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关键词： 变频器   故障诊断   电磁干扰   小波变换   矩量法  

摘要： 矿用变频器依靠其节能高效的调速优点在电机运行中发挥着重要的作用，一旦发生故障会对整个控制系统产生不良影响。本文选择对电磁干扰和信号干扰现象进行了分析，采用小波变换的方法将信号分解成不同尺度和时间上的小波函数，可一一对应提取出有效的变频器故障特征信号数据，建立了和不同故障类型更加准确清晰的关系式。利用矩量法通过离散和检验两个过程，将复杂的电磁干扰信号由积分方程转化为较为简单的矩阵求解，以便对其展开进一步故障诊断。最后提出了降低不良干扰导致故障发生概率的几种措施。

关键词： 定位纠偏   矢量控制   FPGA   边缘检测  

摘要： 当前,大理石、花岗石等天然石材以其独特多样、持久耐用的特点被广泛应用于公共设施建设领域。在石板加工过程中,卸石板工序是其中的必要环节,一定程度上决定了石板产品的质量、生产效率和石板利用率。由于国内石板加工自动化水平较低,卸石板工序多由人工手动操作冲击钻,先在石板与底板接合部附近上钻划出裂缝,然后再通过手工扳裂石板接合部将石板卸下。本文旨在研究划裂缝机械装置的定位纠偏系统,其中以花岗岩石板为研究对象,采用FPGA为控制器,利用图像处理技术获取石板底部和石材底板相接的边缘位置信息实现定位,引入矢量控制作为电机的纠偏控制方案。本文主要的研究内容有如下几个方面:(1)按照定位纠偏控制系统总体要求,设计本系统的划裂缝机械装置方案、划裂缝电机控制方案和石板目标位置的定位方案。确定滚珠丝杠的传动方案;构建永磁同步电机以及SVPWM的模型,以实现矢量控制;提出使用图像处理技术获取石板目标位置的定位方案。(2)选用FPGA开发板作为主控制器,加上图像传感器、模数转换器构成的采集模块,TFT显示屏构成的显示模块,伺服电机与驱动器构成的驱动模块。另外光照部分选用高均匀LED条形光源和光源模拟控制器。以上共同构成本系统的硬件结构并完成实验台的构建。(3)将图像处理算法移植到FPGA平台,通过自顶向下的设计思想完成软件结构的搭建、设计、仿真以及板级验证,实现石板正面和底板顶面图像的实时采集、处理以及显示,经过边缘检测获取二值化图像的前两个边缘部分的像素行坐标,利用像素行坐标之间的差值进而推算出石板目标位置的坐标信息。(4)进行石板图像的目标位置定位实验测试,实验结果表明:与人工测量对比最大误差在1mm以内。构建永磁同步电机的矢量控制模型,通过PI控制器测试位置环部分的纠偏效果,综合各模块功能进行石板划裂缝实验测试,实验结果表明:冲击钻的钻头定位精度符合预期,验证了定位纠偏控制系统的可行性。

关键词： 航空电动燃油泵   流量控制   矢量控制   预见控制   容错控制  

摘要： 多电发动机是目前航空动力系统领域的重要革新方向,其目的是用电力取代部分的机械和液压结构,使发动机的性能得到全面提升。航空电动燃油泵作为多电发动机燃油系统中的供给装置,要求其具备极宽的调节范围、极快的动态响应以及极高的稳态精度。但是,航空电动燃油泵这一部件具有复杂的非线性特征,同时面临诸多不确定性因素的干扰,增大了控制器设计难度。此外,考虑到发动机高温、高压、强振动的极端工作环境,容易导致航空电动燃油泵关键部件故障,严重危害系统安全。本文针对航空电动燃油泵高性能、高可靠要求,研究其流量控制系统的控制器设计问题以及典型故障情况下的容错控制问题。具体内容如下: 首先,采用一种基于双三相永磁同步电机直接驱动外啮合齿轮泵架构的航空电动燃油泵系统,建立这两大部件的数学模型,为后续仿真模型的搭建与控制器的设计打好基础。 然后,针对双三相电压源逆变器推导出一种三相解耦的PWM控制算法,在此基础上建立航空电动燃油泵流量控制系统仿真模型;接着提出一种基于自适应滑模反馈线性化的预见流量控制器设计方法,利用反馈线性化方法处理电动燃油泵这一非线性模型,自适应滑模控制策略消除建模误差和负载扰动带来的线性化误差,预见控制提高系统对燃油指令的响应速度。 其次,针对位置传感器的失效故障,根据定子磁链方程,利用最小化目标函数并考虑等式约束的非线性优化方法,得到转子位置的在线估计值,实现故障状态下无传感器冗余切换容错控制;针对双三相永磁同步电机的一相开路故障,提出了一种基于电流优化的容错控制方案,将开路故障问题转化为定子参考电流的优化问题,利用一种改进的灰狼优化算法实现了参数的寻优;针对执行机构的偏差故障,基于非线性故障估计器的积分滑模控制律实现对故障的精确补偿,利用自适应动态规划方法得到标称系统的最优控制律,实现了故障下的容错控制。 最后,搭建了一个小型的电动燃油泵实验平台。基于STM32开发板构建硬件平台,利用STM32 MC SDK工具和Keil SDK开发软件程序,验证所提出的基于自适应滑模反馈线性化的电动燃油泵系统预见流量控制器的有效性。

