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关键词： 线控转向   细分驱动   非线性速度曲线   矢量控制   多电机控制  

摘要： 四轮独立牵引/转向(Four-wheel Independent Drive/Steering.4WID/S)全电汽车转向系统采用线控技术,摆脱了传统机械连接的束缚,各转向执行机构均可独立控制,适应于多种转向模式工况,提升了整车操纵的灵活性与稳定性,现已逐步变成电动汽车领域的研究热点。本课题着眼于电动汽车发展趋势,以提升操纵灵活性和车辆稳定性为目标,从转向电机的位置精度控制与多电机协调控制两个控制层面出发,保证全电汽车线控转向系统稳定运行,并构建“大秦Ⅱ号”全电汽车实验台架。主要工作分以下四部分: (1)通过详细调研近年文献和资料,综述4WID/S全电汽车研究背景、现状及意义,设计线控转向架构,对转向电机选型与建模,建立4WID/S全电汽车二自由度动力学模型,通过CarSim对整车转向系统仿真验证。 (2)针对转向单电机在低频振荡时其位置精度易受影响的问题,首先设计抛物线速度曲线,采用细分驱动与非线性速度曲线联合开环控制,解决转向电机在低频振荡易失步的问题;其次设计步进电机矢量闭环控制,进一步提升转向系统抗扰性能;最后通过MATLAB/Simulink仿真验证开环与闭环系统转向电机的位置精度。 (3)针对开环与闭环系统转向多电机之间协调度不强的问题,设计基于细分驱动的开环转向多电机协调控制策略与基于均值耦合的闭环转向多电机协调控制,减小了转向电机受扰时扰动对整体转向多电机系统的影响,通过MATLAB/Simulink仿真验证多电机协调控制的同步性与抗扰性。 (4)构建4WID/S全电汽车实验平台,采用TMS320F28335的DSP芯片做中央处理器,通过CAN总线通信传输整车控制信号和车辆状态信息,设计全电汽车转向的软硬件及上位机,采集并处理转向电机转角信号数据,通过实验验证本文控制策略的合理性。

关键词： 永磁同步电机   矢量控制   无位置传感器   宽速域   切换策略   复合控制  

摘要： 永磁同步电机（PMSM）无位置传感器技术不仅可以降低成本,而且可以提高电机在恶劣环境的可靠性,目前单一的无位置传感器控制策略难以完成PMSM宽速度范围控制。因此,本文对不同速段的无位置传感器控制策略进行了改进完善,使无位置传感器的PMSM在宽速度范围下稳定运行。首先PMSM在零低速运行时,分析了流频（I-F）控制和高频方波电压注入控制。理论分析了I-F控制的原理和具体实现方法,并对其进行仿真验证;对高频方波电压注入控制的高频和基波电流分离方法进行改进,降低了算法复杂度,仿真结果表明:改进的高频方波电压注入控制的初始位置检测误差小于3°,同时当转速为400rpm时,转速观测误差小于5rpm,位置观测误差小于0.1rad。其次PMSM在中高速运行时,采用对电机参数不敏感的滑模观测器（SMO）进行控制。通过优化滑模控制函数和滑模增益来减小滑模抖振,提高了位置和速度信息的观测精度,并在此基础上对正交锁相环进行改进,使电机正反转能稳定的运行。仿真结果表明:与传统方法相比,当转速为600rpm时,转速观测误差由30rpm降低到5rpm,位置观测误差由0.1rad降低到0.05rad。针对零低速控制方法和中高速控制方法的局限性,通过对不同速段的控制策略进行组合完成宽速域控制。在起动性能要求不高的场合,采用I-F+SMO复合控制,利用双电流切换策略完成两种控制策略的平滑过渡,与单电流切换策略相比,减小了轻载工况下的切换时间;在起动性能要求高的场合,采用高频方波电压注入+SMO复合控制,利用线性加权切换策略完成两种控制策略的平滑过渡。仿真结果表明:轻载工况下,双电流切换策略将切换时间由2.6s减少为2.2s;高频方波电压注入+SMO复合控制在起动和停车时的速度和位置观测误差小于20rpm和0.23rad,稳定运行时的速度和位置观测误差小于5rpm和0.05rad。最后通过搭建实验平台,完成I-F+SMO的复合控制验证,实验结果表明采用双电流切换策略时,两种控制方法可在2.5s内完成的平滑过渡。在转速给定由1000rpm突变为1200rpm时,电机转速可在0.2s内达到给定转速;在负载突变时,电机转速可在0.3s内重新稳定到给定转速。

