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关键词： 增程器   无刷直流电机   PWM调制方式   直接转矩控制   起动/发电  

摘要： 增程器是电动汽车辅助发电系统,它可以增加电动汽车一次充电续航里程,降低车载蓄电池数量,减少电动汽车成本,实现燃油汽车到纯电动汽车的平稳过渡。电动汽车增程器要求体积小、重量轻、效率高,因而增程器核心部件——电机选用无刷直流电机。对以无刷直流电机为起动/发电电机的大功率电动汽车增程器进行了研究。分析了无刷直流电机的工作原理,为了能够可靠准确地检测出无刷直流电机的转子位置,分析了一种基于端电压的反电势过零点检测方法,该方法能够使无刷直流电机进行精准换相,保证无刷直流电机平稳工作。增程器启动时,无刷直流电机首先工作于电动模式以起动发动机。为提高增程器起动时的稳定性,研究了无刷直流电机不同类型PWM调制方式下的转矩脉动情况,最终选择PWM-ON调制方式,以改善无刷直流电机电磁转矩脉动情况,使无刷直流电机可以平稳起动发动机。为了使增程器中无刷直流电机发电时具有优良的动态特性,研究了无刷直流电机的直接转矩控制原理,将直接转矩控制技术引入无刷直流电机的发电状态和起动/发电转换过程。通过仿真与实验对使用直接转矩控制的无刷直流电机发电与使用双PI调控的增程器发电结果进行了对比,结果表明使用直接转矩控制技术的无刷直流电机可以显著提升发电效率。为了解决增程器在有限空间中快速散热问题,研究了增程器智能控制系统的电路拓扑,将逆变器和整流器分别装配在不同的金属外壳底板上,研究了水冷式增程器的结构优化,在增程器内部设计了水道进行散热,以有效地实现快速散热。介绍了7k W/72V增程器控制系统的硬件、软件设计和实现过程。