关键词： 矫直机电动压下系统   传动系统误差模型   矢量控制   模型参考自适   MRAS无速度传感器矢量控制  

摘要： 随着机械行业的不断发展,对矫直机设备的需求也在不断增加,因此需要持续的开展矫直技术和设备的研究工作,以满足市场的多样化需求,并推动整个行业的进步和发展。电动压下系统作为矫直设备中的核心部件,其控制性能直接关系到整个工艺流程的稳定性和精度。研究电动压下系统的组成和控制策略,可以大幅度提升矫直精度,降低生产成本,从而提高矫直行业的制造力。本文结合实际情况研究矫直机电压下系统的传动误差模型、电机驱动控制算法、硬件系统,针对电机地中速扰动问题,基于观测器的方法研究无速度传感器矢量控制系统。首先分析了矫直机压下系统的原理、影响矫直的机械传动系统误差,考虑传动系统间隙的影响因素后,建立压下系统传动误差控制模型。其次针对电动控制系统采用设计双闭环的调速设计方案,建立三相异步电机在不同坐标系下的数学模型,设计无速度传感器矢量控制模型。针对无速度传感器矢量控制模型的不足之处进行方案改进,改进方法主要是利用模糊PI优化双闭环调速系统,利用滑模控制优化转子磁链的MRAS模型。利用MATLAB/Simulink进行仿电机运动仿真。改进后的MARS的磁链模型的电动压下系统控制具有响应快、鲁棒性强、强抗干扰能力和提高了精度,为矫直机行业提供可靠的技术基础,实现了对矫直机电动压下系统的动态响应和控制,对矫直机控制领域做出贡献。最后设计基于西门子S7-1500PLC进行电动压下系统实验设计,其中包含控制方案的设计,系统硬件的选型和在博图TIA仿真软件里进行硬件组态、参数设置、梯形图编程,最终实现矫直机压下系统的控制。

关键词： 异步电机   参数辨识   全阶磁链观测器   矢量控制   无速度传感器控制  

摘要： 无速度传感器控制可以降低硬件成本、减少信号干扰、简化系统结构和高可靠性等优点,在工业生产中得到广泛的应用。为提高无速度传感器控制系统的可靠性,研究了自适应观测器并改善转速估计的性能,提高了控制系统的稳定性。电机参数会对矢量控制中的磁场定向产生影响,参数不准会导致异步电机矢量控制系统性能下降。本文以磁场定向控制为基础,对异步电机无速度传感器控制矢量控制系统和参数在线辨识展开了研究。论文的主要研究工作如下:1.简述了异步电机控制技术发展历程,对比常用的电机转速估计方法。然后分析研究电动机的数学模型,并阐述矢量控制的基本原理,根据数学模型建立了前馈解耦的矢量控制系统,阐述了异步电机电流环和转速环的PI参数设计方法。2.研究了全阶磁链观测器的转速估计方法,对全阶观测器深入分析了转速估计的稳定性,为提高转速自适应的性能,采用反馈增益矩阵使观测器的极点在异步电机极点的左侧,起到了加快观测器收敛和提高了观测器在定子电流频率较低时系统稳定的作用,反馈增益矩阵采用极点左移法和极点倍数法,减少观测器与电机的状态变量误差。分析了定子电流励磁分量误差导致磁链误差对转速估计的影响,并在转速自适应律中引入了励磁电流误差。其次,介绍了观测器的数字离散化方法。3.由于定子、转子电阻参数不准会对转速观测和磁链估计产生误差,采用全阶磁链观测器的参数辨识,并分析了定子、转子电阻参数对间接磁场定向的影响,用Lyapunov稳定性定理推导出了定子、转子电阻的自适应律,实现了在无速度传感器的条件下辨识定子、转子电阻以及高速时同时辨识转速和转子电阻。

