教学课程资源库 更多>>

关键词： 参考磁链   自抗扰控制器   梯形离散法   直接转矩控制   变截止频率  

摘要： 永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)具有众多优良性能,是现代化工业生产中关键的能量转化设备,在新能源汽车、智能机器人等领域有着广泛应用。所以,选择合适的控制方法去提高PMSM性能是非常有必要的。直接转矩控制(Direct Torque Control,DTC)是常用的PMSM控制方法,传统DTC控制使用滞环控制器导致系统中转矩和磁链脉动过大,为了解决转矩和磁链脉动大的问题,本文在DTC系统中引入空间矢量调制构成SVM-DTC系统能够减小磁链和转矩脉动。本文基于SVM-DTC系统进行了研究,主要内容如下:(1)针对PMSM运行过程中存在的功耗问题,引入一种给定变化参考磁链的方法,该方法通过合理配置dq轴定子电流,以最小定子电流产生期望转矩,从而实现对永磁同步电机定子电流的最优控制,提升了电机运行效率。仿真结果表明:采用给定变化参考磁链系统比给定恒值参考磁链系统生成的电流值更小。(2)为了解决SVM-DTC系统中永磁同步电机抗干扰能力差的问题,在转速环中采用自抗扰控制器取代传统PI控制器,并且通过引入负载观测器对转速环进行前馈补偿,减少自抗扰控制器的计算负担。仿真结果表明:转速环补偿自抗扰控制器不仅可以提高SVM-DTC系统抗干扰能力,而且降低了系统输出转速超调。(3)定子磁链观测器是SVM-DTC系统的主要部分,然而,传统纯积分型磁链观测器无法去除感应电动势中存在的直流量。本文采用新型电压模型去解决直流累积的问题,随后又分析频率突变对输出磁链的影响,进一步互换幅相补偿环节和滤波环节,从而增强系统的动态性能。考虑到电机运行过程中电角速度变化的情况,因此设置观测器的截止频率能够跟随电角速度变化而变化,以使得观测器带宽处于合理位置。同时考虑到后向积分离散法存在精度的问题,为了进一步提高观测器的观测精度,采用梯形离散法进行离散处理,进而提出变截止频率梯形离散磁链观测器。仿真结果表明:系统观测的电磁转矩和定子磁链精度高,并且能够在感应电动势出现偏移的情况下保持磁链的稳定性,具有良好的动态响应性能。(4)最后,搭建实物平台进行了实验验证,实验结果表明:系统观测的磁链和转矩波形脉动很小,并且磁链波形稳定未发生偏移,系统输出的电流值很小,电机转速波动小,整个系统稳定性高。

关键词： 绝缘栅双极型晶体管   Cauer热网络模型   状态监测   封装级失效  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)作为电力电子装置的核心器件,在轨道交通、航空航天、新能源汽车等领域一直得到广泛应用,由于受到生产、封装以及工作环境等条件的限制,模块在运行过程中的安全性及可靠性一直受到各个领域的广泛专注。IGBT模块因其在高电压、大电流和快速响应等方面的优点,而成为工业应用中最广泛、最理想的功率器件。但是IGBT模块的运行工况比较严苛,由于结温和机械应力变化而导致的焊料层和键合线老化失效是最常见的失效模式,因此有效的老化评估对系统可靠性和状态监测尤为重要。本文介绍了功率器件可靠性的研究现状,主要包括故障机制、状态监测、寿命评估和热可靠性。其中,根据失效机理和特征量的变化规律对状态监测技术进行了分类总结,阐述了寿命估算方法。在国内外关于IGBT模块失效机理的研究建立了IGBT模块的三维几何模型,仿真分析了IGBT模块的热结构多物理场耦合现象,研究模块内部热流路径的变化规律,总结了模块封装老化失效的原因,比较稳态工况下IGBT模块的温度场分布情况。基于此,本文研究了IGBT模块焊料层和键合线老化对温度的影响机理,具体研究内容如下:首先,对IGBT模块的结构和内部热流路径进行分析,根据热流分布情况,考虑铜端子部分的热流分支,在传统Cauer模型的基础上,建立了芯片-铜端子热流支路的Cauer模型,得到各层状结构的热阻热容,并研究铜端子温度与芯片温度之间的数学关系。其次,针对IGBT模块不断承受功率循环后导致的模块老化失效情况,通过理论分析,分别研究了利用芯片-铜端子双分支Cauer热网络模型区分芯片焊料层老化和底板焊料层老化对温度的影响机理,以及断裂不同根数键合线对铜端子温度变化的影响规律,从而提出了一种利用铜端子温度变化监测IGBT模块健康状态的方法。最后,通过有限元仿真和实验测试对上述理论结果进行验证,证明了铜端子的温度变化可以作为判断焊料层老化位置以及诊断键合线故障的重要依据,可实现对IGBT模块健康状态监测和使用寿命预测,验证了本文所提出方法的正确性。

