为代表的大容量运载工具中,相比于传统的交流配电系统,直流配电系统具有功率密度高、转换效率高、组网柔性灵活等诸多优点,展示了广阔的应用前景。然而,现有用于直流配电系统的电力电子变压器存在拓扑架构复杂,开关模组繁多,功率密度低等问题,严重阻碍了运载工具轻量化、低碳化发展。采用工艺成熟、性能优越的低压IGBT直接串联组成高压侧开关模组,在开关性能和成本方面都具有一定优势,但串联器件的保护与均压问题存在挑战。为此,本文围绕基于IGBT串联的中压隔离型直流变换器设计展开深入研究。本文首先分析了最具代表性的DAB变换器和LLC变换器的工作原理。进一步,分别从电流特性、软开关特性、器件驱动数量、控制算法难度以及EMI特性方面对两种变换器进行比较和分析。对比结果表明在固定降压比、能量单方向传输的中压大功率应用场景下,LLC变换器更具优势。其次,依据IGBT各类故障特征分别设计了对应的故障检测电路。基于故障检测电路,提出了一种基于IGBT开关时序的故障监测保护状态机,实现了对IGBT故障的准确识别和快速保护。解耦分析了IGBT串联电压不均衡的成因,提出了一种分层解耦的IGBT串联电压失衡调理方法,有效改善了串联IGBT电压失衡度。通过实验验证了各类保护时长均小于IGBT故障极限耐受时间,采用本文提出的均压方法后电压失衡度控制在2%以内。最后,提出了一种基于IGBT串联的四变压器串并联组合型中压LLC变换器,并详细分析了四变压器串并联组合结构在LLC变换器中的自然均流效果。最终搭建了一台400k W4k V/1000V的直流变换器样机,通过实验验证了变压器组实现了功率自然均衡。

关键词： 永磁同步电动机   矢量控制   电磁振动   故障工况   抑制措施  

摘要： 永磁同步电动机因其调速范围宽、运行效率高、可靠性强以及结构简单等优势,在可持续发展的大背景下,已被广泛应用于机器人、高铁和工业驱动等多个领域。然而,由于永磁电机的空载磁场分布近似为矩形,导致其振动噪声通常远超同规格电励磁电机,随着电机制造技术的不断发展,永磁电机的振动和噪声逐渐受到关注,因此研究永磁同步电动机的电磁振动对于电机的稳定运行和发展有着重要的意义。电磁振动是电机噪声的主要来源,本文针对永磁同步电动机电磁振动的特性分析与抑制措施展开研究。电磁振动主要是由径向电磁力作用在定子铁心内表面所产生,分析永磁同步电动机电磁振动的基础是径向电磁力的分析与计算。因此本文在建立永磁同步电动机径向电磁力解析分析模型的基础上,深入分析了电机的电磁振动特性,并研究了电机电磁振动的抑制措施,本文的主要内容如下:首先,建立了永磁同步电动机的变参数场路耦合控制系统。通过分析电机主要电磁参数的变化规律,优化了永磁同步电动机控制系统中的调节器参数,优化了控制性能;基于Maxwell软件建立了电机本体有限元模型,基于Simplorer和Simulink软件搭建了变参数矢量控制模型的主电路和控制电路,实现了永磁同步电动机变参数矢量控制系统的场路耦合联合仿真分析。另外,对比分析了电机在不同工况下的运行性能,验证了变参数控制系统的可靠性和有效性。其次,研究了永磁同步电动机在空载和变频供电带载运行时的电磁振动情况。本文提出了一种永磁同步电动机径向电磁力的快速解析分析方法,建立了电机主要结构参数、定子绕组电流谐波与不同阶次、不同频率电磁力之间的联系,并通过场路耦合联合仿真模型进行了验证,为深入研究电机故障工况下的电磁振动特性以及电机电磁振动的抑制措施奠定了基础。再次,研究了永磁同步电动机不同故障工况对电机电磁振动特性的影响。分别建立了电机偏心故障、匝间短路故障和永磁体故障下的径向电磁力解析分析模型,对电机故障下电磁力阶次、频率成分的变化规律进行深入分析,并通过场路耦合联合仿真模型的计算分析进行了验证。最后,研究了永磁同步电动机电磁振动的抑制措施。本文首先采用机械阻抗法计算了永磁同步电动机主要低阶电磁力的噪声功率级频谱,确定了需要抑制的主要低阶电磁力的频率。然后通过遗传-蚁群智能优化算法选取了合适的定子齿槽参数,通过场路耦合联合仿真对比发现,优化后的定子齿槽参数达到了抑制电机电磁振动的目的,并且这些抑制措施并未显著影响电机的性能。另外,研究了通过注入谐波电流抑制电机的电磁力,得到了能有效抑制电机电磁力的谐波电流的幅值及初始相位角。

关键词： 捡拾机械手   运动学   动力学   避障规划   最优控制  

摘要： 随着服务机器人在日常生活中应用越来越广泛,运动健身领域出现了多种机器人。为了解决人工效率低和成本高的问题,球类训练场出现了捡拾机器人。球类捡拾机器人能够替代人工在训练场内完成捡拾任务,但是在捡拾过程中经常出现机械手会与障碍物碰撞以及多机械手相互碰撞等不安全作业现象,且存在运动轨迹不平滑、精度差,能耗高等缺点。本文以五自由度捡拾机械手作为研究对象,在避障路径规划、轨迹优化和轨迹跟踪控制方面,提出捡拾机械手平滑避障规划与最优控制研究工作。主要的研究内容如下:首先针对捡拾机器人的机械手工作性能需求建立了避障条件下捡拾机械手的运动学和动力学模型。对五自由度捡拾机械臂构建运动学模型,求解机械手的运动空间,为避障路径规划研究提供可行工作区域。采用AABB包络法对障碍物规则化,建立了机械手与障碍物之间的碰撞模型,为平滑避障规划提供基础理论技术支持。然后,针对捡拾机械手运动不平稳、规划路径过长的问题,采用了关节空间内自适应变步长改进人工势场法和目标偏置快速搜索随机树算法,以及建立平滑避障规划和优化模型。在柯西概率分布通过末端点与障碍物之间的距离改变关节角步长基础上,改进人工势场法中引力斥力势场函数,解决机械臂与障碍物过近或过远所出现碰撞和目标不可达问题。加入快速搜索随机树算法,解决人工势场法中的局部极小值问题。采用余弦自适应遗传算法,以捡拾时间为目标,建立了平滑避障轨迹优化模型。通过仿真分析和实验实现运动平滑和时间优化的目标,验证避障规划算法的有效性。最后,为了保证捡拾轨迹精度、降低功耗,采用线性二次型最优控制方法。采用Koopman算子进行机械臂动力学模型全局线性化并设计了线性二次型最优控制器,开发了机械臂动态控制系统并进行了仿真分析。通过仿真分析获得矩阵Q和R对于捡拾机械臂模型下的状态变量响应和幅值震荡等效果,对两个矩阵参数的权衡设定来满足需求的控制器,实现了高精度、低功耗的最优控制目标。