关键词： 手足口病模型   空间异质性   阈值动力学   Markov切换   接近最优控制  

摘要： 手足口病是由病原体引起的一种全球性传染病,因为病原多,传播范围广,所以时常发生.近些年来,重症型手足口病给孩童的健康带来了不良的影响,并且给国民经济造成了严重的损失.为了提供有效的控制和预防策略,通过建立数学模型来描述手足口病传播的内在机制,已被应用于手足口病的研究之中.为此,本文研究内容主要有以下两方面:1.研究具有反应-扩散的手足口病模型在有界空间域上的长期动力学行为,通过考虑手足口病的高传染性,建立了本文第二章要研究的模型.首先分析了该模型的适定性,证明了全局解的存在性,解的一致有界性,然后给出了基本再生数?0,并证明了它的动力学性质.最后利用Bellmans最优性原理,给出了Hamilton-Jacobi-Bellman方程,证明它解的存在性,通过数值仿真验证其结果.2.在带有Markov夫切换的随机手足口病模型中引入脉冲接种策略.研究随机手足口病系统的接近最优控制问题,其中目标函数为治疗手足口病中所需要的成本,根据伴随方程的估计,进一步给出接近最优控制的误差估计,利用Hamiltonian函数建立了接近最优控制存在的充分条件.基于随机极大值原理,证明接近最优控制存在的必要条件.通过数值算例验证其结果.

关键词： Cryogenic   current measurement   double pulse test   IGBT   MOSFET  

摘要： Cryogenic propulsion with hydrogen fuel cells replacing fossil fuels is a promising solution to cut carbon emissions in the aviation sector. Hydrogen will also be used for cooling the superconducting machines and power converter circuits. This article aims to test devices suitable for power electronic converters supplying a 1.6 MW superconducting machine. SiC MOSFET and Si IGBT modules with ratings of 1200 V and more than 450 A are selected to assess their performance at different temperatures. Four tests are conducted to determine: 1) the forward voltage drop, 2) the breakdown voltage, 3) the switching behavior, and 4) their operation with two modules in parallel. A bespoke current sensing rig has been developed that avoids the need to extend conductors outside the cryogenic zone in the switching losses measurement test. This configuration introduces minimal stray inductance into the circuit, which minimizes errors in the measurement. One of the aims of this article is to assess the suitability of different module technologies for SiC MOSFET and Si IGBTs in cryogenic applications. Six power modules (SiC MOSFETs and Si IGBTs) were evaluated at both room and cryogenic temperatures. Three of the modules employed conventional bond wire technology, while the other three utilized solid cover (SLC) technology that has no internal bond wires. It was found that the modules which employed SLC technology were the only ones able to survive the extreme temperatures. Following this, a comparison was made between the energy losses of the three SLC modules (two Si IGBTs and one SiC MOSFET) that were able to withstand low temperatures. The results indicated that the performance of the SiC MOSFET module worsens at cryogenic temperatures, whereas the performance of the Si IGBT modules improves with decreasing temperatures. Finally, an inverter simulation was conducted with each of the IGBT modules to estimate the efficiency.