关键词： 电梯   超级电容   四象限变频器   应急平层   节能  

摘要： 电梯在现代化建筑中扮演重要角色,但其数量繁多动作繁复,故障频发且维修人员稀缺,给人身和财产带来危险。同时,随着电梯数量逐渐增加,高耗能问题也引起了广泛关注。因此,提升电梯运行安全性和降低能耗成为研究焦点。本文提出了一种兼具应急管理及节能功能的电梯用四象限变频器。超级电容通过限流装置进行在线式充放电,把异常断电情况下电梯系统重新上电,在不改变原有控制逻辑的前提下自动完成应急平层动作。在正常运行过程中,变频器对电梯可再生能量进行反馈。主要研究工作包括参数选型设计、超级电容参数计算、能量平衡分析、电阻分级切除式和恒流式电压管理策略、仿真模型建立和节能计算。为满足应急平层要求,本文解决了超级电容参数计算问题。超级电容放电电压范围需满足电梯应急运行对异步曳引电机驱动要求以及运行所需的电容量。通过转矩特性分析得出超级电容可放电电压限值与电梯应急运行速度成正比关系,并进行能量供需平衡分析,确定超级电容所需存储能量。本文提出了限流电阻分级切除式和恒流式电压管理策略,并对于不同策略所使用PI控制器的参数进行了整定分析。在仿真模型上,本文对四象限变频器的直流母线电压建立过程、正常运行过程、应急平层的运行过程和极限工况下的运行进行了仿真分析,并根据标准VDI4707中规定的模拟工况对节能率进行计算,结果表明该电梯节电率可达19.628%。通过本文的研究,电梯用四象限变频器的方案可行且具有应用推广价值。

关键词： 高频链   移相控制   SVPWM   矩阵变换器  

摘要： 随着电网智能化发展,对电能变换技术也提出了更高的要求。高频链矩阵式逆变器结合了矩阵逆变器和高频链技术,因其高功率密度,功率因数可调等优点而引起了广泛的关注。和电压型高频链矩阵逆变器相比电流型高频链矩阵逆变器没有变压器二次侧电压尖峰问题成为研究的热点,在新能源并网和电机驱动等领域有广泛的应用前景,所以对电流型高频链矩阵逆变器进行研究具有重要意义。 首先,对电流型高频链矩阵逆变器拓扑进行分析,研究拓扑的工作原理,双向开关的换流方法,确保不会在换流的时候造成短路。研究一种改进的九段式SVPWM调制方法,在两个有效矢量之间穿插零矢量,实现全开关周期的两步换流法。对研究的改进SVPWM调制方法进行了模态分析,并进行了仿真验证。 其次,对电流型高频链矩阵逆变器的移相调制方法进行研究,分析传统的单移相调制和双移相调制的工作原理。因为传统移相调制方法有反向功率大的缺点,研究一种内双移相调制方法。该调制方法通过在前级全桥的输出电压增加零电平,来减小输入侧电压电流方向不同产生的反向功率,实现减小功率回流。并对内双移相调制和单移相调制以及双移相调制进行对比分析,通过仿真验证。 再次,为了减小电流型高频链矩阵逆变器的电流应力,研究一种电流优化方法。通过对电流型高频链矩阵逆变器的高频变压器上的电压电流进行傅里叶分析,取傅里叶级数的基波近似,得到电流应力和传输功率的关系式。利用拉格朗日算子法来求得在固定功率下的最小电流应力的参数,并通过仿真验证研究的优化方法的正确性。 最后,根据理论分析确定所需要的元件参数,进行硬件设计,包括主电路开关管选型,高频变压器设计,驱动电路设计以及输出滤波器设计。搭建硬件实验平台,并利用FPGA作为控制器,在硬件实验平台上验证所研究的两种调制方法。

