微機電系統（MEMS）器件的構成涉及微電子、微機械、微動力、微熱力、微流體學、材料、物理、化學、生物等多個領域，形成了多能量域并交叉耦合。為其產品的建模、仿真以及優化設計帶來了較大的難度。由于靜電驅動的原理簡單使其成為MEMS器件中機械動作的主要來源。而梳齒結構在MEMS器件中有廣泛的應用：微諧振器、微機械加速度計、微機械陀螺儀、微鏡、微鑷、微泵等。所以做為MEMS的重要驅動方式和結構形式，靜電驅動梳齒結構MEMS器件的耦合場仿真分析以及優化設計對MEMS的開發具有很重要的意義。本課題的研究對靜電驅動梳齒結構MEMS器件的設計具有較大的理論研究意義。 本文的研究工作主要包括以下幾個方面： 1、采用降階宏建模技術快速求解靜電梳齒驅動器靜電－結構耦合問題，降階建模被用于表示微諧振器的靜態動態特性。論文采用降階建模方法詳細分析了靜電梳齒驅動器的各參數對所產生靜電力以及驅動位移的關系；并對靜電梳齒驅動器梳齒電容結構的靜電場進行分析和模擬，深入討論了邊緣效應的影響；還對微諧振器動態特性的各個模態進行仿真分析，并計算分析了前六階模態的頻率和諧振幅值。仿真結果表明降階建模方法能夠快速、準確地實現多耦合域的求解。 2、從系統角度出發考慮了各個子系統對叉指式微機械陀螺儀特性的影響，系統詳細地分析了與叉指狀微機械陀螺儀性能指標－靈敏度密切相關的結構特性、電子電路、加工工藝和空氣阻尼，并在此分析的基礎上建立了陀螺的統一多學科優化模型并對其進行多學科優化設計。將遺傳算法和差分進化算法的全局尋優與陀螺儀系統級優化相結合，證實了遺傳算法和差分進化算法在MEMS系統級優化中的可行性，并比較遺傳算法和差分進化算法的優化結果，差分進化算法的優化結果較大地改善了器件的性能。 3、從系統角度出發考慮了各個子系統對梳齒式微加速度計特性的影響，在對梳齒式微加速度計各個學科的設計要素進行分析的基礎上，對各個子系統分別建立相對獨立的優化模型，采用差分進化算法和多目標遺傳算法對其進行優化設計。證實了差分進化算法和多目標遺傳算法對多個子系統耦合的系統級優化的可行性，并比較了將多目標轉換為單目標進行優化和采用多目標進行優化的區別和結果，優化結果使器件的性能得到了改善。
上傳時間： 2013-05-15
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近年來，由于能源危機和環境污染，世界各國均在投巨資發展燃料電池汽車。雙向DC/DC變換器作為燃料電池汽車的中重要部件，需要隨著行駛狀態的改變，頻繁地切換其工作狀態，其動態性能好壞，直接決定汽車動力系統的響應速度。本文主要致力于對DC/DC變換器在不同控制策略下的動態性能進行研究，并在保證其穩態性能的前提下提高系統動態性能。 本文首先研究了線性控制策略下DC/DC變換器的動態性能。介紹了閉環控制系統在頻域和時域的動態性能指標以及二者之間的關系。當系統受到外部干擾較小時，采用頻域分析方法，對Buck和Boost變換器進行了小信號建模，并對其在不同線性補償網絡控制作用下的動態性能進行對比分析。當系統受到較大干擾時，采用時域分析方法，文中介紹了DC/DC變換器大信號建模方法，并對PID參數在工程上整定方法加以分析。 DC/DC變換器是一非線性系統，應用線性控制策略不可避免地存在一定局限性—動態性能和穩態性能之間的矛盾。針對這一問題，引入了模糊—PI控制，將其應用于DC/DC變換器，以在保持系統穩態性能不變的前提下，提高其動態性能。以Buck DC/DC變換器為例，詳細介紹了模糊-PI控制器的設計過程，并對設計的閉環控制系統用MATLAB進行建模與仿真。最后，通過實驗對比驗證了模糊—PI控制的有效性。 和線性控制策略相比，模糊—PI控制在一定程度上提高了系統的動態性能，但效果有限。本文引入了另一種非線性控制策略——滑?？刂撇呗浴；？刂撇呗允悄壳皠討B性能最好的控制策略之一，可以極佳地發揮系統的硬件潛能。 本文首先介紹了滑?？刂葡嚓P知識，推導了其應用于Buck和Boost變換器的理論基礎。設計出針對不同被控對象和工作狀態的控制策略，對每種控制策略通過仿真分析驗證其有效性。就滑?？刂拼嬖诘撵o差問題、抖振問題和變頻問題均提出了行之有效的解決方案。快速響應特性