关键词： PMSM   矢量控制   飞蛾扑火算法   双电机同步消隙  

摘要： 为使某防空火箭炮能够应对越来越复杂的使用场景,进一步提高其伺服控制系统的响应速度、控制精度以及鲁棒性。本文从永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor,缩写为PMSM)控制算法以及双电机消隙控制两个方面开展研究,并搭建了伺服控制试验台对设计的控制算法进行实验验证。本文主要内容如下:(1)对伺服控制系统进行建模,搭建了基于矢量控制策略的PMSM控制模型。(2)针对飞蛾扑火算法(MFO)的算法易早熟,计算后期收敛速度慢且易陷入局部最优等问题,将列维飞行策略以及遗传算法的交叉和突变运算引入传统MFO算法,提出一种新型的改进飞蛾扑火算法(IMFO),并对算法的寻优能力进行了仿真验证。将IMFO算法与传统PID控制相结合设计出一种基于IMFO-PID的PMSM三闭环控制器,并使用正弦与阶跃两种信号测试算法控制电机的位置追踪能力,对其进行了仿真验证。结果表明IMFO-PID控制器能够有效地提升PMSM矢量控制系统的精度以及鲁棒性。(3)针对伺服控制系统中普遍存在的非线性齿隙问题设计了一种双电机同步消隙控制策略,设计了双电机同步控制器和双电机消隙控制器,完成仿真验证。结果表明同步控制器与消隙控制器能够有效消除齿隙对系统造成的负面影响,提升系统的稳定性和同步性。(4)完成机械结构设计和电气元件的选型,设计并搭建了伺服控制试验系统。该实验台最大支持四台电机同时驱动,能够满足使负载惯量在电机输出惯量的最大五倍之内自由调节,并对上述仿真内容进行了对比实验验证。实验结果表明各个控制器均能有效的增强位置追踪的准确性同时提升系统的稳定性。

关键词： IGBT   可靠性   寿命预测   温度循环   功率循环  

摘要： 随着电力电子技术的发展,绝缘栅双极型晶体管IGBT因其低损耗、低导通电阻和高开关速度等优点逐渐成为电力电子系统的核心部件。但在IGBT模块长期服役过程中,受器件内外部因素影响,会发生可靠性问题以及产生老化失效现象。有研究表明,50%的IGBT功率模块失效是由焊料层故障引起,而恶劣温度载荷、功率载荷对焊料层寿命影响最为显著,因此对功率器件焊料层失效机理、失效过程和可靠性问题进行研究显得尤为重要。本文设计了一种新型的碳化硅IGBT模块封装结构;基于ANSYS有限元分析软件,对IGBT模块可靠性进行仿真研究,分析不同材料焊料层对IGBT模块寿命的影响规律;探究不同类型、不同程度损伤的裂纹对IGBT模块结壳热阻的影响。本文主要工作归纳如下: (1)设计了一种新型的芯片曲线排布双桥臂双面散热碳化硅IGBT模块封装结构。基于工艺标准,设计了一种六因素(纳米银层厚度、Au Ge厚度、钼柱高度、芯片左右间距、芯片上下间距、散热底板厚度)五水平的正交试验;利用极差与方差法分析得到了影响试验指标(芯片结温)的因素主次为钼柱高度>散热底板厚度>芯片左右间距>芯片上下间距>纳米银层厚度>Au Ge厚度,确定了IGBT模块最优结构组合为纳米银层厚度0.13mm;Au Ge厚度0.1mm;钼柱高度4mm;芯片左右间距1.8mm;芯片上下间距2.8mm;散热底板厚度6mm。 (2)建立了双面散热碳化硅IGBT模块模型,利用ANSYS Workbench进行热-结构耦合仿真,分析模块在-65℃～+175℃温度循环载荷下的应力应变响应特性,确定危险焊料层位置;采用基于塑性应变的Coffin-Manson模型预测模块疲劳寿命;探究焊料层在三种不同封装方案下对IGBT模块疲劳寿命的影响。结果表明,采用纳米银作为焊料层与缓冲层的方案1寿命最长为1600.4h;焊料层为纳米银,缓冲层为Sn5Pb92.5Ag2.5的方案2寿命次之为1225.1h,寿命下降了23.5%;采用Sn5Pb92.5Ag2.5作为焊料层与缓冲层的方案3寿命最短为554.7h,寿命下降了65.3%。 (3)分析了IGBT模块在功率循环载荷下的热响应特性,采用改进的Lesit模型预测IGBT模块疲劳寿命,得到双面散热碳化硅IGBT模块功率循环疲劳寿命为5229.9cycles,即871.65h。基于裂纹扩展理论,利用ANSYS有限元软件探究焊料层边缘裂纹率对IGBT模块结壳热阻的影响。结果表明,当裂纹率为0%时,最高结温为151.99℃,裂纹率分别为2%、5%、7%、10%时,最高结温分别为152.82℃、154.92℃、162.8℃、171.24℃,对应的温度分别上升了0.55%、1.93%、7.11%、12.7%;且当裂纹率小于5%时,结壳热阻变化很小;当裂纹率大于5%时,结壳热阻随裂纹率增大呈指数增长。最后分析边缘裂纹、尖端裂纹、随机裂纹三种不同类型裂纹对IGBT模块结壳热阻的影响。研究表明,当裂纹率小于5%时,不同裂纹类型对其热阻的影响并不显著;当裂纹率大于5%时,尖端位置裂纹的IGBT模块结壳热阻骤然升高,随机裂纹次之,边缘裂纹变化最小,相比随机裂纹和边缘裂纹,尖端裂纹对IGBT模块结壳热阻影响最为显著。

