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关键词： 五相永磁同步电机   位置伺服系统   互补滑模控制   自适应互补滑模控制   滑模状态观测器   矢量控制  

摘要： 机电位置伺服系统是实现自动调炮炮塔系统的重要组成部分,决定着火炮火力打击的精确性和快速性。相比于三相永磁同步电机,多相永磁同步电机具有可靠性高、转矩密度大等优点,更能满足调炮炮塔对高可靠性的要求。本文以五相永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)为例,针对电机位置伺服系统在实际运行过程中,易受外部负载扰动、参数变化等不确定性因素的影响,通过引入自适应律和设计滑模状态观测器的方法,提出了自适应互补滑模控制(adaptive complementary sliding mode control,ACSMC)策略和基于滑模状态观测器的自适应互补滑模控制(adaptive complementary sliding mode control based on sliding mode state observer,SMSO-ACSMC)策略,以有效的提高电机位置伺服系统的位置跟踪性能、动态性能和抗扰性能。本文的主要研究内容如下:(1)简要分析五相PMSM基本结构,建立PMSM在自然坐标系下和同步旋转坐标系下的数学模型。搭建基于矢量控制的PMSM位置伺服系统,通过对位置伺服系统中不确定性因素的分析,建立含有不确定性因素的电机数学模型。(2)在滑模控制(sliding mode control,SMC)基础上,通过增设互补滑模面,设计用于PMSM位置伺服系统的互补滑模控制(complementary sliding mode control,CSMC)策略,有效提高位置跟踪精度。为进一步提高电机位置伺服系统的位置跟踪精度和高动态性能,在互补滑模切换控制中引入自适应律,等效控制中采用无积分作用,提出ACSMC策略。(3)为解决PMSM受不确定性因素影响而降低位置伺服系统的抗扰性能,基于状态观测器的思想,设计一种滑模状态观测器(sliding mode state observer,SMSO),观测位置伺服系统的不确定性扰动,并将其前馈补偿到ACSMC策略中,进而提出SMSO-ACSMC策略,确保位置伺服系统对不确定性因素的强抗扰性能。(4)搭建五相PMSM控制系统实验平台,并在此平台上完成本文所提出的ACSMC和SMSO-ACSMC策略的相关实验,且与SMC和CSMC策略进行对比分析,验证所提位置控制策略的有效性。

关键词： 能量总线   电池管理系统   移相控制   SOC估计  

摘要： 随着新能源技术的不断发展和人们绿色低碳意识的不断提升,能源发展加快向清洁低碳转型,储能模式及技术多样化发展,储能是支撑新型电力系统的重要技术和基础装备。新能源发电具有随机性与间歇性,供电形式和能量流动方向多样化,传统电力设备难以满足电能控制的多样性和复杂性的要求,分布式能源发电及与其匹配的储能装置广泛应用。储能电池单元是能量总线系统的重要设备,其电池管理系统具有重要的研究意义与应用价值。本文以电池管理系统为研究对象,从系统的拓扑结构、基本原理、控制策略等方面出发,重点针对系统的电池管理、充放电控制技术与电池荷电状态(State of Charge,SOC)估计展开研究,具体内容包括:通过对能量总线系统结构的研究,确定能量总线拓扑即系统整体设计方案;通过对系统工作方式的分析,研究了实现双向DC-DC变换器的稳压与功率可控的控制方法;根据系统功能便于电池管理与充放电控制,对电池进行实验测试并参数辨识,采用扩展卡尔曼滤波法对电池SOC进行估计。搭建能量总线拓扑仿真模型,仿真实验结果表明,能量总线拓扑结构运行稳定;对于变换器控制方法,在MATLAB/SIMULINK中搭建变换器电路仿真模型,仿真结果表明变换器控制方法能有效的完成预设的控制目标,稳态、动态性能良好;依据实验数据,建立扩展卡尔曼滤波SOC估计模型,估计结果具有较高精度,符合设计要求。对实验样机的软硬件具体实现进行设计。搭建实验样机,完成了电池进行充电、放电实验,并对DC-DC变换器的运行波形进行测试,实验结果基本符合设计要求,且变换器运行在软开关状态。上述实验结果验证了本文所设计能量总线电池管理系统运行的稳定性与可行性,所设计电池管理系统与DC-DC变换器能够应用于能量总线系统。