上傳時間： 2013-08-01
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三相電壓不平衡度是衡量電網電能質量的一個重要指標。在三相系統中，引起電壓不平衡的主要原因是發電機的輸出電壓不平衡和負載不平衡兩方面，電壓不平衡比較嚴重時，會給系統帶來諸多危害。近年來，STATCOM因其動態響應速度快，電流諧波含量小，裝置體積小等優點，在電壓不平衡補償中的應用越來越廣。 首先本文研究了基于IGCT的STATCOM主電路。為了獲得更高的輸出電壓，通常需要將IGCT串聯使用。然而在器件串聯使用時，由于其特性的差異會產生暫態電壓分配不均衡，導致個別器件上產生過電壓而威脅器件的安全，嚴重時會燒毀器件。因此需要采用均壓電路來保證串聯結構中電壓的平均分配。本文重點對IGCT串聯均壓電路和緩沖電路進行了設計，在分析串聯均壓電路的同時，計算了吸收電容和吸收電阻的取值范圍。而后，對緩沖電路進行了Pspice仿真，通過仿真驗證了均壓電路的工作效果。結果表明，吸收電容和吸收電阻的取值合適，能夠對IGCT的串聯運行起到很好的保護作用。本文還對100Kvar/660VSTATCOM的主電路進行了參數設計，對IGCT的型號和各主要元件進行了選擇。 本文重點研究了不平衡系統中STATCOM的控制策略。建立了基于IGCT的STATCOM的數學模型；根據STATCOM的電流暫態模型，對電流電壓進行序分解，并做D—Q坐標變換，建立STATCOM在靜止坐標系下的正、負序數學模型?；诮⒌呢撔蚰Ｐ?，研究STATCOM在不平衡情況下的控制策略，本文采用無差拍控制方法；根據實際補償時遇到的問題：收斂速度慢、依賴固定的負載模型、魯棒性差等，對無差拍控制方法進行了優化設計。該優化方法在傳統無差拍的基礎上引入了參考電流觀測器和狀態觀測器；文中具體設計了這個改進無差拍控制器和其相關電路。經分析與仿真驗證了本文提出的優化控制方法，將該方法應用于STATCOM不平衡補償器，取得了良好的不平衡補償性能、快速的動態響應和良好的魯棒性。
上傳時間： 2013-06-05
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逆變電源的發展是和電力電子器件的發展聯系在一起的，隨著現代電力電子技術的迅猛發展，逆變電源在許多領域的應用也越來越廣泛，同時對逆變電源輸出電壓波形質量提出了越來越高的要求。逆變電源輸出波形質量主要包括三個方面：一是輸出穩定精度高；二是動態性能好；三是帶負載適應性強。因此開發既具有結構簡單，又具有優良動、靜態性能和負載適應性的逆變電源，一直是研究者在逆變電源方面追求的目標。本文對逆變電源三閉環控制方案、輸出相位控制、逆變電源數字化控制系統進行研究，以期得到具有高品質和高可靠性的逆變電源。 本文研究了單相全橋逆變電源與三相橋式逆變電源主電路參數，包括逆變器、吸收電路、驅動電路、變壓器和濾波器，并對逆變電源變壓器的偏磁產生原因進行了深入分析，最后給出了有效的抗偏磁措施。針對三相橋式逆變電源通常不能保證三相電壓輸出平衡，研究了一種可以帶不平衡負載的三相逆變電源。研究了逆變電源的控制原理，建立了逆變電源系統動態模型，在此基礎上對逆變電源的各種控制方案的性能進行了對比研究，從而確定了一種新穎的高性能逆變電源多閉環控制方案。另外，針對逆變電源輸出相位存在固有滯后問題，采用了一種利用電壓瞬時值內環對逆變電源滯后的相角進行補償控制的策略，分析表明上述控制策略雖然有效，但無法做到輸出相角穩態無差，對此，提出一種移相控制方案設想，相當于在原多環控制方案的基礎上加了一個相位控制環。這樣可以使逆變電源輸出相位誤差得到有效的補償，輸出相位精度更高。文章設計了逆變電源數字控制系統，采用TMS320LF2407A控制產生SPWM波，給出控制系統DSP程序運行流程圖，并用DSP對其進行了實現數字化。多環反饋控制系統的采用，使系統具有優異的穩態特性、動態特性和對非線性負載的適應性，使逆變電源的性能得到有效提高。
上傳時間： 2013-04-24
