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关键词： 永磁同步电机   矢量控制   自抗扰控制   滑模控制   灰狼算法  

摘要： 永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)因其高效率、高功率密度、优越的动态性能以及良好的运行稳定性,被广泛应用于新能源汽车、家用电器、航空航天、工业自动化等多个领域,尤其在新能源汽车领域中,PMSM已成为主流驱动电机。在PMSM的调速系统中,PI控制凭借其实现简单、成本低廉、调速性能稳定等优点得到了广泛应用。然而,PI控制对系统参数变化和外部干扰的鲁棒性较差,在复杂工况下难以满足高性能控制的需求。为解决这一问题,本文将自抗扰控制引入到PMSM调速系统中,以达到提升PMSM调速性能和抗扰性能的目的。本文主要研究内容如下: (1)PMSM矢量控制研究。分析了PMSM矢量控制原理,基于坐标变换搭建了PSMSM数学模型。使用了空间脉宽调制技术,搭建了基于PI控制器的PMSM矢量控制模型并对其进行分析,根据仿真分析可知,PI控制还是存在超调量大、抗干扰能力差等问题。 (2)PMSM自抗扰控制研究。将自抗扰控制理论引入到电机控制系统中,对传统自抗扰控制器进行降阶处理,设计了转速环一阶自抗扰控制器。针对自抗扰控制器中采用的非线性fal函数容易引起抖振的问题,提出了新的非线性光滑函数并构建连续光滑扩张状态观测器。根据仿真分析可知,改进自抗扰控制能够有效减少系统超调量,提高了系统响应速度,还能够有效抑制电磁转矩的波动,具有更优异的抗干扰能力。 (3)PMSM滑模自抗扰控制研究。为进一步提升PMSM调速性能与鲁棒性,将滑模控制引入到自抗扰控制研究中。为了平衡滑模控制器收敛速度和抖振之间的关系,提出了一种改进指数趋近律,并以此设计了基于改进扩张状态观测器的复合滑模控制器。针对滑模自抗扰控制器参数难以整定的问题,引入了改进灰狼算法以优化控制器参数配置。根据仿真分析以及实验验证可知,改进滑模自抗扰控制器能够进一步提升系统响应速度,并且在突加负载扰动的情况下具有较好的鲁棒性。

关键词： Insulated gate bipolar transistors (IGBT)  

摘要： The insulated gate bipolar transistor (IGBT) module is a critical component of the traction converter in rail transit vehicles, and its reliability is essential for the safe operation of these vehicles. Junction temperature is a key parameter affecting the performance and reliability of IGBTs. Existing onboard traction converters lack effective methods for real-time monitoring of the IGBT module's junction temperature. To address this issue, this paper proposes a reduction thermal modeling approach based on Galerkin projection for real-time assessment of the junction temperature in IGBT modules. The high-order heat conduction equations can be projected into a subspace by only inputting the converter's IGBT module's convection coefficient and power loss and utilizing an eigenvalue decomposition method based on singular value decomposition to extract basis vectors. This allows for generating a thermal field temperature map of the IGBT chip without additional external circuits or sensors, facilitating real-time and accurate evaluation of the IGBT module's junction temperature. Finally, a power cycling experimental platform for the IGBT module was established, and comparative experiments under various operating conditions were conducted. The experimental results validate the real-time and accuracy of the proposed method for assessing the junction temperature of IGBT modules. © 2015 IEEE.

关键词： 种内竞争模型   微分方程   最优控制   抛物系统  

摘要： 本论文主要研究带扩散的种群模型的最优收获问题,特别针对具有种内竞争特征的种群系统进行建模与控制分析.研究对象包括两个子种群的种内竞争模型和三个子种群的种内竞争模型,分别探讨其对应的最优捕获策略.在最优捕获问题中,系统以抛物型偏微分方程组描述种群随时间和空间的演化过程,状态变量代表各子种群的密度分布,控制函数则表示收获种群的比例.目标泛函为总收益,旨在寻找最优控制策略以实现利润的最大化. 由于本文所研究的问题涉及耦合的抛物型偏微分方程组,状态变量与控制变量之间呈现出强耦合特征,从而显著提升了问题求解的难度.为应对此类复杂结构所带来的挑战,本文引入了变分分析、泛函理论及最优控制理论中的极小化序列方法,对控制问题中解的存在性进行了系统探讨.具体而言,首先构造了一组极小化序列,并对该序列进行了收敛性分析,进而证明其极限函数满足控制系统的约束条件,从而得到一个可行解,并据此论证了最优控制解的存在性.在此基础上,利用变分法进一步推导出最优控制的必要条件和优化系统,并利用优化系统的解求出最优控制的表达式.通过证明优化系统的解的局部唯一性,得到最优控制的唯一性,这为控制目标的合理实现提供了理论保障. 本文首先介绍了研究背景、选题意义、国内外研究现状、研究内容及研究方法.其次,本文研究了两个子种群的最优捕获问题,讨论了最优控制的存在性、必要条件及唯一性.第三,本文在两个子种群的基础上将成年种群拓展为中年种群和老年种群,讨论了最优控制策略的存在性、必要条件及唯一性.最后,总结了本文的研究内容及研究方法.