关键词： 电压源型换流器   弱电网   极坐标系   瞬时电流控制   李雅普诺夫第一方法  

摘要： 近年来,随着我国对清洁能源的开发利用,高比例新能源通过远距离线路接入电网后实际上形成了分布式电源与电网连接程度降低的场景。新能源大多采用电压源型变换器(voltage source converter,VSC)接入交流电网,然而在弱电网环境下的VSC系统动态特性与控制系统间的交互作用可能引发系统振荡,进而威胁到新能源并网和交直流输电系统的安全稳定运行。根据目前能源发展趋势,未来接入电网的VSC端口数、容量将会持续增加,因此目前常用的VSC控制策略无法满足将来新能源并入电网的稳定性需求。基于上述背景,本文就弱连接系统下VSC的新型控制策略设计以及所设计策略的稳定性分析进行了研究,为进一步提高新能源并网、交直流输电系统的安全稳定运行水平提供了解决思路和方案。完成的主要工作概括如下:首先,从狭义动力学理论出发,将三相交流弱电网系统中的电容储能,电感储能,电阻耗能以拉格朗日体系的能量守恒原则建模,然后结合现代控制理论获得了极坐标系下VSC接入弱电网系统的电路状态方程,最后提出的控制系统设计理论阐明了本文所设计控制策略的步骤和原因。其次,基于引起弱电网发生振荡的因素和建立的电路状态方程,设计了适用于VSC接入弱电网的变流器控制策略,频域稳定性分析表明了本文设计的电流控制在可控频带内有良好的追踪能力,功率有解区间的计算从潮流分析的角度解释了弱电网连接程度对稳定性的影响,设计的频率观测器避免了因锁相环参与导致的弱电网系统发散。最后,使用李雅普诺夫第一方法对本文设计的极坐标矢量控制策略进行了稳定性分析。以连续系统近似代替设计的离散控制器,对系统状态变量的小扰动方程的显式解进行了特征值分析,并进行了电磁暂态仿真验证和传统控制策略对比。结果表明设计的控制策略具有良好的稳定性和抗干扰能力。

关键词： 压接型IGBT器件   数字孪生建模   老化失效模拟   在线状态评估  

摘要： 压接型绝缘栅双极型晶体管(Press Pack Insulated Gate Bipolar Transistor,PP-IGBT)具有低损耗、高功率密度、双面散热、短路失效等优势,在柔性直流输电中得到越来越多的应用,因此压接型IGBT的安全运行对保障柔性直流输电的可靠性至关重要。在长期运行中,微动磨损是压接型IGBT最主要的失效模式,然而压接型IGBT器件结构紧凑复杂,现有方法难以对压接型器件微动磨损老化状态进行准确评估,因此亟待展开对压接型IGBT的老化状态在线评估方法的研究。论文以压接型IGBT器件为对象,结合数字孪生技术,开展器件多物理场数字孪生体建模、微动磨损老化模拟、器件老化状态评估研究。论文的主要研究内容包括:(1)针对现有离线电热模型难以在线动态表征压接型IGBT器件内部温度分布的问题,提出压接型IGBT器件多物理场数字孪生体建模方法。首先,结合压接型IGBT特性,提出基于功率损耗的数字孪生体建模方法,基于奇异值分解法对压接型IGBT温度场分布进行数据压缩;其次,构建压接型IGBT多物理场数字孪生体,并进一步在数字孪生体与实际物理数据之间构建数字接口以实现虚实数据结合;最后,对比验证数字孪生体输出的温度分布与红外摄像仪输出的温度分布。(2)针对现有压接型IGBT器件微动磨损模拟方法难以同步反映现实器件老化模拟的问题,提出基于数字孪生的压接型IGBT器件在线微动磨损老化模拟方法。首先,分析微动磨损过程中压接型IGBT的接触热阻上升现象,提出基于数字孪生的压接型IGBT在线微动磨损老化建模方法;其次,开展压接型IGBT子模组微动磨损老化实验,基于神经网络模型,提出压接型IGBT子模组接触热阻的计算方法,构建考虑接触热阻变化的子模组数字孪生体模型;最后,构建多芯片压接型IGBT模组数字孪生体,通过实验验证了压接型IGBT微动磨损老化模拟方法的准确性。(3)针对现有方法难以对压接型IGBT器件微动磨损老化状态进行在线评估的问题,提出压接型IGBT器件微动磨损老化状态在线评估方法。首先,考虑各硬件设施的通信互联方式与不同软件组件的协同关系,构建压接型IGBT数字孪生状态评估交互系统;其次,基于响应面法构建压接型IGBT微动磨损老化状态评估模型;最后,对压接型IGBT在功率循环工况下的微动磨损老化状态进行在线评估。论文研究成果为大功率压接型IGBT器件数字孪生建模、老化模拟、状态评估提供技术手段,为数字孪生技术在电力电子器件领域的静态模拟至动态失效演化奠定研究基础,提供理论支撑。