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空調壓縮機是空調器的核心部件。傳統定速空調器中壓縮機多采用單相異步電動機，對電機采用簡單的開關式控制，電能損耗、室溫波動及噪音都很大，壓縮機容易受沖擊損壞。隨著人們生活水平的提高及能源短缺問題的出現，將變頻調速技術應用于空調器中，將變頻壓縮機取代傳統定頻定速壓縮機，對其進行變頻調速將使壓縮機減少開停次數，降低室溫波動，提高舒適度，獲得了更好的空氣調節效果和實現節能降耗的要求。 空調系統是一個典型的多輸入多輸出、具有大滯后特性的菲線性系統。要對空調壓縮機進行變頻調速，需要根據房間溫度的變化得出壓縮機的頻率值。由于空調系統精確的數學模型難以取得，且時間常數較大，傳統的PID調整不僅費時費力，性能指標也不能令人滿意。因此，將模糊控制技術引入空調壓縮機的變頻調速控制，建立模糊控制器，以房間溫度的變化和變化率為輸入，壓縮機的頻率為輸出。對于提高空調系統的控制精度、穩定性和可靠性，無論從學術研究角度出發，還是在工程應用方面，都具有相當的現實意義。 本文分別從三相異步電動機的變頻調速技術、變頻空調控制策略等方面進行了探討分析。首先將模糊控制技術應用到空調壓縮機變頻調速中，根據建立模糊控制規則的基本思想及實際運行經驗，通過模糊控制技術使空調壓縮機具有自調整的智能特性，從而得出最佳的動態控制參數，克服了PID控制器控制精度較低、消除穩態誤差能力差的缺點。 然后詳細闡述了SVPWM的基本原理，對空間矢量調制（SVPWM）方式及其實現方法進行了探討。在變頻壓縮機的控制中采用先進的SVPWM調制技術，壓縮機能根據室內需要的冷（熱）量不同，連續地、動態地、實時地調整其制冷（熱）量，始終保持在較合理的運轉狀態下。能夠進一步提高電壓的利用率和頻率分辨率，并使壓縮機運行更加平穩，提高空調的效率，達到節能降耗的效果。
上傳時間： 2013-04-24
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近年來，隨著大規模集成電路的飛速發展，微控制器和數字信號處理器的性價比不斷提高，數字控制技術已逐步應用于大中功率高頻開關電源。相對于傳統模擬控制方式，數字控制方式具有電源設計靈活、外圍控制電路少、可采用較先進的控制算法、具有較高可靠性等優點。 高頻開關電源具有體積小、重量輕、效率高、輸出紋波小等特點，現已逐步成為現代通訊設備的新型基礎電源系統。針對傳統開關電源中損耗較大、超調量較大、動態性能較差等問題，本文采用基于DSP的全橋軟開關拓撲結構。全橋軟開關移相控制技術由智能DSP系統完成，采樣信號采用差分傳輸，控制算法采用模糊自適應PID算法，產生數字PWM波配合驅動電路控制全橋開關的通斷。在輸入端應用平均電流控制法的有源功率因數校正，使輸入電流跟隨輸入電壓的波形，從而使功率因數接近1。最后通過Matlab仿真結果表明模糊自適應PID控制算法比傳統PID控制算法在超調量，調節時間，動態特性等性能上具有優越性。 論文以高頻開關電源的設計為主線，在詳細分析各部分電路原理的基礎上，進行系統的主電路設計、輔助電路設計、控制電路設計、仿真研究、軟件實現。重點介紹了高頻變壓器的設計及模糊自適應PID控制器的實現。并將輔助電源及控制電路制成電路板，以及在此電路板基礎上進行各波形分析并進行相關實驗。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著功率開關器件的進步，大量的電力電子變流裝置在國民經濟各領域獲得了廣泛應用，但是這些變流裝置大部分都需要整流環節。傳統的不控整流或相控整流存在網側功率因數低、電流畸變嚴重等缺點。PWM整流器可實現正弦的網側電流、單位或可調的功率因數、能量的雙向流動，是一種真正意義上的“綠色環?！彪娏﹄娮友b置。PWM整流器可分為電壓型PWM整流器(Voltage—SourceRectifier，VSR)和電流型PWM整流器(Current—SourceRectifier，CSR)。