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关键词： JESD204C   链路层   数据边界   同步信号  

摘要： 随着电子通信行业飞速发展,5G通信、航空航天、军用雷达、星链网络等高科技产业对数据转换器的要求越来越高,传统老旧的技术和接口协议标准已经难以满足高速数据的传输需求。为了适应现代通信、军事、航天等领域对数据转换器日益增长的分辨率和速率要求,以便于在芯片禁运的复杂国际背景下实现高速转换器接口的国产化替代。本文以JESD204C接口协议为研究课题,重点研究了JESD204C相对于第三版高速接口协议JESD204B的技术优势及实现方法,并设计了一款基于JESD204C协议的高速串行DAC接口。接口单通道支持的最高速率为25Gbps,可以适配最高采样速率12.6Gsps的DAC。本文首先详细介绍了国内外高速接口电路的发展现状和最新研究态势,深度分析了在当今通信技术飞速发展的时代背景下,积极跟进高速接口技术用以完美适配高精高速转换器的重要意义。本文介绍了JESD204B、JESD204C通信协议,提炼出JESD204C协议的具体指标优势,并详细分析了JESD204C相对与JESD204B在通信建链上的快速与简洁的优势是怎么产生的。同时,还介绍了基于JESD204C协议的高速串行接口作为发送端和接收端是如何在ADC与DAC中工作的,并给出了接口各种数据结构的工作时钟关系。其次,本文给出了接口设计的电路端口列表、RTL电路图、电路结构框图、关键代码等重要设计步骤,展示了接口电路的设计流程及设计内容,推导了接口速率与DAC采样速率的约束关系。重点展示了该接口在通信建链中的并行同步头查找、拓展多块边界确认、解扰、FEC和CRC校验、多通道数据同步、本地多块对齐等关键模块在数据处理上的速度优势和稳定优势;同时还介绍了数据边界并行查找算法、可变延迟调整、数据同步等方面的电路结构创新点。最后,本文通过接口电路的前仿真测试波形(RTL级仿真)、电路综合数据、后仿真测试结果(网表仿真)、FPGA回环测试的结果,验证了高速串行DAC接口设计的正确性及设计指标,体现了本设计在通信建链速度及链路稳定性方面等巨大优势,重点突出了基于UVM验证方法搭建的仿真环境的严谨性和稳定性和FPGA回环测试的真实性。

关键词： 新冠肺炎   疫苗接种   基本再生数   最优控制   敏感性分析  

摘要： 新冠肺炎是全球性的公共卫生问题,新冠肺炎是由新型冠状病毒引起的急性呼吸道传染病,新型冠状病毒的传播速度快,传染性强是导致重症病例和死亡病例的重要原因,所以本文针对新型冠状病毒引发的新冠肺炎的动力学模型进行分析讨论.新冠疫苗于2020年12月上市,疫苗接种为新冠肺炎模型的建立和分析提供了一个方向,所以在模型中加入了接种者类.在本文的两个模型中都利用了下一代特征矩阵求得模型的基本再生数并且通过Liapunov稳定性定理以及La Salle不变集原理证明了:当基本再生数小于1时,模型的无病平衡点是全局渐近稳定的;当基本再生数大于1时,无病平衡点是不稳定的,模型存在唯一的地方病平衡点.本文分五部分进行讨论.第一部分讲述了新冠肺炎的防控策略及流行趋势,介绍了新冠肺炎的研究现状和本文研究内容;第二部分给出了模型分析中应用的主要工具;在第三部分中,假设有症状的感染者在医院隔离接受治疗,经过治疗恢复的人群可能再次成为易感者,建立了易感者接种疫苗的传染病模型,并对模型进行定性分析、参数敏感性分析及最优控制策略分析;在第四部分中,假设没有做好隔离措施的有症状感染者感染易感者和接种者,建立了易感者直接被隔离的传染病模型,并对模型进行定性分析、参数敏感性分析及最优控制策略分析;第五部分是本文总结.

