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关键词： Insulated gate bipolar transistors   Junctions   Temperature sensors   Temperature measurement   Temperature   Germanium   Logic gates   High-frequency (HF) model   inductive element   insulated gate bipolar translator (IGBT)   junction temperature detection  

摘要： Accurate online junction temperature detection of high-power insulated gate bipolar transistor (IGBT) modules is necessary for the health management system of key equipment. The voltage rise time ( t(rv) )is a good temperature sensitive electrical parameter (TSEP), which is of great significance for its accurate online extraction. In this article, a novel IGBT junction temperature detection based on the high-frequency (HF) model of inductor element is proposed. First, the equivalent model of the inductor element in the application circuit at HF is demonstrated. Second, based on the HF model of the inductor element, it is proposed and verified that t(rv) in the IGBT turn-off process is consistent with the HF current pulse signal on the inductor element at HF, that is, t(rv) can be indirectly obtained by extracting the HF current pulse signal. Finally, the feasibility for voltage rise time extraction and junction temperature detection through HF isolation coil is verified by experiments and simulations. The research work in this article is helpful to the online junction temperature detection and has certain theoretical significance and practical engineering value.

关键词： 推进电机   紧格式动态线性化   滑模控制   扰动观测器   转速同步  

摘要： 吊舱推进电机是一个复杂非线性系统,不仅存在负载突变、螺旋桨推力系数和转矩系数实时变化、摩擦伴流和波浪伴流等变化造成的参数不确定问题;而且推进电机传动结构上省略了中间轴系设备,易受到海风、海浪等各种未知情况造成的负载扰动影响;因此,实际应用中通过机理建模等方法建立推进电机与环境模型,并基于模型对推进电机进行高精度控制存在一定局限性。本文基于无模型自适应控制算法和滑模控制算法,考虑船舶在海上航行和靠港工况下,推进电机存在的模型不确定性以及未知扰动等不确定性因素,利用推进电机运行过程中产生的I/O数据,提高控制系统的自适应性和控制精度。具体研究内容如下:1、针对吊舱推进电机系统模型建立困难、控制精度低的问题,提出推进电机无模型自适应预测矢量控制方法。该方法利用推进电机非线性离散系统当前时刻和未来时刻的输入输出数据,建立系统数据模型以及多步预测方程。然后,将电机最小转速误差作为最优指标进行控制器设计,进一步在控制器中加入误差反馈修正项避免持续偏差带来的控制失调。仿真结果验证了所提控制方法应用于推进电机控制系统的有效性。2、针对复杂海况下吊舱推进电机存在的负载扰动和未知干扰问题,提出基于紧格式动态线性化的滑模矢量控制方法。该方法通过紧格式动态线性化建立含时变参数和负载扰动项的推进电机数据模型,并设计基于最小转速跟踪误差指标的滑模控制器,利用神经网络观测器对控制器中的未知负载扰动项进行估计和补偿。仿真验证表明,该方法有效提高了系统的鲁棒性。3、针对船舶推进系统中推进电机之间存在复杂耦合,导致推进电机协同驱动困难、抗扰能力差的问题,提出基于无模型自适应终端滑模的船舶推进系统同步控制方法。通过引入虚拟推进电机环节改进偏差耦合控制结构,根据虚拟推进电机与推进电机的转速差设计转速同步补偿器,并利用紧格式动态线性化得到推进电机系统数据模型。进一步,利用等效控制原理结合无模型自适应控制和终端滑模控制方法,设计具有强鲁棒性的无模型自适应终端滑模同步矢量控制方法。最后,仿真验证了所提控制方法能够有效提高系统转速同步性能和抗扰性能。