关键词： 城轨列车   牵引逆变器   电热耦合模型   状态评估   IGBT寿命预测  

摘要： 牵引逆变器是城市轨道交通列车组牵引控制系统的核心设备,因此具有“地铁心脏”之称。绝缘栅双极型晶体管元件(简称IGBT)是牵引逆变器的核心部件,其寿命显著影响牵引逆变器的寿命,IGBT失效影响着城市轨道交通的安全运行。因此对城轨列车牵引逆变器的IGBT模块进行寿命预测有极其重要的意义。本文以城轨列车牵引逆变器IGBT模块作为研究对象,利用国内某线路的相关数据,对其可靠性进行分析,在实时状态和整个寿命周期两个尺度上分别设计寿命预测方法。论文主要研究内容包括:(1)分析IGBT工作原理和失效机理(初期失效、中期失效、晚期失效),在所有失效机理里着重研究键合线失效并指出缘由,进一步说明IGBT键合线老化失效对电参数的影响。(2)通过对IGBT实时状态监测的研究,设计了一种关于IGBT键合线老化失效监测的有效方式。利用从外部监测获得的相关电气参数,对运行中的IGBT设备进行实时检测,不会影响设备的正常工作。试验结果显示,该方案能够对IGBT键合线健康状况做出合理评价,适合于对城轨列车牵引逆变器IGBT键合线的健康状况进行在线监测。(3)根据国内某线路的相关数据,获得城轨列车牵引逆变器IGBT的相关电气参数,结合电热耦合模型得到的相关损耗数据,计算出IGBT和二极管结温的温升曲线。根据地铁列车实时运营数据分析结果,对地铁列车的牵引逆变器在IGBT全寿命周期内进行了寿命预期研究。(4)将某线路的运营数据导入电热耦合仿真模型中进行研究,运用雨流计算法和线性累积损伤理论对IGBT进行了寿命预测研究。通过考虑键合线老化方面提出城轨列车牵引逆变器IGBT寿命预测模型,该模型可以对IGBT做出考虑键合线老化因素的寿命估值,并使该值更贴近实际值。

关键词： 混合动力   永磁同步电机   转矩脉动   矢量控制   过调制优化  

摘要： 随着化石燃料紧缺以及环境污染等问题的加剧,传统的燃油车在市场上所占的比重越来越低,取而代之的是新能源汽车的崛起,但是纯电动车续航里程较短且充电速度慢,这些问题迟迟得不到解决,限制了其发展。混合动力汽车作为一种过渡车型,兼顾了传统燃油车与纯电动车的优点,成为研究的热点。永磁同步电机凭借其高功率、高效率和高稳定性等特点,成为混合动力汽车中应用最广泛的电机。永磁同步电机的控制通常采用转速电流双闭环的矢量控制系统,但由于永磁同步电机自身永磁体分布不均匀以及矢量控制系统的谐波特性,导致电磁转矩中存在较大的转矩脉动,进而影响整车稳定性以及乘坐的舒适性。本文依托于混合动力车用电机控制器PEU的开发项目,就如何扩大永磁同步电机转速范围,减小电机转矩脉动,平衡电机转矩质量与电机效率等问题展开研究,以满足混合动力汽车对电机控制的要求。主要研究内容如下:首先介绍重型商用车主流的混合动力系统结构和本文选用的双电机行星排功率分流式混动系统的结构和工作模式,并以某款商用车为应用对象,概述对其所用永磁同步电机和控制器的性能要求。简述永磁同步电机的基本结构、数学模型以及坐标变化,给出在不同转速下永磁同步电机的控制模式,并结合SVPWM算法介绍电流转速双闭环电机矢量控制模型。针对凸极式永磁同步电机的特点和参数以及最大转矩电流比(MTPA)控制下永磁同步电机转速范围无法充分利用的问题,分析了永磁同步电机在全速域下的调速方式,在电机矢量控制系统中加入超前角弱磁,实现了MTPA和超前角弱磁算法相结合的全速域功率扩展策略。在MATLAB/SIMULINK环境下搭建控制模型并仿真,证明了本文所设计的MTPA+弱磁控制在扩展电机转速方面的优势。其次,根据电机的数学模型和SVPWM过调制原理,提出了定量计算电机5次和7次转矩脉动的方法。针对永磁同步电机恒功率弱磁区转矩提升与效率优化难以兼顾的问题提出一种以弱磁和过调制算法为基础的电机性能评价函数,研究在弱磁高效区,采用过调制后达到转矩和效率的最优平衡点的实现方法。在控制模型中加入此优化后的过调制算法,通过仿真结果证明所设计过调制算法的有效性。最后,在本文电机控制算法基础上,介绍所设计的电机控制器的硬件原理和软件流程。控制板芯片选择德州仪器的TMS320F28335,电机控制器硬件电路包括电源模块、通信模块、旋变模块、CPU模块以及故障检测模块等。在软件方面,主要包括主流程、主循环和中断三个部分。软硬件设计完成后,搭建电机实验平台,进行实验研究,实测分析电机的谐波特性,转矩和效率关系以及电机外特性等,结果表明,所研究的全速域功率扩展策略及电机转矩和效率的优化方法有效。