关键词： 水清洗装置   水泵电机系统   矢量控制   模糊PI控制  

摘要： 输送带水清洗装置能够较为彻底地清洁带面,使输送机运行更为稳定,且不会对带面造成损伤。随着社会环保意识的增强,水清洗装置的应用日益广泛。水清洗装置可靠运行的关键在于保持水压稳定,但现有技术为降低成本大多采用简单的开关式控制,水压难以稳定。采用居民生活恒压供水技术则成本过高。为此,有必要研制专用配套控制系统,使其保证清洗效果的同时具备良好的技术经济性。 本文以水清洗装置的水泵电机系统为研究对象,以模糊控制技术和电机矢量控制技术为基础,通过理论分析和软件仿真相结合的方式研究其变频控制方法,并设计制作实物试验系统对智能化控制方法的可行性进行验证。主要研究内容和成果如下: (1)异步电机数学模型及矢量控制模型的建立。分析异步电机的数学建模,并采用坐标变换的方法推导出不同坐标系下的数学模型,以简化电机控制过程。同时,探讨SVPWM算法输出高性能正弦波信号的能力,以及矢量控制原理和具体实现过程。通过异步电机矢量控制模型仿真,验证矢量控制的具体可行性。 (2)模糊PI控制器的建立。基于模糊控制技术的基本理论以及模糊控制器的建立流程搭建模糊控制器仿真模型,通过比较传统PI控制器和模糊PI控制器的控制效果发现:采用模糊控制器的矢量控制系统比搭载传统PI控制器的系统具有更快的响应速度、更高的稳态精度和更好的系统稳定性。 (3)智能化控制系统的建立和试验。参考异步电机的变频控制系统,搭建专用于水泵电机系统变频控制的智能化控制系统。完成控制系统主电路、驱动电路、检测电路、电源电路等功能模块的硬件设计与制作,采用模块化的方式实现不同功能模块的软件设计和程序编写。最后,通过试验验证了控制系统的可行性。 本文共有图52幅,表9个,参考文献84篇。

关键词： 高负载轻型协作机械臂   一体化设计   永磁同步电机   矢量控制   电机输出扭矩优化  

摘要： 传统的轻型协作机械臂存在关节刚度低、负载能力弱、抗冲击能力差等问题，为了适应诸如服务机器人、救援机器人等应用场景的需求，需要进一步提高机械臂的负载自重比，在轻量化、小型化的同时，实现大的末端载荷操作能力。本文在“XX机械臂”项目的支持下，对高负载轻型协作机械臂关节驱动控制系统进行研究，旨在构造体积小、集成度高、功率密度大、输出扭矩精度高的关节驱动控制系统。　　首先，进行关节驱动控制器硬件系统研制。采用驱控一体化设计思想，以多核DSP作为主控芯片搭建了关节驱动控制器，构建传感系统和通讯总线。根据关节的机械结构和尺寸，进行控制器结构布局。根据系统功能需求和性能指标，实现电源模块、电机驱动模块、电流采样模块等硬件系统设计。实现了紧凑空间内的高功率密度关节驱动控制器的研制。　　其次，进行软件系统研制和控制系统设计。根据DSP的多核特点进行总体架构设计和任务分配，最大程度提高程序执行效率。基于永磁同步电机矢量控制模型，对电机进行前馈解耦，使得原本强耦合非线性的系统简化为一阶线性系统。对简化后的系统分别设计基于串联PI控制器的电流闭环以及转速电流双闭环，并分别推导出基于带宽和基于阻尼因子的PI参数自整定方法，极大简化参数整定过程。设计基于定时器的时间片轮询系统实现主要任务调度，并结合前后台系统的思想实现PWM占空比更新和电流信号采集。　　然后，重点研究电机输出扭矩优化方法。从死区补偿、反电动势补偿、齿槽转矩补偿三方面开展研究，以提升电机输出扭矩精度。首先，设计了基于时序的死区补偿方法，通过死区补偿克服部分逆变器非线性，仿真结果表明该方法有效改善了电流畸变情况。然后，设计了基于全维状态观测器的测速方法，获取了平稳且准确的速度反馈，仿真结果验证了该方法相比传统方法在速度反馈质量上有较大提升。最后，对齿槽转矩产生机理进行分析，设计了基于转子位置的齿槽转矩补偿方法，改善电机输出扭矩波动。　　最后，对研究内容进行系统集成，并搭建实验装置进行测试。功率测试显示所研制硬件满足高负载轻型协作臂需求。对死区补偿、速度观测器、齿槽转矩补偿进行了单项实验验证：死区补偿后电流的谐波成分明显减少;与差分测速法相比较，在低速和高速情况下，本文设计的速度观测器方法均获得了更为平稳的速度反馈;齿槽转矩补偿后，电机克服“爬行”现象，速度波动大大降低。最后，设计了电机动态扭矩输出测试方法，解决了电机动态扭矩测试困难的问题，实验结果表明本文的优化方法有效提升了电机扭矩输出精度。