关键词： 门极驱动器   遗传算法   IGBT   开关损耗   开关应力  

摘要： 有源门极驱动技术(AGD)因具有开关损耗低、开关速度快、电磁干扰小等特点已经被广泛应用。随着工业技术的快速发展,门极驱动技术迎来了更高的挑战,对开关损耗与开关应力有更高的要求:一方面传统门极驱动技术(CGD)只能通过调节门极电阻、电容来控制开关过程的开关损耗与开关应力,调节方式有限,无法尽限调节;另一方面目前的有源驱动技术多是通过物理模型来建模分析,而功率器件开关过程复杂,有多阶段、多参数、非线性、受强电磁干扰强的问题,仅通过建模分析存在一定局限性。针对上述问题,本文设计了基于遗传算法的IGBT驱动器(GA-GD),通过将机器学习算法引入有源驱动技术,以解决参数配置和最优驱动策略问题。 首先,针对研究与优化驱动策略的问题,本文设计了基于FPGA、PC、DAC和驱动电路的驱动策略研究平台。分析了IGBT电气模型、开关过程,最后给出了开关过程各个阶段的优化方向。 然后,分析了基于遗传算法的IGBT驱动模型问题,并依据模型设计了驱动策略迭代优化的遗传算法,证明了驱动策略优化过程的可行性。为加速迭代过程,本文进一步优化了迭代算法,提高迭代效率。最后,通过理论分析与实验验证,证明了迭代优化后的驱动策略相比传统驱动器有降低开关损耗和开关应力的优点,无需经过精确建模以及复杂理论推导就可以得到优秀的驱动效果;证明了机器学习算法在优化驱动策略上的优势以及可行性。 最后,针对IGBT驱动设计的问题,本文使用分立器件搭建了可调节参数的IGBT驱动器。对驱动拓扑进行仿真并分析了其各阶段的驱动方式,最终通过遗传算法进行参数设置,避免了参数计算上带来的误差,其驱动效果更优,可通过调节参数优化开通关断的驱动波形,降低开关应力与开关损耗,并通过仿真与实验进行了验证。

关键词： Hilfer型分数阶微分包含   变分-半变分不等式   历史依赖算子   退化温和解   最优控制   灵敏度分析  

摘要： 微分变分不等式是由微分方程和变分不等式耦合而成的复杂系统,在物理、热力学和金融等领域有广泛研究.基于这一原因,本文研究两类在无穷维空间中Hilfer型分数阶微分变分不等式.全文具体安排如下:第一章,我们阐述分数阶微分变分不等式的研究背景、国内外研究现状和本文的主要工作.第二章,我们列出一些与函数空间、分数阶微积分、非紧性测度、算子半群、Clarke次微分和集值映射等有关的定义、引理和定理.第三章,我们考虑在自反可分Banach空间中涉及历史依赖算子的Hilfer型分数阶微分变分-半变分不等式.首先,通过凝聚多值映射的不动点定理,我们证明Hilfer型分数阶微分变分-半变分不等式温和解的存在性;其次,使用Hausdor f f非紧性测度的正则性证明Hilfer型分数阶微分变分-半变分不等式退化温和解的存在性.第四章,我们考虑在自反可分Banach空间中Hilfer型分数阶微分变分不等式.首先,我们运用Bohnenblust-Karlin不动点定理证明Hilfer型分数阶微分变分不等式的解集是非空和紧集;之后,讨论Hilfer型分数阶微分变分不等式的最优控制、适定性和灵敏度分析.最后,总结当前的工作和设想未来研究内容.

关键词： 双有源全桥(DAB)   移相控制   脉宽调制   DSP  

摘要： 由于新能源发电过程中存在间歇性和随机性的等问题,因此需要在新能源发电系统中引入储能装置来解决这些问题。目前实际工业中最为高效的储能装置都是使用固态变压器(SST)来控制能量的双向传输。因为SST具有提供双向的功率流、提供无功功率补偿和谐波抑制等诸多优点。所以SST也在电力电子领域称为“智能变压器”。SST除了传统变压器能实现的电压转换以外,还能实现交流AC向直流DC的平滑过渡,以及直流DC向交流AC的逆变。应用场景十分广泛。此外SST中包含的双有源全桥双向DC-DC变换器(DAB)具有结构对称、易实现软开关和开关器件电压电流应力相对小等优点,所以特别适用于大功率的应用场景。但由于现有的IGBT的额定功率不足以满足大功率的需求,使得单个DAB变换器也难以满足大功率的应用场景。因此本文设计了一种由三个DAB以级联的形式来共同完成能量的双向流通的变换器,即三级联DC-DC变换器。本文以实际工业中的难点问题为出发点,首先介绍了现有的移相调制策略对单个DAB的控制效果。然后针对实际霍尔传感器对DAB各项反馈的数据进行分析,设计了这一场景应用下的数字滤波器。此外,还针对DAB的特征使用了改进型的LADRC控制器来代替传统的PI控制器,并且介绍了该算法的参数整定过程。在此基础上,本文使用上述的滤波算法和改进型LADRC控制算法在Simulink上完成并验证了三级联的双有源全桥双向DC-DC变换器(DAB)的数学模型建立。本文以三级联型DAB变换器为切入点对DAB的控制策略进行研究,从改善控制算法和调制方法的角度上来提高电压范围内的变换效率。首先简单阐述单个双有源全桥双向DC-DC变换器(DAB)在移相控制时的工作原理以及工作特性。并在此基础上,通过对采样滤波算法和控制算法的优化实现了对三级联的双有源全桥双向DC-DC变换器(DAB)的模型建立,并且在Simulink完成了算法和拓扑结构的验证,并且通过DSP和FPGA在代码层面进一步对控制算法和滤波算法在数据结构上做了进一步的优化,最终完成了三级联的双有源全桥双向DC-DC变换器实物的设计。实验结果表明,本文所提出的三级联的双有源全桥双向DC-DC变换器模型的控制策略以及拓扑结构是可行的,相对于传统的单个DAB方案,本文提出变换器的整体效率在宽电压范围内都得到提高。