关键词： 脑瘫   肌肉缺陷   步态运动   最优控制   正向动力学   预测模拟  

摘要： 脑性瘫痪是儿童运动障碍最常见的原因,是患儿自受孕开始至婴儿期非进行性脑损伤和发育缺陷所导致的综合征,并且会造成肌肉痉挛、肌肉无力以及无法选择性控制肌肉等症状,这些肌肉缺陷会损害行走能力,并随时间推移会导致继发性损伤如骨畸形和肌肉挛缩等。针对上述脑瘫患者导致的下肢肌肉无力与肌肉挛缩等肌肉缺陷,研究者通常采用骨肌多体动力学等方法来模拟步态运动的变化情况,骨肌多体动力学建模已经成为分析和理解特定个体缺陷的有力工具。但是,目前传统文献中对上述肌肉缺陷的研究大多数是基于逆向骨肌多体动力学进行建模,该方法依赖于现有的实验数据,无法预测新的步态运动。因此,本文通过将正向骨肌多体动力学模型与最优控制理论结合建立了人体步态预测模拟优化框架,并以正常青少年群体作为研究对象,以此模拟并研究痉挛型脑瘫肌肉缺陷对下肢步态运动学、动力学、肌肉能量消耗以及时空特征的变化情况。论文的研究旨在为痉挛型脑瘫患者临床治疗、步态改善以及辅助装置的设计提供理论指导。论文主要内容如下: (1)基于最优控制理论建立了二维骨肌模型预测模拟优化框架。通过跟踪模拟与预测模拟对地面反作用力、下肢关节运动学和肌肉活性进行了验证,并为后文提供数据分析的基础。 (2)针对痉挛型脑瘫下肢跖屈肌肌肉无力,研究了在不同肌肉无力程度下、不同速度下对下肢生物力学的影响。研究发现:重度跖屈肌肌肉无力情况下,模型逐渐采用“脚跟行走”的异常步态模式,其中踝关节在运动学和动力学上变化最为明显,随跖屈肌肌肉无力程度增加,踝关节背屈角在站立相后期即达到最大值,并且在整个摆动相始终处于过度背屈的状态;最大踝关节跖屈力矩随肌肉无力程度增加而不断减少。此外,下肢跖屈肌肌肉无力会导致肌肉能量消耗增加,并且跖屈肌重度肌肉无力会随步速增加而导致相应的肌肉能量消耗也增加。 (3)针对痉挛型脑瘫下肢跖屈肌肌肉挛缩,研究了两种挛缩建模方法在不同肌肉挛缩程度下对下肢生物力学的影响。研究发现:两种跖屈肌肌肉挛缩建模方法均得到的相似的步态模式,即在重度跖屈肌肌肉挛缩情况下,模型逐渐采用脚尖着地的“马蹄步态”的异常步态模式,该步态在运动学和动力学上的特征主要表现在当足部刚开始接触地面时,踝关节跖屈角始终为正,此外,在整个摆动相期间踝关节始终处于过度跖屈的状态,且随挛缩程度增加,相应跖屈角也不断增大。而相应踝关节跖屈力矩在站立相早期增加,并且在站立相末期踝关节最大跖屈力矩随挛缩程度增加而不断增大。此外,跖屈肌肌肉挛缩程度越大,模型采取的适应步态速度也增加,而相应肌肉能量消耗减少。 (4)针对偏瘫型脑瘫下肢两侧不对称性,研究了不同步态速度下模型患侧与健侧之间的关节运动学、肌肉力以及时空特征不对称差异。研究发现:偏瘫模型患侧与健侧膝关节屈曲角与踝关节背屈角在站立相的不对称变化最为明显;患侧肌肉力随偏瘫程度增加而减少,而健侧肌肉力出现相应代偿增加;时空特征不对称的大小和方向取决于患侧肌肉无力的水平和步态速度的大小,随偏瘫程度增加,所有步态速度下的肌肉能量消耗随之减少,并且较慢的步态速度相比于较快的步态速度具有更大的肌肉能量消耗。最后通过实施对称目标发现模型虽然减少了步态不对称性,但是并未减少肌肉能量消耗。因此,通过该结果可以为偏瘫患者进行临床治疗、步态矫正等提供理论参考。