关键词： 倒向随机微分方程   推广的倒向随机微分方程   动态规划原理   推广的倒向随机变分不等式   最优控制   Wasserstein度量   粘性解  

摘要： 推广的倒向随机微分方程,对比一般情形下的倒向随机微分方程,其方程表达式中添加了一个关于递增过程的积分项,我们可将其应用于最优控制领域,使控制系统的性能指标实现最优化,从而解决从一切可能的控制方案中寻找最优解的复杂问题,进一步丰富求解最优控制问题的方法与内容。推广的倒向随机微分方程首次是由Pardoux和Zhang[1]在1998年提出来的,他们还研究了相关的带有非线性Neumann边界条件的偏微分方程问题。2015年,Li和Tang[2]研究了带有递归代价泛函的反射随机动力系统的最优控制问题,并研究了相关的带有非线性Neumann边界条件的Hamilton-Jacobi-Bellman 方程。2017 年,Pardoux 和 Rǎscanu[3]研究了推广的带有非线性Neumann边界条件的抛物型方程解的连续性。2020年,Feng[4]研究了推广的平均场倒向随机微分方程以及相关的带有非线性Neumann边界条件的抛物型偏微分方程问题。本文在前人工作基础上,主要研究了平均场情形下推广的倒向随机微分方程以及推广的倒向随机变分不等式,研究解的性质,与之相关的偏微分方程问题以及在最优控制方面的应用。具体可分为以下三个部分。第一部分(第三章):研究一般情形下推广的平均场倒向随机微分方程解的存在唯一性及比较定理,即此时方程的系数不仅依赖于解的状态,也非线性地依赖于解的分布。具体来说,考虑如下方程:其中K为实值连续递增过程满足一定的可积性条件,在Lipschitz条件和单调条件假设下,我们利用不动点定理,证明了方程(0-1)解的存在唯一性,并在一定条件下利用It(?)-Tanaka公式证明了相应的比较定理,同时给出关于比较定理的两个例子,来说明要求K相同以及系数f不依赖于Z的分布的必要性。第二部分(第四章):对任意的(t,x)∈[0,T]×D和(x0,u)∈D×Ut,T,考虑以下平均场情形下的推广的倒向随机微分方程:其中X0,x0;u,Xt,x;u分别为如下反射SDE的解:其中Ut,T表示[t,T]上的可容许控制集,D是Rd的开连通有界凸子集,W(t,x):=(?)Ytt,x;u为控制问题的值函数。我们考虑下列带有非线性Neumann边界条件的HJB方程:其中在x∈(?)D,(?),X0,x0;u是初始时刻t=0,初始值为x0和给定控制u∈U0,T的反射随机微分方程(0-3)的解,且Hamiltonian函数H定义为:其中(t,x,y,p,A)∈[0,T]× Rd × R ×Rd × Sd,Sd为所有d × d维对称矩阵的集合。在Lipschitz条件和单调条件假设下,首先利用Picard迭代证明了方程(0-2)解的存在唯一性和比较定理,并结合动态规划原理证明了值函数W是方程(0-4)的唯一的粘性解。第三部分(第五章):考虑以下推广的平均场倒向随机变分不等式:其中K为实值连续递增过程满足一定的可积性条件,我们研究了变分不等式(0-5)解的存在唯一性以及相应的比较定理。定义随机域:考虑以下偏变分不等式系统:其中算子lt定义为:ltu(t,x)=1/2tr{E[σ(t,Xt0,x0,x)]E[σT(t,Xt0,x0,x)]D2u(t,x)}+.偏变分不等式(0-6)中的φ,ψ:Rm→(-∞,+∞]为合适的凸下半连续函数。多值次微分算子(?)φ定义为:(?)φ(y):={y∈Rm:{y,v-y)+φ(y)≤φ(v),(?)v∈Rm},(?)ψ类似定义。在Lipschitz条件和单调条件假设下,证明了 u关于(t,x)是连续的,并结合Ishii引理证明了u是偏变分不等式(0-6)的唯一粘性解。