关键词： 永磁同步电机   二阶滑模   RBF神经网络   扩张状态观测器   无差拍预测电流控制   线性/非线性ADRC切换控制  

摘要： 永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor,PMSM)具有结构简单、效率高、功率因数高等特点,使其在工业领域有着广泛的应用。PMSM传统的矢量控制系统速度环与电流环通常采用PI控制器,原理简单易于操作,但由于鲁棒性不强,容易受到参数变化及负载扰动的影响而降低调速品质,难以达到高性能调速要求。因此,研究PMSM调速系统先进控制策略势在必行。本文在矢量控制系统基本框架下,从级联式和一体式两种结构出发,研究高性能控制策略来提高PMSM系统调速品质,进行了以下相关内容的研究:提出了两种带扰动补偿的级联式永磁同步电机双环调速控制方案,有效解决了调速系统因综合扰动引起系统鲁棒性变差的问题。在速度环设计了滑模控制,并利用RBF神经网络逼近滑模控制中的未知的扰动,抑制抖振现象,在电流环采用无差拍预测电流控制,提高电机电流的动态性能,构成了基于RBF的滑模速度级联的PMSM无差拍预测电流控制调速系统;设计二阶滑模控制器,采用两个扩张状态观测器观测综合扰动,分别对二阶滑模速度控制器和无差拍预测电流控制器进行补偿,增强鲁棒性,提升速度、电流快速跟踪性能,搭建了基于ESO的二阶滑模速度级联的PMSM无差拍预测电流控制调速系统;最后通过仿真验证所提出控制策略的可实现性和优越性。设计了SMC-SADRC永磁同步电机控制器,提出了基于SMC-SADRC的永磁同步电机模型预测电流控制系统一体式策略。通过将跟踪微分器、滑模控制器和线性/非线性切换扩张观测器的有机组合得到q轴期望的电压,得到的一体式控制器取代了速度与q轴电流控制器级联结构。而d轴电流输出电压由无差拍预测电流控制得到。系统不仅结构简单,而且拥有良好的抗扰性和快速性。最后通过仿真验证所提出控制策略的有效性。搭建了PMSM电机矢量控制调速系统半实物实验平台,通过NI控制器控制变频器从而对电机进行速度调节。利用该平台对永磁同步电机调速系统进行半实物仿真验证,证明了所提出方案的有效性。该论文有图43幅,表10个,参考文献81篇。