关键词： 双永磁同步电机   五桥臂逆变器   三扇区直接转矩控制   逻辑合成控制   半周期控制  

摘要： 在纺织、数控机床、汽车等传动领域中,为了满足控制系统效率和性能的要求,往往需要对双永磁同步电机实现高精度和快响应的驱动控制。直接转矩控制技术应用于控制永磁同步电机具有响应速度快、速度跟踪准确以及电机参数响应迅速的优势。为了进一步改善永磁同步电机传统直接转矩的控制性能,本文提出了一种永磁同步电机三扇区直接转矩控制方法,以双永磁同步电机五桥臂逆变器系统为研究对象展开了研究。主要研究内容如下:(1)提出了永磁同步电机三扇区直接转矩控制方法。针对传统直接转矩控制系统存在的开关矢量选择表设计复杂和扇区判断计算量大问题,提出了一种永磁同步电机三扇区直接转矩控制方法,其可有效简化传统直接转矩控制系统的结构、开关矢量选择表的设计和扇区划分。为验证理论分析的正确性,搭建了仿真模型和实验平台。与传统直接转矩控制的仿真和实验结果对比分析表明,其保持了传统直接转矩控制系统的动态和静态特性,为后续研究提供相应的理论支持。(2)研究了双永磁同步电机三扇区直接转矩控制系统。针对双电机同步驱动控制问题,基于三扇区直接转矩控制算法所具备的优势,引入信号逻辑合成的逻辑或和逻辑与控制思想,对双永磁同步电机五桥臂逆变器系统展开理论分析。在此基础上,研究了一种双永磁同步电机三扇区直接转矩控制逻辑或控制算法,搭建了算法仿真模型,通过仿真和实验平台研究其调速和负载特性。与双永磁同步电机六扇区直接转矩控制逻辑或控制系统的仿真和实验结果对比分析表明,该控制系统具有相近的动静态特性,实现了双电机的同步驱动,进一步验证了控制方法的有效性。(3)研究了双永磁同步电机三扇区半周期直接转矩控制系统。针对双电机独立驱动控制问题,该系统引入半周期控制和三扇区直接转矩控制的控制算法思想应用于控制双永磁同步电机五桥臂逆变器系统。为研究系统的调速、负载特性搭建了仿真和实验平台,与双永磁同步电机六扇区半周期直接转矩控制系统的仿真和实验结果对比分析表明,该系统的控制效果良好且动静态性能优异,实现了双电机独立调速和加减负载的独立驱动控制。