关键词： 永磁同步电机   Super-Twisting算法   滑模观测器   矢量控制  

摘要： 永磁同步电机(PMSM)有结构简单、体积小、质量轻、运行可靠、效率高等诸多优点。在永磁同步电机的闭环控制中,控制性能的好坏与反馈的转子位置和速度的精确度紧密相关。在以往采用光电或霍尔等位置传感器来获得转子位置和速度信息,但高精度传感器成本很高、受环境影响较大,且安装不方便,精度不高的传感器在实际的工程应用中存在响应速度较慢、获取值误差较大等问题,因此,无传感器控制对于现代永磁同步电机控制系统非常重要,是当前电机控制领域研究的热点。为了提升永磁同步电机无位置控制的估计精度,本文研究了基于Super-Twisting无位置滑模观测器的永磁同步电机控制方法,以克服传统滑模观测器(Sliding Mode Observer,SMO)的固有抖振问题。首先,简要介绍了永磁同步电机的结构和工作原理,通过对旋转电机进行分析,推导了永磁同步电机的数学模型,并介绍了坐标变换以及矢量控制的框架和原理。其次,详细介绍了滑模控制理论,设计了基于传统滑模的永磁同步电机无传感器矢量控制系统。然后,针对传统滑模观测器中存在的固有抖振问题,本文从产生抖振和传播抖振这两个方面来削弱抖振,在抖振的产生阶段,采用Super-Twisting算法改进传统滑模观测器,通过将高频切换隐藏在积分项中,达到抖振抑制。在抖振的传播阶段,考虑到传统的反正切函数得到转子的位置信息时会放大抖振误差,本文采用基于锁相环(Phase Locked Loop,PLL)的转子位置估算策略,降低在获取转子的位置信息时高频抖振的误差,使系统位置和速度估算更加准确。最后,为了验证在永磁同步电机使用Super-Twisting滑模观测器(Super-Twisting Algorithm Sliding Mode Observer,STA-SMO)的有效性,借助MATLAB/Simulink对基于Super-Twisting无位置矢量控制系统进行仿真研究;同时搭建d SPACE半实物实验平台,对基于Super-Twisting滑模观测器永磁同步电机无传感器矢量控制系统进行半实物实验验证。通过对仿真和实验结果进行分析,都说明了Super-Twisting算法对抑制滑模抖振是有效的,此算法具有一定的实际工程意义。

关键词： 外转子永磁低速直驱电机   自抗扰控制   转动惯量辨识   矢量控制  

摘要： 外转子永磁低速直驱电机因其具有功率因数高、结构简单、易于实现电机负载一体化等优点,在物料传输、机床加工、风力发电等诸多领域具有广阔的应用前景。该种电机系统常采用的控制方式为矢量控制,速度和电流调节器多采用PI调节。然而在物料传输领域,多变的运行工况和恶劣的工作环境会使电机各参数值发生变化,造成被控对象建模不准确,影响控制系统的稳定性。本文针对物料传输用外转子永磁低速直驱电机重载启动和负载频繁变化的特点,采用对负载变化有较强适应能力的自抗扰控制技术,同时结合转动惯量辨识方法以实现控制系统参数的自校正。 首先,通过坐标变换推导了外转子永磁低速直驱电机在不同坐标系下的数学模型,深入分析了其矢量控制策略。由于本文研究对象的转子类型为表贴式,因此,采用id=0的矢量控制方案。 其次,针对传统PI调节器参数适应性差的问题,本文基于外转子永磁低速直驱电机数学模型,设计了二阶非线性自抗扰控制器,并通过理论与仿真分析,总结了控制器各个参数的物理意义和整定方向。通过MATLAB/SIMULINK仿真,证明自抗扰控制器与PI调节器相比,具有更强的抗干扰能力和更好的动态特性。 最后,考虑到电机负载频繁变化且变化幅度较大会引起转动惯量的变化,本文详细分析了转动惯量变化对控制系统性能产生的影响,分别采用递推最小二乘法和变增益的模型参考自适应法对转动惯量进行在线辨识,对两种方法进行对比后,选择鲁棒性更强的变增益模型参考自适应法来实时辨识转动惯量。将辨识结果代入到自抗扰控制器中,实现控制增益自校正。仿真结果表明,采用基于转动惯量在线辨识的自抗扰控制方法有效提高了外转子永磁低速直驱电机系统在重载启动和负载频繁变化工况下的抗扰能力,改善了系统的控制性能。