关键词： IGBT   电磁骚扰   开关瞬态特征   寄生参数   开通振荡   滤波器  

摘要： 随着我国柔性直流电网的快速发展,IGBT器件朝着高频化和大容量的方向发展,其更快的开关速度和更高的开关频率也给电力系统带来了更加复杂的电磁骚扰问题。IGBT的开关电压和电流是换流阀等电力电子装置的主要骚扰源,IGBT开关动作产生的电磁骚扰对电力设备的稳定运行影响显著。本文通过建模分析和实验测量相结合的方法,对IGBT器件开关过程伴随的电磁骚扰特性及其抑制措施进行了深入研究。首先,研究了 IGBT不同阶段的开关瞬态特征对电磁骚扰特性的影响机制,建立了 IGBT骚扰源模型。该模型分阶段推导了 IGBT暂态电流和电压的变化速率,考虑了器件的非线性电容和寄生参数对各阶段di/dt和du/dt的影响,以及寄生电容和电感引发的开通振荡过程。通过实验验证了本文提出的电流模型可以对开通电流振荡引入的电磁骚扰峰值进行预判;拖尾电流对电流骚扰源特性的影响较小,可以在模型中忽略拖尾电流过程。揭示了栅极-集电极电容Cgc对电压骚扰源特性的影响机理,进而提出多阶电容的建模方法提升电压模型对电压频谱预测的精度,通过实验与模型对比建议采用三段Cgc等效模型,实现电压骚扰源模型复杂度与精度之间的平衡。本文提出将IGBT开关波形频谱中包含的总功率作为电磁骚扰产生的数值指标,用于量化骚扰源中的高频分量,进而分析寄生参数与电磁骚扰水平的数值关系。基于IGBT骚扰源模型,采用该指标定量评估了开关回路中器件参数和电路参数对电压和电流骚扰源的影响规律,相关结论可以用于指导IGBT骚扰源的关键参数调控。建立了 IGBT开关特性测试平台,获取了不同参数条件下IGBT骚扰源的时-频分布,并对上述模型分析结果进行验证。其次,建立了基于Buck电路的电磁骚扰测试平台,实现了从开关特征、传导骚扰、辐射骚扰对功率器件的电磁骚扰特性展开实验研究。基于该平台揭示了驱动回路对IGBT换流器传导骚扰的影响规律。为了更充分地研究IGBT的电磁骚扰特性,对比了 Si IGBT和新型器件SiC MOSFET的骚扰源和电磁骚扰测量结果。实验结果表明SiC MOSFET换流器的共模和差模干扰在8-30MHz的频段高于Si IGBT,且差模干扰的差异更显著。此外,SiC MOSFET剧烈的开通振荡过程导致传导和辐射骚扰在开通振荡频点处出现明显的峰值,这是SiC MOSFET在实际应用中电磁兼容性能的薄弱点。由此提出了 SiC MOSFET模块的开通振荡电流模型,可以在模型中反映漏源极电容在开通过程不同阶段的精确电容值。与传统的二阶模型相比,本文提出的模型对开通电流振荡过程的模拟精度得到了显著提高。最后,研究了针对IGBT栅极驱动电路传导骚扰的抑制措施。滤波器是最常用的电磁骚扰抑制措施,但其滤波性能容易受到内部耦合参数的影响而大幅下降。本文揭示了滤波器中各类互感参数对滤波性能的影响机理,其中电容器之间的互感是导致滤波性能下降的关键因素。通过BNC端口设计实现了各类互感的独立准确提取,定量评估了互感对滤波性能的影响程度,基于评估结果建立了滤波器的简化模型。然后,提出了一种新的互感消除方法,该方法使得输入和输出路径的耦合作用会叠加一个负电感至滤波器二端口的转移支路,用于抵消电容器之间的互感,实现滤波器输入和输出回路互感的完全消除。通过建模和实验验证了本文提出的互感消除方法可以在不添加额外元件的情况下实现互感的完全消除,显著地提高滤波器的高频滤波性能。

关键词： 级联H桥   逆变电源   矢量控制   直流纹波   前馈补偿   载波移相  

摘要： 在众多高压大功率逆变电源拓扑结构中,级联H桥型多电平变换器采用移相变压器+整流供电时具有功率因数高、输出电压谐波含量低等优点在电力传动、航空航天和医疗器械等方面应用广泛。目前,级联H桥型多电平变换器所采用的传统调制算法都以假设直流母线电压为恒定值为前提,然而在直流侧出现的低频纹波会被调制并传输到负载,导致输出电压波形畸变。本文采用级联H桥逆变电路+三相整流桥为电路基本拓扑结构,设计了基于dq轴矢量控制的控制策略,采用直流纹波前馈载波移相调制策略,主要研究内容如下: 首先分析了单H桥功率单元的工作原理,以及H桥常用的调制策略并对单极倍频调制策略进行了详细说明。在此基础上以单相5个H桥功率单元为例,对级联H桥逆变器工作原理进行了分析与数学建模。然后对载波移相(CPS-PWM)调制策略输出波形表达式进行了理论推导与分析,采用单极倍频CPS-PWM调制策略可以提高等效开关频率,减小输出电压畸变。 针对级联H桥单元供电侧存在大量直流纹波电压导致输出负载电压波形畸变的问题,本文首先采用双重傅里叶理论分析了直流纹波电压,在此基础上引入一种直流纹波前馈补偿策略,通过测量每个级联H桥的直流侧实际输入电压除以电压基准值并与传统载波信号相乘,进而与调制电压进行载波移相调制。仿真结果表明,采用直流纹波前馈补偿策略,显著减小了直流侧纹波电压对输出负载电压波形的影响,实现了对直流侧纹波的抑制。 其次,针对采用传统控制策略时,输出电压含有较大的稳态误差、输出响应慢等特点,在采用直流纹波前馈调制策略的基础上,采用矢量控制策略,通过FFT变换虚拟出无功电压,获得了更快的收敛速度、更高的稳定性和更小的振荡。仿真结果验证了所提调制算法和控制策略有效抑制负载电压中的低次谐波,减小输出电压波形畸变,实现了逆变电源的快速动态响应和无稳态误差控制。 最后,采用DSP+FPGA作为控制器搭建了单相级联H桥逆变电源实验样机,对控制电路、驱动电路与采样电路等进行了硬件设计分析。实验结果验证了上述所采用的调制策略及控制策略的可行性与合理性。