关键词： 永磁同步电机   矢量控制   PI控制   滑模控制   模糊控制  

摘要： 永磁同步电机(Peranent Magnet Synchronous Motor,PMSM)因其具有结构简单、运行可靠、功率因数高等优势,被广泛应用于工业生产、电动汽车等领域。但因PMSM具有强耦合、多变量以及非线性等特点,其对控制系统的要求较为严格。此外,精确的转子位置信息是矢量控制的前提,而位置传感器在使用过程中易受外界环境影响且成本较高。因此开展无位置传感器矢量控制研究具有重要意义。滑模控制对非线性系统控制效果好且具有较强的鲁棒性,在PMSM中应用广泛。故本文将主要针对滑模算法在PMSM无位置传感器和转速环控制中的应用展开研究。首先,针对传统滑模观测器在无位置矢量控制系统中估算出的转速和转子位置存在高频抖振和相位滞后问题,通过引入高阶滑模理论设计了超螺旋滑模观测器,省去传统滑模观测器所存在的低通滤波环节,抑制了抖振和相位滞后问题。其次,针对超螺旋滑模观测器存在因滑模增益固定而导致的观测范围有限与精度不高的问题。通过引入模糊控制,设计了模糊超螺旋滑模观测器,实现了滑模增益的自适应整定,解决了滑模增益固定所存在的问题,观测精度和范围都有所提高。再次,针对在PI双闭环PMSM矢量控制系统中PI控制器存在鲁棒性差、对参数变化敏感等缺点,使得其无法满足PMSM调速系统的控制要求。故在传统指数趋近律的基础上提出了一种新型指数趋近律,基于新型指数趋近律设计了滑模速度控制器。同时,鉴于外部干扰可能给控制器带来不利的影响,设计了扰动观测器对外部干扰进行检测,并将干扰检测值传递至滑模控制器,从而降低外部干扰对滑模速度控制器的影响。最后,为使系统取得最佳的控制效果,将基于新型指数趋近律的滑模速度控制器和扰动观测器用于模糊超螺旋滑模观测器PMSM无位置传感器矢量控制系统中用以取代PI控制器,组成一个双滑模控制系统。文中所提算法均在Matlab/Simulink平台搭建仿真,对控制性能进行对比验证,结果表明所提算法可行且具有一定的优越性。

关键词： Timoshenko梁   指数稳定   分数阶导数   多项式稳定   稳定性频域条件   最优控制  

摘要： 随着机器人科学和空间技术的发展,带有智能的柔性结构材料被广泛应用.Timoshenko梁模型作为精确的弹性梁模型之一,在实际应用中起到了关键的作用.因此,对Timoshenko梁性能的研究不但有理论价值,而且有广泛的工程指导意义.由于在实际工程应用中,边界反馈控制较内部控制便于操作,因此更吸引学者的广泛关注.本文主要研究了两类具有不同类型边界阻尼的Timoshenko梁系统的稳定性与最优性.一类是具有边界速度反馈阻尼(强阻尼)的Timoshenko梁系统,另一类是具有分数阶边界阻尼(较弱阻尼)的Timoshenko梁系统.对于系统稳定性的分析,主要采用算子半群理论和频域法,得到了第一类系统的能量是指数稳定;而第二类系统的能量是非指数稳定,但在一定条件下,系统满足多项式稳定.对于系统的最优性,运用滚动时域的方法,得到这两类系统的最优状态轨线都是指数衰减的.全文共五章.第一章,介绍了控制理论的发展过程,分析了分布参数系统稳定性和最优性的发展现状,最后给出了本文主要内容.第二章,介绍了一些基本概念和理论为探究系统稳定性和最优性做铺垫.第三章,考虑具有边界反馈阻尼的Timoshenko梁系统:(?)其中(?)首先,将系统转化为抽象的Cauchy问题,运用算子半群理论得到系统的适定性.再通过系统指数稳定的频域等价条件,证明系统的能量是指数稳定.其次,运用滚动时域方法,借助Bellman最优性原理,证明有限时域内的最优轨线具有指数衰减性,进一步拓展得到无限时域中的次最优轨线是指数衰减的.第四章,考虑具有分数阶边界阻尼的Timoshenko梁系统:(?)首先,将系统重新表述为增广系统,由系统稳定的频域等价条件,证明当空间维数d>2α+1时,系统不是一致指数稳定的.然后,借助辅助系统,对系统能量进行估计,证明了系统是多项式稳定的.其次,运用滚动时域法来证明最优轨线指数衰减.第五章,简要总结全文,并给出展望.