关键词： Cascaded H-bridge (CHB)   driving cycle   driving cycle   energetic macroscopic representation (EMR)   energetic macroscopic representation (EMR)   electric vehicles   electric vehicles   loss evaluation   loss evaluation   modular multilevel converter (MMC)   modular multilevel converter (MMC)   multilevel inverter (MLI)   multilevel inverter (MLI)   Multilevelbattery storage system (BSS)   Multilevelbattery storage system (BSS)   SiC inverter   SiC inverter  

摘要： Electric Vehicles (EVs) based on Cascaded H Bridge (CHB) promise reduced consumption and improved modularity, repairability, resilience, and versatility. This study focuses on evaluating the efficiency of CHB inverters utilizing low-voltage Si MOSFETs to improve EV performance and range. Through a comprehensive system-level approach and modeling, a simulation of the CHB-based powertrain is developed and experimentally validated. Electrical and mechanical simulations are conducted separately and finally combined to streamline computation times. Subsequently, CHB-based EV is compared with standard two-level inverters (2LI) across different driving cycles, considering multiple sources of losses from the battery to the road. Despite increased battery losses, CHB proves reduction of consumption during urban driving cycles, making it a compelling choice for sustainable commuter vehicles.

关键词： 氙灯驱动电路   IGBT   CMOS   双回路调节   PID控制  

摘要： 本文提出了基于IGBT（绝缘栅双极型晶体管）与CMOS（互补金属氧化物半导体）双回路调节的氙灯驱动电路，旨在克服传统驱动电路的局限性。该设计通过将IGBT用于主要电流的控制，承载系统85%的电流负载，而CMOS则用于精确调节剩余的15%电流，以实现更高的调节精度与稳定性。此外，通过集成辐照度传感器和PID控制算法，系统能够实时调整氙灯的输出光强，确保光源的稳定性和一致性。通过合理分配电流负载和精确的反馈控制，不仅在功率管理上表现优异，还显著提高了系统的可靠性和氙灯的寿命，具有广泛的应用前景和推广价值。

关键词： 薄衬底   硅外延   多层   均匀性   滑移线  

摘要： 文章阐述采用化学气相外延方法，以直径(150±0.2)mm、厚度(525±15)μm的薄硅衬底为基底材料，生长功率器件1 200 V绝缘栅双极型晶体管(IGBT)用多层厚膜高阻硅外延材料，所需外延规格为：第一层外延厚度(35±3%)μm，外延电阻率(3±3%)Ω·cm，继续生长第二层外延，第二层外延厚度(105±3%)μm；外延电阻率(55±3%)Ω·cm，第二层外延厚度数值是第一层外延的3倍，第二层外延电阻率数值是第一层外延的约18倍，总厚度已经达到140 μm。通过对外延生长所需的流场、热场结构的自主设计和实施，采用傅里叶红外光谱分析仪(FT-IR)、汞探针电容-电压测试仪(Hg C-V)等测试设备对外延层厚度和电阻率等参数进行了测试和详细分析，最终成功在薄硅衬底上制备出外延层厚度的不均匀性<0.8%、外延层电阻率的不均匀性<1.0%且表面无滑移线和裂纹的1 200 V IGBT功率器件用多层厚膜高阻外延材料。