关键词： 二维线性抛物方程   非柱状域   Stefan问题   最优控制  

摘要： 本文研究如下Stefan问题的最优控制问题:(?)(0-1)ρ(φ,0)=ρ0(φ),φ∈[0,2π],(0-2)(V-νΔV)·n=-?u/?n,(x,t)∈∑ρ,(0-3)其中ρ(φ+2π,t)=ρ(φ,t),(φ,t)∈R×[0,T],Ωρ(t)(?){x∈R2:x=(x1,x2)=r(cosφ,sinφ),0≤r<ρ(φ,t),φ∈[0,2π)},Ω0(?){x∈R2:x=(x1,x2)=r(cosφ,sinφ),0≤r<ρ0(φ),φ∈[0,2π)},Qρ(?){(x,t):x∈Ωρ(t),t∈(0,T)},Σρ(?){(x,t):x∈?Ωρ(t),t∈(0,T)}.T>0.V是自由边界?Ωρ(t)的速度,ν是一个正常数,u=u(x,t)为系统的状态,v=v(x,t)为控制函数,通过非空开集ω作用到系统上.u0(X)和ρ0(φ)给定.(0-3)是自由边界满足的Stokes型条件.性能指标泛函为J(v(·))=∫Ωρ(T)u2(x,T)dx+?ω×(0,T)v2(x,t)dxdt.(0-4)考虑如下最优控制问题:寻找控制v(·,·),使得利用固定边界方法和Schauder不动点定理,我们证明了在一定条件下,上述最优控制问题对足够小的初值存在最优控制.