关键词： 车联网   NR-V2X   同步信号检测   载波频偏估计与补偿  

摘要： 车联网(Internet of Vehicles)是一个由车辆位置、速度、路线等信息组成的交互式网络。随着通信技术的发展,形成了基于车内网络(车内局域网)、车间网络(车对车)和车载互联网(车对车以太网连接)的综合网络,该综合网络根据约定的通信协议和数据交互标准,构建了在V2X(车对车辆、道路、行人和互联网)之间进行通信和信息交换的系统网络,用于支持实现智能交通、智能车辆和智能驾驶的信息传输。对于车外互联通信,车辆采集的数据传输可以在物理层进行,同步技术是物理层算法中的一项关键技术。车联网的V2X通信系统在进行数据传输时对同步错误比较敏感,同步误差会引起系统信噪比的降低,对系统的性能造成较严重的影响,故车联网的V2X通信系统的同步技术亟待研究。本文以5G车联网为背景,针对车联网的V2X通信系统在高载波频率、低信噪比以及高速移动环境下同步精度不高的问题,以5G的NR-V2X通信系统为研究对象对同步过程中的相关问题进行研究,在常见的同步算法的基础上,根据NR-V2X系统中侧链Sidelink同步信号和导频的特点,提出了改进的同步算法,以满足在NR-V2X系统下对于同步性能的要求。本文所做的主要工作有:(1)提出了一种整数载波频率偏移(ICFO)和NR-V2X系统中的侧链主同步信号(S-PSS)联合估计算法和分段联合估计算法。利用S-PSS在时域上是两个连续的OFDM符号的特点,在傅里叶变换(FFT)之后,通过S-PSS的差分平均相关,然后进行ICFO与S-PSS的联合估计以及分段联合估计。通过仿真分析对比两种算法的复杂性以及检测性能,分段联合估计算法在达到了预期目标检测性能的同时,与联合估计方法相比降低了复杂度,适合在NR-V2X系统中使用来提升NR-V2X系统同步性能。(2)在高速环境下提高多普勒频偏估计精度是一个重要研究问题。本文在NRV2X的基础上,根据TCN神经网络的特点,提出了一种基于深度学习的多普勒频偏估计算法,并与其他频偏估计算法进行对比分析。通过仿真分析结果,验证了本文所构造的神经网络在高速移动环境下对多普勒频偏的估计准确性,并且相对于其他算法有明显的提升,能够很好的适应高速环境。