关键词： 微纳马达   纳米颗粒集群   磁场驱动   运动行为   矢量控制   液滴机器人  

摘要： 微纳马达由于体积小、行动灵活等特点，在生物医疗、环境检测治理以及微纳米制造等领域有着广阔的应用前景。其中，磁性微纳马达由于具有可控性强、控制简单以及生物相容性好等优势，近年来受到了国内外学者的广泛关注。然而，受尺度限制，单个微纳马达无法应对大尺度环境污染、大面积组织病变等问题，极大的限制了它的应用发展。因此，具有高鲁棒性、高扩展性以及强环境适应性的磁性纳米颗粒集群技术成为近年来新兴的研究方向。本文针对现有磁性纳米颗粒集群的构型稳定性、环境适应性和复杂任务作业能力等方面的不足，搭建了可视化电磁操控实验系统，开展了磁性纳米颗粒的集群构建、多模态运动、多功能性以及自适应变形特性等方面的系统研究，主要研究内容如下:　　1）针对现有纳米颗粒集群的构型稳定性问题，本研究提出新型锯齿波磁场驱动策略，构建了具有高稳定性的盘状纳米颗粒集群。采用分子动力学仿真方法，对磁性纳米颗粒的集群构建过程进行仿真模拟，提出一种磁链步进旋转机制，以阐述薄膜状纳米颗粒集群的生成机理。同时，通过对锯齿波磁场的编程控制，实现了集群构型在圆盘形、椭圆形和长条形之间的可逆转换，并展示了盘式纳米颗粒集群在微装配领域的应用场景。　　2）针对现有纳米颗粒集群的环境适应性问题，本研究提出磁场矢量控制策略，构建了具有三维空间运动行为的轮状纳米颗粒集群。采用分子动力学仿真方法，对磁性纳米颗粒的集群构建与运动过程进行仿真模拟，并利用磁链步进旋转机制，阐释了轮式纳米颗粒集群的形成与运动机理。通过对磁场方向的调整，实现了纳米颗粒集群由水平状态向竖直状态的转换。分析了磁场频率、磁场方向对集群运动行为的影响。结果表明，竖直的轮状集群的运动速度比水平状态的集群提高了约15倍。此外，通过对锯齿波磁场的编程控制，实现了磁性纳米颗粒的多模态运动、原地站立以及原位构型转换操作，并展示了轮状纳米颗粒集群通过复杂三维地形的能力。　　3）针对现有纳米颗粒集群的复杂任务作业能力问题，本研究提出交变磁场驱动策略，构建了具有伪足功能的液滴机器人。基于对液滴内部磁性纳米颗粒群体的控制，实现了液滴机器人的伪足伸展、弯曲以及收缩等操作。同时，系统分析了溶液浓度、基材类型等因素对液滴机器人伪足的影响，并结合使用有限元仿真分析方法，明确了伪足的形成机制。此外，通过对驱动磁场的编程控制，实现了液滴机器人在单伪足、双伪足和运动模式之间的可逆转换。伪足赋予液滴机器人出色的机动性，使其可以通过复杂的三维地形，以执行试剂分析、结石去除等任务。这极大地扩展了液滴机器人在复杂生物环境中的无束缚显微操作和药物靶向递送等应用场景。