关键词： 微生物发酵   状态反馈   最优控制   有限元配置法  

摘要： 甘油微生物发酵过程反应条件温和，副产物少，具有环保意义。国内外学者对甘油微生物发酵过程的参数辨识、最优控制等问题进行了大量研究，并且都相应取得了一些成果。　　本文主要研究甘油微生物连续发酵过程的状态反馈最优控制问题。针对甘油连续发酵过程，分别构建单目标和多目标状态反馈最优控制模型，并基于有限元配置法和?约束法设计了相应的求解算法对其进行求解。　　本文的研究内容及所得结果主要分为两个部分：　　1. 针对甘油微生物连续发酵过程，首先以终端时刻产物1,3-丙二醇浓度为优化目标，给出了一种最优控制模型，该模型的控制变量包含稀释速率与外部加入甘油浓度。通过构造控制变量与反应器中状态生物量和甘油浓度之间的线性或非线性函数关系，给出了一种线性状态反馈控制器和两种非线性状态反馈控制器，从而建立了三个以1,3-丙二醇浓度最大为目标的状态反馈最优控制模型。基于有限元配置法提出了一种算法分别进行求解，得到目标函数及各变量的最优解，并绘制出曲线图形。　　2. 针对甘油微生物连续发酵过程，考虑1,3-丙二醇浓度、甘油转化率，1,3-丙二醇转化率因素，构建了两种多目标最优控制模型，该模型的控制变量包含稀释速率与外部加入甘油浓度。通过构造线性状态反馈控制器，给出了两个多目标状态反馈最优控制模型。基于?约束法和有限元配置法提出了一种算法分别进行求解，最后对所得到的结果进行分析。

关键词： 再保险   随机波动率   最优控制   HJB方程  

摘要： 近年来,保险和再保险受到越来越多的关注,投保人数大规模增加.保险公司一方面选择购买再保险以有效规避风险,另一方面进行投资获得收益.数学模型可以量化金融风险,受现实因素的影响,参数会出现一定程度的波动.基于保险公司投资金额和再保险比例的可选择性,本文利用动态规划方法,建立了带随机波动效用的投资再保险组合模型,得到了最优策略和最优值函数.本文利用最优控制和再保险的相关理论,在带有随机波动效用的环境下,明确了保险公司的最佳再保险投资组合和最优值函数.第二章主要研究模糊厌恶型保险公司在带随机波动的Cram（?）r-Lundberg模型下的最优化问题.针对赔款过程的波动率分别为慢波动、慢均值回归波动、快均值回归波动的情况,利用动态规划原理得出了最优策略和值函数,进而证明了值函数的收敛性;利用算例分析,模拟了值函数的渐近曲线并刻画了参数变动下最优策略的变化.第三章考虑了基于消耗情况的投资再保险组合策略问题.风险资产采用Heston模型,通过求解HJB方程,给出了保险公司的最佳策略选择.第四章讨论了赔款过程带随机波动率、风险资产遵循Black-Scholes模型的双方资产优化问题.在保险集团包含保险公司和再保险公司的假设下,利用随机控制理论,以最小化期望效用和最大化加权终端财富为目标,分情况建立了保险集团的鲁棒最优资产配置策略和最优值函数.研究结果为保险公司制定投资再保险策略提供了参考依据,在金融领域具有一定的应用价值.

关键词： 开关磁阻   直接转矩控制   自抗扰控制   改进型DTC  

摘要： 开关磁阻电机作为一种极具潜力、高效节能的机电一体化产品,相较于其他电机具有优越的调速性能,同时因其生产成本低,可控性强以及效率高等突出优势,使得此类电机在工农业生产等领域得到广泛的应用。随着微计算机、电力电子和控制技术的迅速发展,使得该种电机能在性能上兼具交、直流调速系统的优点,相比于传统电机调速系统在市场上更具竞争力。但由于其设计上采用双凸极的结构,易产生磁路饱和,且其控制方面具有非线性,导致其存在转矩脉动大的问题,随之而来的是其导致的机体强振和强噪。针对这一问题,本文首先对开关磁阻电机的发展状况、性能特点及结构组成等进行了详细的分析介绍,然后基于开关磁阻电机的基本结构和运行原理推导出其数学模型,阐述直接转矩控制理论,在分析传统DTC控制的基础上提出了改进型DTC,并对两个方案分别搭建了仿真模块进行了仿真对比实验。其次介绍了自抗扰控制技术的发展过程和在控制性能上的优点,详细介绍了自抗扰控制的原理。分别建立了自抗扰控制的三个主要部分:跟踪微分器、扩展状态观测器和非线性反馈控制率的状态方程,详细分析了相关参数校正方法。在此基础上提出将自抗扰控制与直接转矩相结合的控制策略来抑制转矩脉动,搭建了MATLAB仿真模型并用仿真软件进行计算,并将其与直接转矩控制下的PI控制和模糊PID控制相比较,仿真结果表明相比于PI控制和模糊PID控制下的直接转矩控制,基于自抗扰控制器的SRM调速系统具有较好的动静态性能,抗扰能力更强,鲁棒性更好。最后在实验室利用STM32微控芯片为核心控制器设计出开关磁阻电机硬件实验平台,并利用Keil软件,分别编写PI算法和自抗扰控制算法程序,通过实验验证了自抗扰控制策略在开关磁阻电机调速系统中的有效性。实验结果表明,基于直接转矩的自抗扰控制技术能在电机的转矩脉动抑制方面很有成效。