关键词： 死区效应   共模电压尖峰   直接转矩控制   模型预测控制、空间矢量调制  

摘要： 共模电压(CMV)会对电机轴承造成极大损害,严重影响电机的使用寿命;此外,产生的电磁干扰还会影响电机的安全运行,降低系统的可靠性,必须采取科学有效的措施来进行抑制。部分现有的抑制共模电压的措施并未考虑死区时间,在死区时间由于逆变器的两相的换流时间区间出现了重叠造成了零矢量的出现,故而出现了共模电压尖峰。论文以考虑死区效应影响的永磁同步电机为研究对象,从数学建模出发,通过分析死区效应对共模电压的影响,针对死区效应引起的共模电压尖峰采用改进的直接转矩控制方法(DTC)、模型预测控制方法(MPC)和空间矢量脉宽调制方法(SVPWM)来实现共模电压抑制,具体内容如下: (1)基于虚拟空间矢量直接转矩控制的共模电压抑制策略。 由于单矢量DTC消除CMV尖峰时排除某些最佳矢量,造成转矩纹波和电流谐波显著增加的问题,难以满足高性能要求,为此提出一种虚拟空间矢量直接转矩控制方法。利用两个相邻或相反的有源矢量按一定比例合成离散的虚拟矢量来拓展虚拟矢量集,并将其以奇数矢量为头矢量偶数矢量为尾矢量的方式排布,以此来避免CMV尖峰。所提出的方法保持了DTC简单的控制结构和良好的动态性能。所提出的DTC方法的电流THD和转矩纹波分别比DTC I低约25%和20%,明显改善了稳态性能;与DTC II相比,所提出的DTC的CMV幅值降低了约1/3。 (2)基于增强型混合集模型预测控制的共模电压抑制策略。 传统MPC合成虚拟矢量会用到零矢量,改进的MPC虽然弃用零矢量,但由于死区效应的影响,可能会产生共模电压尖峰。为此提出一种增强型混合集模型预测控制方法。采用两个有效矢量以连续可调的占空比来合成虚拟矢量,并根据当前周期最后一个矢量状态实时查表确定矢量排序的奇偶性;根据边缘矢量占空比是否为零对其进行二次校正,以此来避免夹角为120°的矢量切换。与VV-MPC I相比所提出的VV-MPC中的CMV幅度降低了约1/3,与VV-MPC II相比所提出的VV-MPC虽然开关频率增加约3%～12%,但电流THD比降低约20%～35%。 (3)基于空间矢量脉宽调制的共模电压抑制策略。 基于SVPWM的共模电压抑制策略通常只讨论了一个周期内部的共模电压抑制作用,而对于换流期间以及相邻周期之间矢量切换时产生的的共模电压尖峰抑制缺乏研究,且现有的方法在抑制共模电压时开关损耗过高,对此提出一种空间矢量脉宽调制方法。以上一周期末矢量为起点动态划分矢量平面,在避免夹角为120°的矢量切换的基础上使开关动作次数最小进行矢量排序。该方法通过动态划分区域及合理安排矢量排序在不排除任何备选矢量的条件下消除了共模电压尖峰;且提出的空间矢量调制策略(SVM)的开关频率比邻近矢量脉宽调制(NSPWM)低约25%,比等效零矢量脉宽调制(AZPWM)低约30%。 该文使用三种方法来抑制CMV并消除CMV尖峰,这三种方法属于现代电机控制的三大领域,DTC侧重快速响应,MPC追求多目标优化,SVM实现高精度调制。它们都是解决电机控制相关问题的策略,在矢量控制体系中相互关联、功能互补,共同为电机控制性能提升服务。

关键词： Insulated gate bipolar transistors (IGBT)  

摘要： Silicon-based insulated gate bipolar transistor (Si IGBT) is a crucial device in high-power systems. However, the enormous switching loss (ESW) has always been the primary problem that limits its applications. To reduce ESW, inspired by the SiC JFET/Si MOSFET Cascode (SSMC), a SiC JFET and low voltage Si IGBT Cascode (***) is proposed and validated by experiment and technology computer aided design (TCAD) simulation . In the ON-state, due to the bipolar conduction mode, the *** has stronger current conductivity than SSMC. But the tail current (Itail) is still serious during turn-off transient. To optimize the switching transient and eliminate Itail, an absorption capacitor (CA) and a boost capacitor (CB) are adopted in ***. Through switch characteristic testing, the proposed *** with CA and CB is verified. The research results show that the ESW of *** is 42.5% lower than that of conventional Si IGBT at 600 V/60 A. At the current of 80 A and switching frequency of 200 kHz, the power loss of *** is 26.8% and 6.9% lower than that of the SiC MOSFET and SSMC, respectively. Additionally, In boost circuit testing, under a duty cycle of 70% and working current of 20 A, the *** achieves similar conversion efficiency to SiC MOSFET. The advantage become more apparent as the operating current increases. © 2013 IEEE.

