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摘要： 众所周知，功率半导体器件对于节能的意义重大，包括助力实现“碳中和”的目标。近年来，变频器在空调中的应用越来越普遍，同时工业设备的大型电源需要降低功耗，因此对高效开关器件的需求也在增长。这些都催生了对于PFC电路中低损耗开关器件和更高开关频率的需求。

关键词： 无刷直流电机   矢量控制   电机控制算法   现场可编程逻辑门阵列  

摘要： 无刷直流电机(Brushless Direct Current Motor,BLDC)以其高可靠性、高稳定性、高效率的优势,以及能满足大功率、大扭矩的特点,广泛应用于工业领域、智能家居、医疗设备领域以及新能源汽车领域。对BLDC的控制可以采用矢量控制方式。利用矢量控制技术可以实现对电机电流、电压和频率的精准控制,从而进一步控制电机的转矩、转速和位置等运动参数,使控制系统具有高精度控制能力。 目前对BLDC的控制,大多都是使用MCU或者DSP,即通过软件控制器来实现。使用软件控制器来实现电机控制,优点是成本低,控制过程灵活,可以直接对参数进行修改。缺点是系统的开发周期时间长,并且控制过程用软件实现会产生程序的处理时间长和响应速度慢的问题。因此,本文在FPGA平台上研究将电机控制算法用硬件来实现,可以对电机的电流和转速进行有效控制,能够大大提高算法的运算效率,并使得控制系统的响应速度获得明显提升。所取得的成果如下: 本文使用Verilog HDL硬件描述语言对矢量控制算法的各个模块进行了硬件化设计,对其中的核心模块进行了仿真验证以确保功能的正确性,并在FPGA平台上构建了实际验证环境对转速和电流进行测试。实验结果表明,在对电机转速环进行控制时,电机在空载和带载扭矩下能够很快的达到目标转速,并且超调小,在转速突变时,实际转速能在较短时间内调节到位。在对电机电流环进行实验时,通过上位机电流跟踪实验、相电流示波器测量实际电流以及用逻辑分析仪测试得到的两相AD电流实际波形三个方面证明了电流环设计的正确性。

关键词： PMSM   矢量控制   无差拍电流预测控制   龙伯格观测器  

摘要： PMSM矢量控制策略具有结构简单、开关频率固定等优点，但其电流环的电流、转矩、转速等响应波形的控制精度低、系统动态性能较差，因此本文研究无差拍电流预测控制（DPCC）方法，以避免矢量控制策略的上述缺陷。DPCC算法受PMSM电机参数变化的影响较大，因此系统抗干扰能力很弱。在DPCC控制系统基础上添加具有前馈补偿功能的龙伯格观测器，以减小PMSM电机参数变化对系统性能造成的扰动。龙伯格观测器的引入使得DPCC控制系统具有优良的控制波形和较强的鲁棒性。本文在Matlab/Simulink软件下创建基于龙伯格观测器的DPCC-PMSM控制系统进行仿真，验证该理论具有优良的控制特性。

关键词： 永磁同步电机   直接转矩控制   模型预测控制   模型预测转矩控制   多目标排序  

摘要： 全球面临的能源危机和环境污染等问题愈加严峻,研究与发展无污染、无排放的新能源电动汽车十分迫切。纯电动商用车的动力系统要适应复杂的工况、恶劣的环境和高的功率密度等要求,为了保证汽车行驶的舒适性、高效性和安全性,电机控制是电驱动系统的核心问题,所以研究高性能的电机控制算法具有重要意义。本文以新能源汽车驱动电机为研究对象,深入探讨了其数学模型并对其进行离散化处理,从控制原理上分别讨论了直接转矩控制(Direct Torque Control,DTC)、模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)等控制方法,并搭建仿真模型进行验证。基于结合两种方法的模型预测转矩控制(Model Predictive Torque Control,MPTC)提出了一种多目标排序的MPTC,该MPTC在较低的采样频率下能够保持较好的稳态性能。为保证MPTC的性能,采用龙伯格观测器估计电机的磁通和转矩,该观测器在较宽的速度范围内有较高的精度。利用图理论对可选的电压矢量进行分类同时对模型代价函数因子优化,并对硬件处理所带来的控制延迟,采用改进的欧拉法来对其进行补偿。为了避免MPTC权重系数的离线选择,在多目标排序的基础上,采用Tim-Sort方法降低了算法的时间复杂度,该方法能够进一步提升算法性能并将所提出的算法与普通的MPTC进行了对比。在此理论基础上,分别设计硬件电路与软件算法,并基于数字控制芯片STM32F4开发电机系统并实现了电机控制算法,通过对PMSM系统的仿真和实验结果,验证了所提出方法的有效性。该方法降低开关损耗和提高永磁同步电机的动态性能。