CSR具有直接控制輸出電流、動態響應快、限流能力強等特點，在一些中、大功率應用場合，較之VSR，在經濟和技術上更具優勢。 本文針對電網電壓平衡、不平衡情況、多模塊直接并聯幾個方面，對三相CSR及其控制策略展開了深入研究，論文的主要工作和取得的創新性成果如下： 1、在電網電壓平衡情況下，提出了三相CSR的直流電流非線性解耦控制策略和交流電流非線性解耦控制策略，實現了有功功率和無功功率的獨立、解耦控制，獲得了線性的動態響應。直流電流非線性解耦控制策略是直流電流控制和網側無功電流控制并行的控制策略，具有較快的直流電流響應速度；交流電流非線性解耦控制策略是直流電流(或電壓)控制和網側電流控制級聯的控制策略，具有結構簡單，便于獨立設計直流和交流控制器的特點。 2、考慮了電網電壓不平衡和濾波器參數三相不對稱的情況，提出了基于瞬時有功功率調節的三相CSR的不平衡補償策略，消除了直流電流脈動分量，實現了網側可控的功率因數和正弦的交流電流；提出了基于滑模控制的交流電流控制策略，簡化了控制器結構，實現了對網側電流的無差跟蹤。 3、建立了多模塊直接并聯CSR的環流模型；對任一并聯模塊，提出了總直流電流控制器外加2個均流控制器的直流側控制器結構，保證了流過各模塊上、下橋臂的電流均相等，并且各模塊僅共享總直流電流控制器輸出信號，最大可能地保證了各模塊控制的獨立性。 4、建立了三相CSR實驗系統，進行了初步的實驗研究。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著電力電子技術的發展，各類電力電子裝置應運而生，這些產品在出廠前需要根據不同的需要進行相應的測試和校驗。傳統的負載測試存在著能耗大、靈活性差等諸多缺點，已經越來越不能滿足各種測試場合的要求，特別是一些要求用動態變化的負載、非線性負載、具有負阻特性的負載以及有源負載等測試場合。因此針對這一問題，本文利用電力電子技術結合計算機技術、控制技術等設計了一種通用的交流電子負載模擬裝置，以滿足各種測試場合的要求。 @@ 交流電子負載是一種可以模擬真實負載的電力電子裝置，它不但可以模擬傳統的線性負載，也可以模擬各種非線性負載、有源負載等其他形式的負載。目前國內外對電子負載的研究還不成熟，有些是使交流電源按照一定的功率放電，但是輸出電流卻與真實負載測試下的電流有較大的差別；而有些雖然能夠準確控制電源的放電電流取得和真實負載一樣的效果，但試驗電能完全被消耗掉，造成很大的浪費。本文研究的新型交流電子負載克服了以上電子負載方案的缺點，可以滿足各種試驗場合的測試需求，能夠在很大程度上減少能量浪費，豐富試驗樣式且節約試驗成本。 @@ 本文分析了能饋式交流電子負載的模擬原理，確定了采用中間直流環節的交-直-交主電路結構，其一端接待測交流電源，另一端接低壓交流電網。前級負載模擬環節和后級能量回饋環節均采用可四象限運行的電壓型PWM（Pulse Width Modulation）變換器。負載模擬環節直接與待測電源連接，采用電流滯環瞬時值比較方式，使電源輸出的實際電流信號準確、快速的跟蹤其指令電流信號值，使得電子負載對待測電源呈現設定的負載形式，完成電子負載的模擬功能；能量回饋環節與電網連接，通過控制輸出電流與電網電壓同頻、同相位，實現試驗電能的單位功率因數回饋電網的目的，變換器的控制采用常規的雙閉環控制方式，電流內環控制實際電流跟蹤指令值的變化，電壓外環通過控制輸出電流的大小使直流側母線電壓穩定為設定指令值。 @@ 電子負載系統在負載模擬部分通過人機接口設定具體負載形式和負載屬性，為了更加準確快速的得到電流指令信號值，文中采用更加直接的數值計算方 法，由數字信號處理器實時計算出該給定負載模式下的指令電流值。使用交流小信號分析法得到了系統的頻域方塊圖，并對主電路元件參數以及調節器進行了優化設計。針對大功率開關管開關頻率存在的限制，本文提出了幾種提高電流跟蹤精度的改進方法，取得了良好的效果。整個系統在PSIM平臺上進行了不同工作模式下的仿真，仿真結果表明方案切實可行。最后依據仿真方案設計基于TMS320F2812的控制系統和功率電路，使用PROTEL軟件進行了原理圖的繪制。@@關鍵詞：電子負載；能量回饋；電壓型變換器；滯環PWM電流控制；雙閉環；PWM整流器