关键词： Fatigue   Wires   Bonding   Monitoring   Insulated gate bipolar transistors   Electromagnetic interference   Multichip modules   Impedance   Probes   Inductance   Bonding wires fatigue   differential mode (DM) impedance   dual current probe   insulate-gate bipolar transistor (IGBT)   reliability  

摘要： Bonding wires fatigue is a common fatigued mode of power modules, and in situ monitoring of bonding wires fatigue in insulate-gate bipolar transistor (IGBT) modules is highly efficient and economical for improving reliability. In this article, we innovatively propose a monitoring method based on the dual-current probe method to extract the differential mode (DM) impedance of IGBTs and realize the online monitoring of bonding wires with dual-current probe technology for the first time. Taking the Buck converter built by IGBT module as an object, we analyze the influence of parasitic parameters on DM interference signal and investigate the correlation between DM impedance and bonding wires fatigue. A dual current probe is used to measure the changes of DM interference signal in real time to monitor the health status of the bonding wires. The experimental results show that the method does not need to destroy the package, and the fatigue can be evaluated in real time in the frequency band (18-21 MHz), where the DM interference signal changes significantly, with a sensitivity of about 3 Omega/root. Due to the parasitic inductive and capacitive coupling effects in this band, it is sensitive to DM the electromagnetic interference (EMI) signal variations with low noise and attenuation. This method identifies potential faults in a nonintrusive way, improving the reliability and safety of IGBT modules.

关键词： 模块化机器人   人机交互   自适应动态规划   迭代学习优化   最优控制  

摘要： 当前,全球工业正加速迈向以“人机共融”为特征的新阶段,强调将人类重新融入生产核心,与机器人协同完成高附加值任务。这一趋势不仅聚焦效率提升,更注重发挥人机优势互补,以回应日益增长的个性化生产需求,标志着人机协作将在未来工业发展中发挥关键作用。在人机共融协作任务中,如何提升机器人对人类运动意图的感知能力,已成为交互控制领域亟待突破的关键问题。在人机交互过程中,机器人需实时感知交互力信号,准确识别人类意图,并据此动态调整控制策略,以适应复杂多变的任务环境。模块化机器人凭借其灵活的构形能力与卓越的环境适应性,在这一应用场景中展现出显著优势。探索其在人机交互过程中的优化控制方法,不仅有助于提升协作效率与智能化水平,也为智能制造的转型升级提供了坚实的技术支撑,具有重要的理论价值与工程意义。 因此,本文针对面向共融协作任务的模块化机器人系统迭代学习优化交互控制方法展开深入的研究以及探讨,全文的主要内容包括: 1、阐明了研究的背景与意义,并系统梳理了模块化机器人在国内外的发展现状,重点围绕其控制方法及关键技术进行了综述分析。 2、针对装配谐波传动装置模块化机器人系统,建立了基于关节力矩反馈方法的多自由度动力学模型,并深入分析了系统间的不确定性因素,如摩擦力及交联耦合项等。针对机器人系统的各个模块,构建对应的子系统模型,并列写其状态空间方程,为后续章节的控制方法奠定理论基础。 3、针对短时间人机交互任务且内置谐波减速器的模块化机器人,构建非线性谐波传动柔度模型以进行力矩估计,并结合人类肢体阻抗模型,利用径向基神经网络对人类运动意图进行估计。基于上述信息,依托自适应动态规划理念,将物理人机交互任务转化为最优轨迹跟踪任务。利用单评判神经网络结构进行策略迭代求解哈密顿-雅可比-贝尔曼方程,进而获得最优交互控制律。 4、考虑长时间人机交互任务协作过程中人类操作员的不确定性与任务的复杂程度,为精准估计人类运动意图并确保任务的同步执行,提出基于一维卷积神经网络的执行-评判-辨识结构。执行-评判-辨识结构优势在于学习过程可并行且持续进行,从而提高系统在复杂交互环境下的协同效率。同时,在辨识结构中引入一维卷积神经网络,以利用历史交互数据对人类运动意图进行精准辨识。通过结合时间注意力机制和通道注意力机制,对历史交互数据进行有效特征提取与处理,同时采用自适应矩估计优化方法动态更新网络参数,以提升辨识精度和适应性。基于自适应动态规划方法,利用值迭代的方法求解哈密顿-雅可比-贝尔曼方程以获得最优控制律。 最后对全文研究工作进行了总结,并展望了未来的研究方向。