关键词： 功率IGBT器件   升-降温曲线等效性   升温过程瞬态热阻抗   结温准确测量   压接型IGBT器件   大电流VGE,th法  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)是高压大功率电力电子装备和轨道交通等领域不可或缺的核心部件。考察功率IGBT器件的热学特性,尤其是瞬态热阻抗的准确测量,对器件的状态监测和可靠性评估起到至关重要的作用。压接型IGBT器件在升温和降温过程中瞬态热阻抗表现出不同的性质,对其升温过程的瞬态热阻抗进行准确测量,可以为压接型IGBT器件的多物理场耦合研究和老化监测奠定基础。经过几十年的研究和发展,国内外学术界和工业界对功率IGBT器件结温的测量方法做了大量的研究工作,但是提出的多种结温测量方法在不同场合和目的下有不同的适用性,适用于本文测量IGBT升温过程瞬态热阻抗的结温测量方法较少,且需要解决两个适用性问题。其一是满足在功率器件升温过程中进行连续的结温测量,其二是满足可对包括压接型IGBT器件在内的各封装形式IGBT器件进行准确结温测量。本文针对功率IGBT器件升-降温曲线等效性和结温测量方法对各封装形式IGBT器件升温曲线测量的适用性等问题,展开结温测量方法的研究,提高结温测量准确度,为结温准确测量技术和功率IGBT器件可靠性研究奠定基础。对于功率IGBT器件升-降温曲线等效性的问题,建立了有限元仿真模型,揭示了压接型IGBT器件升-降温曲线非等效的本质原因和影响机理。对于大电流下结温测量方法的适用性和可行性问题,搭建了基于大电流下结温测量方法的实验平台,验证了大电流下结温测量方法在实验平台上的可行性,并准确测量了分立式IGBT器件升温阶段的瞬态热阻抗曲线。提出应用大电流VGE,th法进行升温曲线的测量,在压接型IGBT器件上进行验证,有效减小了接触电阻对测量精度带来的影响,误差在1 K以内,提高了结温测量的准确度。基于准确结温测量方法,对升-降温曲线进行测量和对比,验证了有限元仿真的结论,为后续压接型IGBT器件的深入研究及老化监测提供了参考。

关键词： 永磁同步电机   无位置传感器控制   自适应扩展卡尔曼滤波   矢量控制  

摘要： 在永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）控制系统中,位置信息获取的准确性是实现系统控制的关键,直接影响电机性能的发挥。位置信息的获取多采用传感器完成,但传感器的安装会限制PMSM的应用场所,增加系统维护成本。因此,对PMSM无位置传感器算法进行研究十分必要。本文基于扩展卡尔曼滤波（Extend Kalman Filter,EKF）算法,对PMSM无位置传感器控制算法展开研究,针对在粗差干扰及统计偏差的情况下,EKF对PMSM的位置信号估计存在精度下降的问题,提出一种自适应扩展卡尔曼滤波算法。主要研究内容如下: （1）建立永磁同步电机矢量控制模型。基于坐标变换方法,在静止坐标系与旋转坐标系下建立了PMSM的数学模型,再对SVPWM及PI控制的数学原理进行推导,并对id=0矢量控制系统进行了简要介绍。最后,基于Matlab平台搭建了矢量控制模型,对FOC算法进行了仿真验证分析。 （2）对基于扩展卡尔曼滤波的PMSM无位置传感器控制算法进行研究。首先,详细阐述了卡尔曼滤波的原理,并对算法作用方法进行详细说明。其次,基于PMSM的电流方程与运动方程,构建EKF的状态方程,并对其进行离散化与线性化处理。最后,基于Matlab平台,搭建了基于EKF的PMSM无位置传感器矢量控制系统,并对其进行仿真分析。 （3）针对粗差干扰下EKF估计性能下降问题,提出一种自适应扩展卡尔曼滤波方法。首先,将粗差引入到系统状态方程,分析其对EKF的影响。其次,在新息协方差的计算上,设置自适应规则,并将其更新至卡尔曼增益矩阵的计算中。最后,基于Matlab仿真平台,建立基于AEKF的PMSM无位置传感器控制系统,对AEKF与EKF两种控制算法进行对比分析,验证所提算法的有效性。 （4）对基于AEKF的PMSM无位置传感器矢量控制系统进行软硬件设计及实验验证,证明所提方法的可行性。