关键词： 焊料层退化   键合线老化   特征参数   高频特性   状态表征  

摘要： 随着全球经济和半导体技术的快速发展,电力电子系统在诸多领域得到大量应用,以绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为代表的电力电子器件是其重要组成部分,模块的可靠性直接影响系统的稳定运行。因此,本文针对电力电子器件（IGBT）的可靠性,重点研究了IGBT模块封装老化失效机理、关键特征参数与状态表征等内容,特别是针对基于通态压降和关断电压上升时间的焊料层退化与键合线老化状态表征,以及基于高频特性的关断电压上升时间检测进行了深入研究,并在此基础上提出了基于组合参数（通态压降和关断电压上升时间）的封装老化失效状态表征方法,通过仿真和实验证明了该方法可以用于封装老化失效发生的判断以及老化失效类型的界定。首先,研究IGBT模块的电热特性及焊料层的退化失效。以IGBT模块封装结构与传热过程为基础,分析其电热特性;分析焊料层的老化演进机理及特征参数温升的变化规律;通过分析电气模型和传热模型,在Saber软件中建立三相逆变电路的电热联合仿真模型,研究了IGBT模块内部芯片结温及外部壳温的变化规律;通过IPOSIM仿真结果对比验证了所建立电热联合仿真模型的正确性;进一步,对以热阻变化模拟焊料层退化的电热联合模型进行仿真分析,研究基于温升的焊料层状态表征方法。其次,基于外部特征参数,研究IGBT模块键合线的老化失效。分析键合线老化失效机理,研究键合线老化对模块内部寄生电阻、寄生电容等参数的影响,在此基础上分别介绍并论证键合线老化失效对通态压降VCE（sat）和关断电压上升时间trv的影响,总结VCE（sat）以及trv随着键合线老化的变化规律;基于Saber仿真对所提出的特征参数与老化失效的理论关系做进一步的仿真分析,并通过仿真证明了基于VCE（sat）和trv的组合参数表征键合线老化状态的可行性。再次,研究基于高频特性的关断电压上升时间检测方法。根据驱动系统内部IGBT关断瞬态过程的暂态特性和寄生参数对暂态过程的影响,分析基于输出相电流中高频振铃电流检测关断电压上升时间的方法及其机理;建立能够同时反映共模、差模阻抗特性的系统高频等效电路;通过Saber高频模型仿真和电机驱动系统测试实验,证明了高频振铃电流时间与IGBT关断电压上升时间trv的一致性,并分别从VCE和开关振铃电流实现关断电压上升时间trv的在线提取,验证了基于高频特性的关断电压上升时间检测方法的可行性与有效性。最后,搭建了老化实验平台验证本文所提出的基于通态压降VCE（sat）和关断电压上升时间trv表征键合线老化的可行性;建立器件退化失效和参数VCE（sat）、trv变化的关系模型,研究基于参数退化模型的键合线状态表征方法;进一步,研究基于组合参数（通态压降和关断电压上升时间）的封装老化失效状态表征方法,从热参数和电气参数两个维度分析运行过程封装老化失效的判断以及老化失效类型的界定。

关键词： 采煤机牵引变频器   故障分析   可靠性评估   电磁抗扰度   可靠性试验  

摘要： 牵引变频器作为采煤机牵引部核心设备之一,其自身运行可靠性决定采煤机的整机生产效率和煤炭产量。受严苛工况影响,采煤机牵引变频器的可靠性及稳定性受到挑战,居高不下的故障现象极大地增加运维成本。现有的出厂测试仍以阈值判断为主,测试手段单一,检验方法理论深度不高。为提高采煤机运行可靠性、降低牵引变频器故障率,建立更为有效和全面的可靠性评估方法及试验方案具有重要的现实意义。本文以牵引变频器IGBT模块、控制回路及变频器系统为研究对象,开展从部件至系统的可靠性评估方法研究,并设计完成试验验证工作。主要研究内容包括:(1)分析牵引变频器可靠性评估方法及试验的研究现状,以国内某采煤机装备企业近三年变频器故障类型分析为基础,从变频器原理出发,归纳出各故障成因,基于此并结合可靠性评估理论确立本文针对IGBT模块、控制回路和变频器系统的可靠性评估方向。(2)开展基于寿命评估的牵引变频器IGBT模块可靠性评估研究。以IGBT模块工作特性及失效机理为基础,建立了IGBT和FWD的损耗计算模型;根据牵引变频器IGBT模块实际散热方式及散热过程,建立了专用的结温仿真热网络分析模型;将变频器实际运行数据代入由PLECS软件搭建逆变电路电热仿真模型中,求得IGBT结温数据。应用雨流计数法对结温数据统计,并结合寿命模型和Miner线性损伤定理对IGBT进行寿命评估,由此建立了一种适用于牵引变频器IGBT的寿命评估方法。(3)开展以电磁抗扰度评估为主旨的牵引变频器控制回路可靠性评估研究。介绍控制回路中各模块功能及关系,从系统可靠性层面考虑,分析被测变频器RS485电通讯总线和SP3485芯片的工作原理,归纳电磁干扰产生机理,由此提出一种适用于控制回路的电磁抗扰度评估方法及试验方案,具体包括:电快速瞬变群脉冲、电压暂降/中断、浪涌三种电磁干扰类型下所对应的抗扰度评估方案,并开展试验得出控制回路在各干扰类型和干扰等级下的试验数据及评估结果。(4)开展针对牵引变频器系统的可靠性评估研究,包括以下四部分:(1)整机温升评估试验:针对现有温升试验未考虑环境温度对温升值影响的问题,通过IPOsim和FLUENT仿真建立了环境温度与散热板、IGBT二者温升的关系模型,开展试验验证了模型的有效性,由此提出一种温升试验评定方法,改善了现有的温升试验;(2)整机可靠性加载试验:针对目前功能验证加载试验难以真实体现实际工况负载下变频器工作能力的问题,开展了基于载荷谱的可靠性加载试验研究,重点分析变频器载荷的提取和处理,提出一种载荷谱的编制方法并得出对应载荷谱,给出基于载荷谱的可靠性加载试验方案;(3)整机电磁抗扰度评估试验:依据控制回路抗扰度评估方法建立适用于变频器系统的电磁抗扰度评估方法及试验方案,并开展试验得出对应的评估结果;(4)谐波抑制与可靠性优化:为提升变频器自身可靠性,降低谐波对其影响,提出一种适用于四象限牵引变频器的LLCL滤波器及专用参数设计方法。与传统滤波器相比,该方法具有明显的优势,并进一步分析了LLCL滤波器对变频器整机电磁抗扰度的影响。