关键词： IGBT   TCAD仿真   SPICE仿真   集总电荷模型   有限体积电荷模型  

摘要： 随着半导体行业的快速发展,电力电子领域也进入了高速发展的时期,大量的电力电子装置在新能源、电力系统等多种能量转换领域得到了广泛的应用。IGBT(绝缘栅双极型晶体管)作为现代电力电子装置中最为核心的一种电力半导体器件,由于其驱动简单、容易保护、不需要缓冲电路、开关频率高等优点,深受人们的关注。目前IGBT的主要模型有Hefner模型、Kraus模型以及集总电荷模型。这三种模型各有优缺点,其中Hefner模型、Kraus模型相对于集总电荷模型而言需要引入的物理量少,而集总电荷模型相对于Hefner模型、Kraus模型具有仿真速度快收敛性好等优点,但传统的三节点集总电荷模型存在仿真精度低的缺点。通过对多种IGBT模型的分析研究,提出一种基于有限体积电荷法的IGBT模型。新模型假设在未耗尽的N-基区局部准中性近似成立,即电子和空穴的过剩载流子浓度相等。由于空穴的过剩载流子浓度近似等于空穴的浓度,因此电子浓度近似等于电子的平衡浓度和空穴浓度的相加。利用一维漂移-扩散模型,在未耗尽的N-基极区域建立空穴密度的空间节点,同时在节点上定义电压。在空穴密度节点的中心,建立电子和空穴的电流分量节点,通过节点空穴密度和电压,利用中心差分计算节点电子和空穴的电流分量。建立节点总电流连续的方程,在每个包含空穴密度节点的体积元上建立电荷守恒方程。通过SPICE行为建模方法,把这两种方程的求解转化为SPICE电路仿真。作为SPICE电路仿真的基础,需要设置模型参数的值。通过建立IGBT器件的结构,进行了 TCAD仿真,并对MOS管的参数进行提取,作为SPICE仿真MOS管的模型建立的基础。通过TCAD混合仿真,获得Cgs和Cgd等电容参数的值。将SPICE仿真的结果和TCAD的仿真结果进行比较,发现二者有一定的差别。进一步考虑了N-漂移区在发射极一边的二维校正,得到SPICE仿真的I-V曲线和TCAD仿真的I-V曲线非常符合。有限体积电荷法相对于集总电荷法可以更容易的增加节点数量来描述快速瞬态过程中器件内某一部分空间快速变化的载流子密度,进一步提高IGBT的仿真精度。有限体积电荷法还加入校正动态网格误差的补偿电子和空穴电流分量,这保证了对PIN二极管中的快速瞬态过程正确描述。