关键词： 无刷直流电机   换相转矩脉动   模糊控制   直接转矩控制   径向基神经网络   改进麻雀算法   dSPACE  

摘要： 近年来,无刷直流电机凭借其结构简单、可靠性高,在工业领域应用广泛。但由于无刷直流电机的机械结构及控制方式,在换相时,需关断相电流和需开通相电流变化率通常不一致,使无刷直流电机产生换相转矩脉动,这制约了其在精度和可靠性要求较高场合的应用。围绕着优化换相转矩脉动,本文从控制方式入手,具体研究内容包括:(1)采用直接转矩控制抑制换相转矩脉动。为改善直接转矩控制中扇区切换时定子磁链与电压矢量之间夹角突变量大造成转矩脉动较大的问题,在导通方式中,采用二三导通代替传统二相导通。仿真实验表明,采用二三导通方式后,换相转矩脉动较传统直接转矩控制得到减小。针对传统直接转矩控制中滞环控制器无法实现根据输入值量化的选择输出电压矢量对转矩脉动的影响,采用模糊控制器代替滞环控制器,分别设计了模糊调节电压矢量控制器、模糊调节电压矢量占空比控制器,相较于二三导通直接转矩控制,换相转矩脉动减小。为进一步降低转矩脉动,协同两个模糊控制器,设计了模糊调节电压矢量角度及占空比控制器,相较于模糊调节电压矢量占空比控制器,换相转矩脉动进一步减小。(2)针对传统PID控制参数无法实时更改,当电机运行状况发生变化时,控制精度难以满足控制系统要求的问题。本文对转速PID控制参数进行优化。首先,采用径向基神经网络对PID控制器的参数进行调节。其次,针对径向基神经网络的调参精度受本身参数设置影响较大的问题,采用麻雀优化算法对径向基神经网络的参数进行寻优。最后,针对麻雀优化算法易陷入局部最优的问题,提出改进策略的麻雀算法,优化麻雀算法的性能。仿真实验表明,所提改进麻雀算法优化径向基神经网络PID转速控制器相较于传统PID控制器及径向基神经网络PID控制器,换相转矩脉动得到明显改善。(3)为验证本文所提控制方法的有效性,在dSPACE中设计软、硬件电路,对本文所提的控制方法进行半实物仿真实验。通过对实验结果的分析,验证了本文所提控制策略的实用性。

关键词： 低电压穿越   并网逆变器   模型预测控制   滑模观测器   矢量控制  

摘要： 在光伏电站并网运行期间,需要其具备一定的低电压穿越能力。并网逆变器作为光伏电站与电网进行能量交换的桥梁,其性能的提升对光伏并网系统的稳态性能和动态响应速度有着至关重要的作用。 本文以三相两电平逆变器为研究对象,分别对比了单矢量和双矢量模型预测功率控制(Model Predictive Power Control,MPPC)的不足,提出了一种多矢量模型预测功率控制方法,该方法不同于传统多矢量模型预测功率控制需要对六对基本电压矢量进行重复调制,而是在每个周期中始终选择一对基本电压矢量和两个零矢量以对称方式执行调制,在保证传统多矢量模型预测功率控制精度的同时,通过减少迭代次数来降低计算量。仿真结果表明所提方法能够使逆变器快速跟踪系统给定指令,合理输出有功无功,实现电网无功补偿,更好的满足低电压穿越条件。 此外,为了避免负责监测反馈信号的观测器因低电压穿越引起的观测误差以及节约硬件成本,本文提出了一种满足低电压穿越条件的改进型滑模观测方案。首先通过设计滑模面实现对电网电压的观测,并依据同型号低通滤波器对相同频段的信号滤波效果一致的原则,利用双低通滤波器滤除反馈信号中的高频滑模噪声,然后根据滤波特性对经过两次滤波的观测信号进行幅值和相位的补偿,可实现电网电压信号的自适应观测。在仿真中对所提方案进行验证,结果表明在电网电压幅值和相位发生偏移时该方法也能完成对电网电压的精确观测。 最后,搭建三相两电平并网系统实验样机,完成相关实验。对实验结果进行对比分析,验证上述方法的有效性。 该论文有图50幅,表3个,参考文献63篇。