关键词： 新能源汽车   广义Bass模型   最优控制   销量预测   发展规划  

摘要： 近年来,能源短缺和环境问题日益严峻,发展新能源汽车成为了新的突破口。我国新能源汽车发展迅速,截止2021年底,我国新能源汽车市场进入爆发式增长的新阶段,私人消费比例和市场占有率都有显著增长。为了有效地协调新能源汽车发展规模、速度以及相关因素的关系,我国政府不断出台新能源汽车的发展规划。但是,新能源汽车作为一种新兴产业,仍处在高速发展阶段。故而,研究我国新能源汽车发展实际情况对我国制定战略规划具有显著意义。本文旨在预测我国新能源汽车的未来销量,在此基础上研究其最优发展路径并对各影响因素进行灵敏度分析。主要工作概括如下:1、在新能源汽车销量预测方面,本文基于Bass模型和广义Bass扩散模型拟合2011～2021年我国新能源汽车的销量。利用LM算法估计模型中的未知参数,通过对比发现广义Bass模型比Bass模型的拟合效果更好。该模型可以反映出我国新能源汽车的发展趋势,适用于我国新能源汽车的扩散分析,因此选定广义Bass模型预测2022～2035年我国新能源汽车销量。广义Bass模型结果显示新能源汽车销量会受到外部冲击的影响,冲击发生在2013年到2015年,且冲击作用为负向,并分析冲击发生的原因。2、为研究2022～2035年我国新能源汽车销量的最优发展路径,本文基于新能源汽车的发展过程,以上述研究所得的2035年预测销量结果作为发展目标,提出了一个含有非线性约束的离散时间最优控制模型。其中,控制变量为待优化的新增新能源汽车销量,目标函数为总成本函数最小化,总成本函数同时考虑能源、经济和环境效益,从经济、碳排放量、充电基础设施等方面引入非线性约束条件,同时给定控制变量的边界约束。然后,构造了基于梯度的优化算法求解该最优控制模型,得出2022～2035年我国新能源汽车的最优发展路径。结果表明本文构建离散时间最优控制模型合理,模型中所设立的目标可以实现。随后,利用灰色关联分析法筛选出与销量关联系数最高的三个影响因素,分别为技术创新、碳交易价格、充电桩数量。进一步对三个影响因素进行灵敏性分析,结果表明提高技术创新水平,碳交易价格的上升,增加充电桩数量将更快、更低成本地达到新能源汽车销量的发展目标。

关键词： 弓网系统   LQR最优控制   半主动控制   主动控制   遗传算法  

摘要： 在高速列车行驶时,随着车速的提升弓网间接触力振动愈来愈剧烈,弓网系统的受流质量随之降低。在弓网系统结构改善条件有限的前提下,本文采用三种LQR最优控制算法对弓网耦合控制系统进行优化,以此提高弓网系统受流质量。本文主要研究工作包括:首先,设置列车速度为250km/h,选择DSA350S型和SS4型受电弓作为本文研究对象,搭建符合其结构特点的弓网动力学模型,对两种型号弓网系统被动控制时的接触力以及弓头纵向位移进行分析,评价指标为最大值、最小值、平均值、标准差,确定了在不介入LQR最优控制下的弓网系统受流情况,方便将其作为对照组与后续控制方法进行对比分析。其次,针对弓网系统的时变特性采用LQR最优控制策略对其进行优化,通过LQR最优主动控制对弓网系统进行控制,通过状态反馈规律将控制性能指标与Riccati方程结合求出时变反馈增益矩阵,并通过时变反馈增益矩阵控制主动控制力。之后在此基础上引入Hrovat控制算法,将主动控制变为主动变阻尼控制即LQR最优半主动控制,在250km/h的速度下,通过模型仿真得到DSA350S型、SS4型弓网系统在上述两种LQR控制策略下接触力与弓头纵向位移各指标优化结果,结果说明两种控制方法都能有效改善弓网系统动态性能。最后,应用遗传算法的全局寻优能力对LQR最优控制加权矩阵进行寻优。首先选取接触力和弓头位移标准差作为优化目标,选用实数编码的方式设计适应度函数,将初始所有解依次赋值给权矩阵,并在约束条件下对权矩阵进行寻优,得到权矩阵Qdsa、Qss4的最优值,代入LQR最优控制器求出时变状态反馈增益矩阵,反馈增益矩阵能够降低接触力、弓头位移振动幅度,使弓网系统稳定受流。