关键词： 开关磁阻电机   变磁链直接转矩控制系统   粒子群算法   RBF神经网络  

摘要： 开关磁阻电机(SwitchedReluctanceMotor,SRM)及其调速系统凭借着成本低、结构简单、可靠性高、启动转矩大、可频繁启停等优点，近些年被广泛应用于通用工业、电动汽车、煤炭开采等领域。但因其具有双凸极结构及其开关式的通电方式，导致SRM具有转矩脉动大、噪音大的问题。本文从优化控制策略方面入手，对抑制SRM转矩脉动进行研究。　　为了抑制SRM转矩脉动，本文首先基于三相6/4结构SRM及直接转矩控制(DTC)策略搭建仿真模型，并与电流斩波控制(CCC)进行对比分析。仿真结果表明，DTC对电机的磁链、转矩、电流等参数更具有优越性。为了克服定磁链DTC在电机稳态时定子电流过大的问题，引入变磁链DTC。仿真结果表明，SRM在变磁链DTC系统中的稳态定子电流仅为优化前的61％左右，且转矩脉动也有所减小。　　为了进一步抑制SRM转矩脉动，本文对SRM直接转矩控制系统进行优化改进。首先，引入RBF神经网络(RBFNN)使控制系统中的PID实现自适应调节，构造RBFNN-PID。为了避免RBFNN在采用梯度下降法迭代时容易陷入局部极值的问题，本文引入粒子群优化算法(PSO)对RBFNN的参数进行优化。随后对RBFNN和PSO-RBFNN两种辨识方法的性能进行比较，结果表明，PSO-RBFNN的均方根误差(RMSE)明显小于RBFNN。最后，搭建仿真模型，分别对常规PID、RBFNN-PID、PSO+RBFNN-PID的性能进行验证。结果表明，采用PSO+RBFNN-PID的系统与采用RBFNN-PID及常规PID的系统相比，在转矩脉动抑制、提高系统响应速度和转速精确度方面均具有优势。　　为了验证理论及仿真的正确性，本文以TMS320F28335DSP为核心控制器搭建实验平台并对相关软硬件进行设计。实验结果表明，当SRM转速为1000r/min,负载为3N·m且达到稳态时，采用常规PID、RBFNN-PID、PSO+RBFNN-PID的系统，SRM转矩脉动范围分别在1.44N·m～5.35N·m、1.98N·m～4.39N·m、2.52N·m～3.55N·m之间，平均转矩分别为3.32N·m、3.14N·m、3.02N·m,方差分别为0.2147、0.0933、0.0545。因此，优化后的系统能够有效抑制电机的转矩脉动，验证了PSO对RBF神经网络PID控制器优化的有效性。

关键词： IGBT   电热耦合   寿命预测   长短期记忆网络   遗传算法   老化预测  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)具有许多独特的优势,如饱和压降低、电流密度大、驱动简单、开关速度快等。自诞生以来作为理想开关器件被广泛应用在航空、交通、新能源发电等诸多领域。IGBT一般工作在大电流、高开关频率等状态下,常常会经受较高的热机械应力,加速其老化进程,老化的IGBT存在严重的安全隐患。因此,分析IGBT器件的可靠性、评估其使用寿命及预测退化趋势对于保障系统的安全、稳定运行至关重要。针对以上问题,本文以IGBT模块为研究对象,在分析其内部结构和失效机理的基础上,提出了一种新的电热耦合模型以分析其可靠性,建立了一个老化预测模型以预测其老化进程。本文的主要内容和创新点如下: 第一,提出了一种新的分析IGBT模块可靠性的电热耦合模型。根据IGBT芯片的结构、工作特性和IGBT模块的封装结构、等效电路,建立不同工作状态的芯片功率损耗数学模型和三维有限元热模型,二者联合仿真实现了IGBT模块的电热双向耦合分析。和PLECS中相同工作条件下的逆变电路模型仿真结果相比,各项结温和损耗数据的误差均小于5%,说明本文提出的仿真模型具有较高的准确度。根据该模型的仿真结果,详细分析IGBT工作过程中的温度分布和应力分布情况,给出可能发生失效的位置和模式,并结合寿命预测解析模型,对不同工作条件下IGBT的使用寿命做出了预测。 第二,建立了一个基于长短期记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)的IGBT模块老化预测模型。LSTM适合处理长时间序列数据,结合所选取的IGBT模块老化实验数据和常用的表征IGBT模块老化的特征参量,选择集电极-发射极电压关断尖峰值作为表征退化的参数。利用该参数构建了不同长度的时间序列样本数据,探究了不同长度的时间序列样本对于LSTM模型预测性能的影响。结果表明,利用长度为5的时间序列样本得到的模型预测性能最好,该模型预测均方根误差为0.319、平均绝对误差为0.253、平均绝对百分比误差为3.233%,说明利用LSTM网络对IGBT模块老化进行预测是可行的并且具有较高的准确度。 第三,建立了一个基于遗传算法-长短期记忆网络的IGBT模块老化预测算法的优化模型。以长度为5的时间序列样本作为输入数据,利用遗传算法(Genetic Algorithm,GA)对LSTM模型的神经网络层数和隐藏层神经元个数进行优化。优化后模型的预测均方根误差为0.246、平均绝对误差为0.196、平均绝对百分比误差为2.507%,相对于优化前的模型分别降低了0.073、0.057、0.726%。说明优化后的模型对IGBT模块老化趋势的预测更准确并且更加稳定。该方法为如何确定预测模型最优网络结构提供了新思路。