关键词： 馈能型主动悬架   动力学性能   能量回收   模型预测控制   遗传算法   最优控制  

摘要： 悬架是车辆系统中不可或缺的组成部分,主要是用来衰减由于路面不平造成车身的振动,同时也可以实现车身与车轮之间力的传递。传统的悬架都是将振动能量转化为热能来达到振动衰减的目的,而馈能型悬架可以将振动能量进行回收,从而提高电动汽车的续航能力。因此,提高车辆的动力学性能和续航能力是馈能型悬架研究关注的两个重要问题。本文针对一种具有双执行器的馈能型主动悬架,开展馈能型主动悬架控制策略的研究,从而对车辆的动力学性能和能量回收性能进行改善。本文的主要工作内容如下:首先,对具有双执行器的馈能型主动悬架进行建模,并给出了评价悬架性能好坏的性能指标。为了实现对车辆的动力学性能和能量回收性能两方面的优化,建立了馈能型主动悬架控制系统和能量回收系统的等效数学模型。其次,为改善回收电能的质量,提出了一种PI前馈模型预测双闭环控制的方法。电压外环采用结合前馈补偿的PI控制器计算得到参考电流,电流内环通过模型预测控制算法计算输出最优占空比,对能量回收系统进行控制从而改善回收电能的质量。此外,还设计了扰动观测器避免系统的扰动对馈能效果的影响。仿真验证了本文所提出的控制方法可以有效地改善回收电能的质量,同时对车辆的动力学性能也存在一定的调节作用。最后,结合馈能型主动悬架的动力学性能评价指标,给出了结合遗传算法的最优控制策略,计算得到可以使悬架保持良好性能的最优控制力。提出了基于模型预测的转矩跟踪控制策略,并通过最小二乘算法简化运算,实现多步预测控制,从而可以有效地对永磁同步电机的输出转矩进行控制,完成对最优控制力的准确输出,提升悬架系统的动力学性能。仿真结果表明,本文所提出的方法可以有效地控制永磁同步电机的输出转矩,产生主动控制力作用于悬架系统,显著地改善了车辆的乘坐舒适性及操纵稳定性。

关键词： IGBT并联   动态均流特性   门极电压控制   同步异幅驱动  

摘要： 高压大功率硅基IGBT目前已经接近性能极限,商品化的IGBT模块至高达到6500V/750A,一些压接式模块能达到6500V/3000A。随着电能变换和传输技术的发展,大容量电力电子变换器需求越来越高。IGBT模块直接并联是提升变流器容量的可行方案。可以简化拓扑结构,降低设备成本,提高系统可靠性。在IGBT并联应用中,均流问题是最需考虑的。IGBT模块和驱动电路参数存在客观的差异,功率回路的不完全对称也会导致寄生参数的不一致,这使得IGBT并联应用中会出现静态均流与动态均流问题。动静态不均流问题的长期存在将导致并联应用中电流应力较大的模块更容易失效或老化,严重的会在工作过程中出现损坏影响系统的可靠性和稳定性。因此,并联IGBT应用应重点关注各支路动静态均流情况,有效的均流策略能减小系统降额,提升系统中器件性能预防失效老化。本文主要对影响动静态均流的特征参数及其均流特性以及同步异幅驱动方法的均流效果进行了研究。 论文首先总结了影响动静态均流特性的特征参数,分别分析了其在动静态过程的作用原理,对于静态均流主要分析了与功率回路阻抗分布相关的各项参数。对于动态均流建立了多模块并联电路模型,推导了在开通和关断过程中的关键阶段均流特征参数的数学关系,通过PSpice建立的并联仿真模型验证了影响均流特性的特征参数作用原理,并通过量化线性拟合对比了各参数的敏感程度。 其次,论文对影响动态过程的驱动回路参数进行了分析,主要分析了延迟时间与门极驱动电压对开关时刻和电流斜率的控制作用,由门极驱动电压的控制作用提出了同步异幅驱动方法,结合动态过程的电路模型阐明了其主要控制原理,并在PSpice中对其在动态过程的均流作用进行了验证分析,对比了不同驱动控制电压和作用时间下该方法对于动态均流特性的改善程度。并提出了通过电流积分与电流不均衡度共同作为均流评价指标的均流特性评价办法,同时关注了动态均流特性的多组关键参数。 论文最后在搭建的大功率IGBT模块并联双脉冲测试平台,采用结合多源功能拓展和多级电平合成功能叠层结构的独立驱动测试了并联IGBT的动态均流特性。通过双脉冲测试对分别对2模块2MBI200U4H-120型和2模块FF300R17KE3型IGBT模块的内部特征参数进行了提取并测试其并联开关特性,验证了特征参数分析得到的延迟时间参数的控制作用。测试验证了同步异幅驱动方法在不同门极驱动电压和不同作用时间下动态特性控制作用。并通双脉冲测试结果,验证了同步异幅驱动控制对动态不均流的改善作用,说明了该方法的合理性和有效性。