关键词： IGBT模块   键合线失效   电-热耦合   热网络模型   寿命评估  

摘要： 焊接型IGBT(insulated gate bipolar transistor)模块被广泛应用于换流器中,器件的稳定工作能力与系统的可靠运行密切相关。其中,键合线断裂是IGBT模块最主要的失效方式之一,目前已经有了较为成熟的实现键合线断裂情况感知的在线监测方法。然而,现有针对IGBT模块的寿命评估方法并未考虑键合线失效状态对器件的影响,不能将键合线失效的在线监测数据纳入到对模块寿命的评估修正中,造成寿命预测结果偏乐观,反映不了真实的剩余寿命。为此本文提出了一种计及键合线失效的IGBT模块寿命在线评估方法,通过更新键合线失效模块的RC热网络模型评估寿命。本文主要工作和成果如下:首先,构建器件有限元模型和功率损耗模型,通过电-热耦合仿真,计算了1200V/50A IGBT模块在剩余不同数量键合线失效下的瞬态热阻抗曲线。并搭建瞬态热阻抗测量实验平台,分析了不同注入电流和键合线数量下的瞬态热阻抗曲线。仿真和实验结果互相验证,均表明随着键合线失效数量增加,瞬态热阻抗曲线抬升,稳态热阻抗增大,热阻抗变化量增加。之后,引入Foster热网络模型计算结温,基于变化的瞬态热阻抗曲线更新了器件的四阶热网络模型参数Ri和Ci,在MATLAB/Simulink中建立RC等效电路,设定DC/SPWM两种工况,输入环境温度和负载电流等,结温和电气参数迭代,得到结温随时间变化曲线。分析可知键合线失效使热阻增大进而使内部结温升高,模块承受了更严苛的热场环境,达到新的热平衡状态,结温曲线将作为后续寿命评估的数据基础。最后,通过雨流计数法统计了结温载荷分布,采用Lesit寿命预测模型和线性疲劳累积理论,计算了键合线失效器件在DC和SPWM两种工况下的功率循环寿命,方法可用于在线实时修正模块全周期寿命。此外,本文还给出了逆变器中IGBT模块的寿命在线评估流程,可通过在线监测手段获取键合线数量和当前电气量,匹配对应的热网络模型,评估计算模块的真实剩余寿命,有效提升设备管控效率。