关键词： 双三相永磁同步电机   矢量空间解耦   双d-q   矢量控制   SVPWM  

摘要： 随着现代电力电子技术的快速发展,电机的驱动系统不再受限于三相供电系统。多相电机驱动系统具有低转矩脉动、低压大功率输出、易于容错运行等优点,因此在航天航空、风力发电、电动汽车等高可靠性大功率的交流传动领域受到了越来越多的关注。本论文主要选择多相电机中最具代表性的双三相永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)的驱动系统作为研究对象,对其数学建模、矢量控制以及SVPWM调制策略进行了分析研究。首先,本文分析了双三相PMSM在静止坐标系下的数学模型,通过双d-q以及矢量空间解耦(VSD)两种坐标变换,得到其在同步旋转坐标系下的数学模型。为接下来的电机矢量控制策略以及PWM调制策略的研究提供了必要的理论基础。其次,对双三相电机的矢量控制策略展开了研究,根据电机不同的建模方式,其矢量控制策略主要分为两种:第一种为基于双d-q坐标变换的矢量控制,即将双三相PMSM的两套绕组等效为两台三相PMSM,再分别对其用传统三相电机的矢量控制加以控制。第二种是基于VSD坐标变换的矢量控制策略,即将双三相PMSM看作一个统一的整体,对矢量空间解耦后的三个子平面分别进行控制。详细分析研究了这两种矢量控制策略,并在MATLAB中分别搭建了其仿真模型,并分析对比了其控制效果。再次,由于基于VSD坐标变换的双三相PMSM数学模型在各次谐波电压映射上具有更加清晰的解释,更有利于实现高性能的电机控制策略与PWM调制策略,故本论文对基于VSD坐标变换的SVPWM算法展开了研究。同时针对现有的24扇区SVPWM算法存在定子谐波电流较大以及每个扇区零矢量选取的不同导致在进行扇区间切换时逆变器同组的三相桥臂同时动作的问题,本文提出了一种48扇区SVPWM算法,并在MATLAB/Simulink中搭建了其仿真模型,从仿真结果分析中可以看出本论文所提出的48扇区SVPWM算法可以有效地抑制相电流中谐波的含量,获得更加接近于正弦化的电流波形,对改善电机的运行状态有一定实用意义。最后,在实验室中搭建了实验验证平台,采用数字信号处理(DSP)作为整个系统的主控芯片,完成了逆变器主电路、主控制电路与驱动电路等硬件电路设计以及相应的DSP软件程序设计,为验证本文所研究内容的有效性与正确性提供了必要的条件。