关键词： 永磁同步电机   模型预测控制   直接转矩控制   容错控制  

摘要： 永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,简称PMSM),因其性能稳定、效率高、功率密度大等特点,在电动汽车驱动领域应用广泛。逆变器作为其驱动系统的核心部件,其功率开关器件的可靠性问题一直备受关注;由于逆变器的内部结构复杂以及所处的运行环境特殊严苛,导致其开关器件故障发生率极高;一旦发生短路、断路等故障,可能会对汽车的安全运行造成严重威胁。因此,探索一种可行、高效、实用的逆变器容错控制策略,使逆变器在出现单相故障的情况下,永磁同步电机驱动系统仍然能够继续运行,提高系统可靠性和稳定性,以保障人身和财产的安全,具有重要的现实意义。本文围绕永磁同步电机驱动系统容错控制技术开展研究工作,针对由开关器件损坏引发的逆变器单相故障问题,将两相四开关容错拓扑与模型预测控制结合,设计了基于模型预测控制技术的容错控制方案,主要研究内容如下:(1)在自然坐标系、两相旋转坐标系以及两相静止坐标系下,分别建立了永磁同步电机的数学模型,对直接转矩控制技术的原理和模型预测控制技术的原理进行了研究和分析,并将两种方法相结合,设计了永磁同步电机的模型预测直接转矩控制策略,在Matlab/Simulink中建立了基于该策略的电机调速系统仿真模型,仿真输出波形证明了所设计的控制策略的有效性。(2)针对逆变器单相故障,构建了基于两相四开关容错拓扑的永磁同步电机驱动系统的数学模型,对两相四开关容错逆变器的工作原理、开关状态及其对应电压矢量关系进行了分析,并在模型预测直接转矩控制策略的基础上,设计了永磁同步电机两相四开关容错控制策略,在Matlab/Simulin中搭建电机调速系统的容错拓扑仿真模型,仿真结果证明了所设计的容错控制策略的有效性。(3)设计了基于d SPACE实时仿真系统的永磁同步电机驱动系统容错控制实验平台,对平台的总体结构和硬件电路的设计进行了介绍。基于此平台对永磁同步电机单相故障进行了模拟,并对所设计的容错控制策略进行了相关的实验验证。

关键词： 内置式永磁同步电机   矢量控制   逆变器容错控制   无位置传感器算法   滑模观测器   高频方波电压注入  

摘要： 内置式永磁同步电机(IPMSM)凭借其优异的调速性能,已广泛应用于电动汽车、航空航天、工业自动化等诸多领域。电机驱动控制系统中,逆变器和位置传感器都是较为薄弱的环节,容易发生故障。因此,对于逆变器容错控制和无位置传感器算法的研究一直都是热点。目前关于这两方面的研究各自独立,效果单一,考虑将二者结合有利于更大程度地提高系统可靠性。另一方面,现有的无位置传感器算法中滤波器的使用会带来占用系统资源、限制系统带宽、降低跟踪性能等缺点,减少滤波环节有利于提升算法性能。本文以三相IPMSM为控制对象,采取改进型无位置传感器算法和逆变器容错控制相结合的控制策略,力求在整体上提升系统可靠性。具体工作如下: (1)在三相IPMSM矢量控制的基础上,针对逆变器故障,采取三相四开关容错控制策略。介绍了三相四开关容错控制方案及原理,最后搭建了逆变器容错控制系统,并进行仿真验证。 (2)在逆变器容错控制系统的基础上,结合改进型滑模观测器(SMO)取代位置传感器,实现中高速下的无位置传感器容错控制。在传统SMO的基础上对算法进行改进,采用基于饱和函数的高阶滑模观测器(HOSMO),减少了低通滤波器的使用,解决了低通滤波器带来的相位延迟与跟踪性能下降的问题,同时抑制了滑模抖振。仿真验证了算法和控制策略的有效性。 (3)在逆变器容错控制系统的基础上,结合改进型高频方波电压注入算法取代位置传感器,实现零低速下的无位置传感器容错控制。对传统高频方波电压注入算法进行改进,采用无滤波器高频信号和基波信号分离策略,减少了带通滤波器和低通滤波器的使用次数,有效减小了滤波环节在数据处理上的资源占用,并提高了位置和转速跟踪的动态响应性能。仿真验证了算法和控制策略的有效性。 (4)采用了加权因子的方式将中高速和零低速下的两种无位置算法结合,避免了常规直接切换方法产生的抖动现象,实现了全速域无位置传感器的转子信息估算,并通过了仿真验证。 (5)最后,以DSP TMS320F28335为主控芯片搭建了实验平台,并详细介绍了硬件和软件系统的设计过程,完成了上述控制策略的相关实验,实验结果进一步验证了控制策略的有效性。