关键词： 永磁同步电机   基于数据的优化控制   矢量控制   无模型自适应控制   深度强化学习控制  

摘要： 永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)系统综合性能优异,被广泛应用于工业伺服、机器人、航空等领域,其也是一类具有强非线性、参数时变、多工作模式的复杂系统。传统基于模型的控制方法多依赖系统阶次、型别等指导控制设计,无法保证宽速域、强负载干扰下的转速、转矩调节品质。并且,系统在特征参数发生变化时,也无法与环境主动交互,不具备强自适应和自主学习能力。随着数据驱动、人工智能等技术的快速发展,基于数据的智能方法与各领域的交叉融合成为主流趋势,也是当前永磁同步电机控制研究的前沿和焦点。 基于数据的智能方法可有效处理非线性控制难题,具有较强的自适应优化能力和不依赖于专家经验的自整定优势,将此类方法应用于永磁同步电机系统,可望在不依赖模型的前提下,优化转速、转矩等关键参数的动/稳态性能,实现强鲁棒、自学习、自适应控制。 综上,本文开展了基于数据的永磁同步电机智能转速控制及优化研究。首先,从永磁同步电机研究现状与发展趋势,阐述了基于数据的控制方法应用于永磁同步电机的必要性和重要性。其次,为产生控制用的系统输入输出数据并指导后续控制设计,建立了永磁同步电机综合系统模型。然后,给出了转速、电流双环的PI控制与模糊PI控制两种传统方法,验证了所搭建控制系统的有效性。后面研究中,将以这两种传统方法为基准,与基于数据的智能控制方法比较。进而,在矢量控制框架下,提出了一种取代双闭环的永磁同步电机无模型自适应控制方法;进一步,设计了控制律的动态参数机制,提高了转速响应速度的同时保证了转矩稳定性,实现了转速、转矩动态控制过程的优化。最后,为赋予系统自学习探索能力,提出了两种取代双闭环的永磁同步电机深度强化学习控制方法,分别开展了深度Q网络(Deep Q-Network,DQN)、深度确定性策略梯度(Deep Deterministic Policy Gradient,DDPG)算法研究,设计了包含状态空间、动作输出、奖励函数等在内的永磁同步电机智能控制器。同时,对本文所有方法进行了仿真对比,在多变工况下,所提出基于数据的方法均表现出良好的控制性能,验证了其有效性和优越性。

关键词： IGBT   三相驱动   高压供电   死区时间   电平位移  

摘要： 作为新一代功率半导体器件,IGBT在高功率大电流领域特别是在600 V以上的高耐压电路中具有良好性能,其良好的开关特性、更低的功耗和较低的生产制造成本使其成为当今功率集成电路的首选。IGBT功率驱动电路被广泛应用在工业电机驱动和汽车电子领域中,尤其是当下国家大力发展的新能源汽车及混合动力汽车的驱动系统中。由于高压应用场景下对芯片安全性能的要求越来越高,这对IGBT功率驱动芯片也提出了更严格的要求,因此设计一款性能优良、安全可靠的高压IGBT驱动芯片十分必要。 本文基于1μm SOI工艺设计了一款高可靠性三相IGBT驱动芯片,适用于母线电压最高可达600 V工况,可应用于三相电机驱动,相较于传统单相驱动芯片,本芯片设计能够有效提高集成度并节约面积。其中,驱动芯片的逻辑控制部分可以兼容3.3 V的CMOS或5 V的TTL输入信号,高侧输出信号经过高压电平位移模块最高可达615 V,低侧输出信号最高为15 V,兼具欠压检测、过流保护、故障控制等保护模块。 本文首先介绍了驱动电路的类型与方式,并基于此确定所设计的驱动芯片的整体架构及设计参数;其次,针对驱动芯片的死区时间产生模块、低侧信号传输模块、高压电平位移模块等主要模块对电路结构和工作原理进行详细阐述与仿真分析。其中针对输入信号可能同时有效的问题,设计了一种可以对输入信号的错误状态进行判断的死区时间产生模块,避免因高、低侧信号同时输入有效电平所造成的错误;针对低侧电源和地信号隔离的问题,采用一种改进的低侧传输模块,实现低侧浮动地引脚COM有±2.5 V的电压偏移,避免功率电路与控制电路互相干扰;高压电平位移模块采用窄脉冲触发技术,能有效降低驱动芯片的功耗;最后,对芯片整体工作性能进行仿真与验证,并给出版图设计方案。 仿真结果表明,本文设计的驱动芯片的最大母线电压可达600 V,死区时间为1.2μs,最大驱动电流0.8 A,最高工作频率为100 k Hz,并能在高、低侧信号同时输入有效电平、电源电压欠压、电路过流等错误状态下及时采取保护措施,其他设计参数指标均能满足设计要求。