关键词： 芯片焊料层   热疲劳损伤   评估参数   电热耦合模型   数据驱动  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）作为柔性直流换流阀的核心部件,其可靠性直接影响到柔直输电线路的安全运行。随着电压等级与功率密度不断提高,IGBT模块工作时受到的机械负荷与热负荷愈发严重,其芯片焊料层易发生空洞、裂纹、脱落等热疲劳损伤,进而致使模块可靠性降低,因此实现IGBT模块芯片焊料层的状态评估尤为关键。相较于传统模型驱动的状态评估方法,数据驱动方法无需复杂的物理建模与机理分析过程,可以利用算法挖掘器件相关数据内隐藏的状态信息,更加适用于IGBT模块这类具有高维度、强非线性等特点的电力电子设备。本文基于数据驱动方法对换流阀用IGBT模块芯片焊料层的疲劳状态进行评估,主要研究内容如下: （1）针对IGBT模块芯片焊料层状态评估参数选择问题,通过研究IGBT模块导通时工作原理与物理结构、分析芯片焊料层疲劳失效机理和疲劳扩展机制,从参数的表征能力、可监测性与数据获取难易等角度出发,在常用的IGBT老化参量中选定模块运行时的最大温度、最小温度与集射极压降共同作为芯片焊料层的状态评估参数,并对评估参数与芯片焊料层疲劳状态之间的相关性进行分析证明。 （2）针对芯片焊料层不同疲劳状态下IGBT模块评估参数数据获取问题,建立考虑芯片焊料层不同疲劳损伤状态下的IGBT模块电热耦合模型。即利用仿真软件模拟IGBT模块芯片焊料层不同类型疲劳的萌生及扩展,通过有限元计算获取芯片焊料层不同疲劳类型、不同疲劳程度时IGBT模块对应的评估参数数据。 （3）针对芯片焊料层疲劳状态与评估参数数据之间呈现非线性、相互交叉等问题,提出基于数据驱动方法选择多种算法共同实现由评估参数到芯片焊料层的疲劳状态评估。首先选择适用于小规模数据高精度分类的支持向量机算法（Support Vector Machine,SVM）建立评估参数与芯片焊料层疲劳类型之间的映射关系,以实现疲劳类型诊断;其次选择具有更强泛化能力与学习能力的集成算法（Ensemble Learning）建立评估参数与芯片焊料层疲劳程度之间的拟合关系,以实现疲劳程度识别;最后选择适用于时间序列预测的长短时记忆网络（Long Short Term Memory,LSTM）对IGBT模块未来评估参数进行预测,以实现健康预测。 研究结果表明当前测试数据疲劳分类准确度高达96.7%,疲劳程度识别拟合优度R2为0.991,健康预测平均相对误差MAPE低至1%,算法训练用时为秒数级,评估方法准确性、实时性均可满足工程需要,可以实现对IGBT模块芯片焊料层疲劳状态的全面感知、精确评估和主动预测,为模块运维提供可靠依据。

关键词： 绝缘栅双极型晶体管   可靠性   结温计算   温敏参数  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)具有高功率密度、高效率、灵活可控和易于集成的优点,已经成为功率转换系统的核心部件。然而,IGBT模块也是功率转换器中最脆弱的部件之一,且热应力是导致IGBT模块失效的主要原因。为提高IGBT模块的可靠性,本文主要对导致IGBT模块结温异常的因素进行了研究,讨论了芯片焊料层老化、导热硅脂老化和键合线老化对结温的影响,并建立了相关结温模型,通过仿真和实验验证了模型的准确性。首先,本文以IGBT模块为研究对象,建立了有限元仿真模型,通过有限元仿真分析了芯片焊料层存在空洞时IGBT模块结温的变化规律。研究发现,当空洞率从0%增加到40%时,芯片层温差从9.591℃增加到109.86℃。基于存在焊料层空洞时IGBT模块的热流规律,建立了基于热流分布考虑焊料层空洞的热网络模型。通过有限元和实验证明,与传统的Cauer模型相比,本文所提模型不仅在结温计算上具有更高的精度,而且可以准确地监测芯片层的水平温差。其次,IGBT模块内部多芯片工作时,存在热耦合效应。在正常使用中,为了保证散热效率,一般会在IGBT模块的铜基板和散热器之间敷涂导热硅脂,但是随着导热硅脂的干涸和泵出,会影响热耦合模型结温计算的准确性。通过研究导热硅脂老化时IGBT模块真实的传热规律,对导热硅脂老化时各层材料的传热角度和传热面积进行修正。建立考虑导热硅脂老化的热耦合网络模型,该模型可以准确修正导热硅脂老化时的自热阻抗和耦合热阻抗。实验测试和有限元仿真结果表明,在导热硅脂缺失时,该模型计算结温的误差在0.8℃以内,验证了模型的准确性。最后,考虑IGBT模块键合线老化的情况,在IGBT模块通态压降的基础上,通过代数运算消除了封装电阻的影响,提出了不受键合线老化影响的温敏参数芯片通态电阻差值。大电流负载下,芯片通态电阻差值的温度灵敏率比起通态压降有很大提升,分别为0.29%/℃和0.12%/℃。通过实验证明了芯片通态电阻差值相比于通态压降具有更优的结温计算能力并且不受键合线老化的影响。