关键词： 高速电梯   LQR控制   自适应   backstepping   逆最优控制  

摘要： 为满足城市化进程的发展,高层建筑一直以高速率的增长着,为了解决层数的不断增多、高度的不断增大带来的交通困难等问题,电梯设计时速必须不断提升。速度的提升,带来的直接影响就是,在低速下不成气候的导轨不平度激励、井道活塞风影响和曳引绳变长度诱导振动等产生的轿厢系统横纵向振动问题,目前成为了影响高速电梯乘坐舒适性和安全性的重要隐患。因此,设计出可以应对各项振动诱导因素,均能从容应对的主动减振控制策略,来改善轿厢乘坐环境,保障其安全,已成为电梯研究领域亟待解决的关键性问题之一。本文首先结合高速电梯的结构系统组成和实际连接的特点,对高速电梯动力学模型进行合理的简化,考虑导向系统因加工、装配和磨损产生的激励因素,建立高速电梯轿厢系统横向振动四自由度主动控制模型;其次,综合考虑导向系统激励和井道活塞风气动力激励等问题,构建轿厢系统横向振动八自由度主动控制模型;进一步,通过对所建模型的仿真结果与建大-富士制御电梯技术研究院的7m/s高速电梯实验塔的实验结果进行对比,验证了所建两项横向振动模型的准确性;其后,建立综合考虑曳引绳变长度诱导振动、曳引机的输出不稳定性和电梯紧急制动等状况的高速电梯轿厢系统纵向振动七自由度主动控制模型,为接下来的轿厢系统横纵向振动的主动控制研究提供了模型基础。针对所建立四个作动器沿轿厢架对角结构的轿厢系统横向振动四自由度主动控制模型,构建系统的状态空间方程,设计线性二次型最优(LQR)控制器,并通过李亚普诺夫稳定性定理证明其稳定性;进一步,针对黎卡提代数方程中的状态加权矩阵Q经验法取值时的繁琐与耗时等问题,提出应用步进量子遗传算法(SQGA)的智能寻优设计方法,以提高控制器设计性能;最后,通过MATLAB进行仿真,在时域和频域上绘制了轿厢横向振动加速度和振动位移的性能曲线,分别于GA-LQR控制器和LMI-H控制器的仿真结果进行对比,结果验证了本章所提出控制器的有效性。针对所建立的轿厢系统横向振动八自由度主动控制模型,考虑系统存在不可测状态和作动器的输入饱和现象,构建八个作动器的高速电梯横向振动主动控制模型的非线性状态空间方程,首先,利用模糊逻辑系统(FLS)处理方程中的非线性未知项,设计模糊自适应观测器用于状态估计和系统辨识;其次,结合自适应控制理论和反推设计技术,递归构造模糊自适应输出反馈控制器;进一步,通过稳定性分析证明所提出的模糊自适应backstepping控制策略不仅能保证系统的稳定性,还可以保证系统从状态到输出的半全局一致最终有界性;最后,通过对SQGA-LQR控制器进行数据对比,分析了轿厢系统的横向振动加速度及振动位移的时频域特性曲线,验证本章所设计控制对于非线性轿厢系统横向振动抑制的有效性和鲁棒性。针对所建立的高速电梯纵向振动七自由度主动控制模型,构建其主动控制模型的考虑状态不可测的非线性状态空间方程,首先,建立其辅助系统,设计模糊状态观测器用来观测和估计系统未知状态;进一步,采用自适应backstepping方法,遵循逆最优控制原理,设计模糊自适应backstepping最优控制策略;其后,经过稳定性分析得出,所提出的自适应模糊逆最优输出反馈控制策略不仅保证高速电梯轿厢姿态的稳定,而且实现对目标代价泛函的逆优化。最后,通过对高速电梯匀速运行和紧急制动两个典型阶段进行加速度时频域响应分析,并与步进量子遗传算法(SQGA)优化的线性二次型(LQR)控制器和基于状态相关Ricatti方程的次最优控制器(SDRE)的数值结果进行对比分析,验证了本章所设计控制器对于非线性轿厢系统纵向振动抑制的有效性和优越性。

关键词： 积分源项   抛物方程   能量方法   最优控制  

摘要： 本文主要考虑退化或一般非线性积分-微分抛物方程系数的反演问题,研究正问题解的适定性,以及在适当附加条件下反问题解的存在性、唯一性、稳定性和收敛性分析.此类问题在诸如污水治理、污染物挥发等领域中有重要应用.与常见的抛物型方程系数反演问题不同,文中的模型存在非线性函数项和积分型源项.这会导致相应的分析极为复杂,需要小心处理每一个积分项,否则难以得到解的稳定性和收敛性,这也是本文的重要难点.第一章主要介绍抛物型方程系数反演问题的研究背景和相关研究现状,并阐述了本文主要工作.第二章是研究通过附加条件来识别带有积分源项的非线性退化抛物型方程的扩散系数的反问题.主要讨论线性情况和幂指数型情况下的未知扩散系数的识别,运用了能量方法来证明在一定时间内已知某个内部数据的情况下,识别常数系数和幂指数的唯一性和Lipschitz稳定性.第三章是研究基于终点观测值来反演非线性-积分抛物型方程零阶项的问题.在最优控制的框架下建立了控制泛函,首先证明控制泛函极小元的存在性,并利用一些能量估计和Gronwall不等式得到极小元的必要条件.其次,由于最优控制问题的解是非凸的,故不存在全局唯一解,但通过极小元满足的必要条件及一些正问题解的先验估计,证明了极小元具有局部唯一性和稳定性.最后,引入源条件和正则性条件对极小元进行收敛性分析,可得到它的局部收敛性.第四章是对本文的研究工作进行了总结和展望.本文着重于对一维情况下的非线性积分-微分抛物方程系数反演问题进行理论分析,将在后续工作中考虑对此模型在二维情况甚至更高维情况下进行研究;其次,可以利用数值模拟来验证本文的准确性.