关键词： IGBT模块   可靠性   结温标定   结温测量   主动热管理  

摘要： 电动汽车的大规模替代传统燃油汽车是实现“碳达峰”和“碳中和”的重要手段,而电驱变流器作为电动汽车的核心部件,其可靠性事关电动汽车行业发展。研究表明,电动汽车的启停、加速和减速等负载波动均会引起绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)的结温波动,将导致IGBT内不同封装材料间产生机械热应力,诱发封装材料或材料界面退化,进而导致IGBT器件失效,其失效是电驱变流器系统发生故障的重要原因。因此,针对电驱动用IGBT结温提取开展研究,并解析结温波动行为与变流器控制策略的关系,实现IGBT寿命提升,对提高电动汽车运行可靠性意义重大。本文围绕电驱动中IGBT模块主动可靠性管理问题,首先从电机控制器仿真系统入手,构建了IGBT器件温敏参数在电动汽车内标定的工况。然后基于IGBT正向导通物理特性,推导出采用窄温度范围标定数据即可完成拟合的IGBT结温计算模型,最后提出IGBT结温波动平滑控制的主动热管理策略,以实现可靠性的提升。论文的主要研究内容包括以下几个方面:(1)大电流下导通压降法是一种目前极具潜力的结温估测手段,但存在温敏参数标定困难和标定系数不能弥补器件因老化导致结温提取精度降低的问题。针对上述问题,论文首先概述了永磁同步电机建模和矢量控制理论,并搭建了电机控制仿真模型。探究了在电驱动内构建瞬时大电流标定工况的控制策略,分析了基于电驱动中的电流传感器、IGBT模块集成的负温度系数(Negative Temperature Coefficient,NTC)热敏电阻和外加的IGBT导通压降测量电路实现大电流下导通压降与结温关系在车标定的可行性。(2)温敏参数在车标定温度范围较窄,不能全覆盖IGBT器件工况中出现的温度。该局限要求提出的结温计算模型需要有更好的鲁棒性和外推性。为此,论文基于IGBT正向导通物理特性,推导出不依赖半导体材料参数的IGBT简化通态模型。对比分析了提出模型相对传统三次多项式模型所具有的优势,讨论了采用窄范围温度标定参数而导致模型产生误差的原因,并给出了提高结温估测准确度的措施,搭建了7.5k W永磁同步电机对拖实验平台,验证了温敏参数在车标定的可行性以及所提结温计算模型的准确性。(3)目前大部分主动热管理策略仅能平滑器件升温或者降温的单一工况,难以满足电动车工况变化引起的升温与降温交替的场景,论文采用多参量协同控制,共同平抑结温波动。首先搭建了IGBT电热耦合仿真模型,结合已建立的电机控制模型,可仿真分析电动汽车运行工况中结温变化情况。然后总结了电动汽车运行工况下IGBT寿命损伤度计算流程,为评价不同主动热管理策略控制效果做准备。考虑电机控制特点,甄选出定子电流和开关频率作为结温调节参量,通过双滞环将二者结合形成多参量协同控制的主动热管理策略。所提策略可有效减少严重影响IGBT寿命的大幅度热循环的次数,显著提高IGBT可靠性。