上傳時間： 2013-05-26
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數字技術、電力電子技術以及控制論的進步推動弧焊電源從模擬階段發展到數字階段。數字化逆變弧焊電源不僅可靠性高、控制精度高而且容易大規模集成、方便升級，成為焊機的發展方向，推動了焊接產業的巨大發展。針對傳統的埋弧焊電源存在的體積大、控制電路復雜、可靠性差等問題，本文提出了雙逆變結構的焊機主電路實現方法和基于“MCU+DSP”的數字化埋弧焊控制系統的設計方案。 本文詳細介紹了埋弧焊的特點和應用，從主電源、控制系統兩個方面闡述了數字化逆變電源的發展歷程，對數字化交流方波埋弧焊的國內外研究現狀進行了深入探討，設計了雙逆變結構的數字化焊接系統，實現了穩定的交流方波輸出。 根據埋弧焊的電弧特點和交流方波的輸出特性，本文采用雙逆變結構設計焊機主電路，一次逆變電路選用改進的相移諧振軟開關，二次逆變電路選用半橋拓撲形式，并研究了兩次逆變過程的原理和控制方式，進行了相關參數計算。根據主電路電路的設計要求，電流型PWM控制芯片UC3846用于一次逆變電路的控制并抑制變壓器偏磁，選擇集成驅動芯片EXB841作為二次逆變電路的驅動。 本課題基于“MCU+DSP”的雙機主控系統來實現焊接電源的控制。其中主控板單片機ATmega64L主要負責送絲機和行走小車的速度反饋及閉環PI運算、電機PWM斬波控制以及過壓、過流、過熱等保護電路的控制。DSP芯片MC56F8323則主要負責焊接電流、焊接電壓的反饋和閉環PI運算以及控制焊接時序，以確保良好的電源外特性輸出。外部控制箱通過按鍵、旋轉編碼器進行焊接參數和焊接狀態的給定，預置和顯示各種焊接參數，快速檢測焊機狀態并加以保護。 主控板芯片之間通過SPI通訊，外部控制箱和主控板之間則通過RS—485協議交換數據。通過軟件設計，實現焊接參數的PI調節，精確控制了焊接過程，并進行了抗干擾設計，解決了影響數字化埋弧焊電源穩定運行的電磁兼容問題。 系統分析了交流方波參數的變化對焊接效果的影響，通過對焊接電流、焊接電壓的波形分析，證明了本課題設計的埋弧焊電源能夠精確控制引弧、焊接、 收弧等焊接時序，并可以有效抑制功率開關器件的過流和變壓器的偏磁問題，取得了良好的焊接效果。 最后，對數字化交流方波埋弧焊的控制系統和焊接試驗進行了總結，分析了系統存在的問題和不足，并指出了新的研究方向。 關鍵詞：埋弧焊；交流方波；數字化；逆變；軟開關技術
上傳時間： 2013-04-24
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永磁同步電機是同步電機的一個重要類型，其轉子一般采用稀土永磁材料做激磁磁極，與傳統同步電機相比，體積和重量大為減小，而且結構簡單，運行可靠，維護更方便?，F代電氣傳動控制的發展趨勢之一是開發新的交流調速與伺服系統。無論在矢量控制還是標量控制中，轉速與位置的閉環控制都需要在電機軸上安裝一個速度傳感器，但是由于速度傳感器的引進不僅增加了成本，降低了系統可靠性，還存在安裝問題，效果并不十分理想。因此高性能無速度傳感器控制成為近年來電機研究的熱點。 本文在系統介紹卡爾曼濾波器的基礎上，將其引入到永磁同步電機無速度傳感器狀態觀測中。由于永磁同步電機是一個強耦合的多階非線性系統，本文采用了工程實際中普遍采用的泰勒展開式截斷的方法，對電機方程線性化處理，將卡爾曼濾波算法推廣至非線性系統，并加入了反映電機系統模型誤差和環境干擾的系統噪聲和測量噪聲模型，形成擴展卡爾曼濾波算法。擴展卡爾曼濾波器將電機轉子位置與轉速作為系統狀態變量進行實時估算，并將所得信息反饋到永磁同步電機控制系統中。通過仿真，與電機實際運行狀態進行比較，證明了擴展卡爾曼濾波具有良好的動態跟蹤能力和抗噪聲能力。 針對擴展卡爾曼濾波算法在無速度傳感器控制中存在的不足，本文給出了降階線性卡爾曼濾波算法。降階線性卡爾曼濾波算法重新選擇了系統狀態變量，建立新的完全線性化的系統方程，并且卡爾曼濾波算法中的系統協方差矩陣成為時不變序列，因此可以直接應用線性卡爾曼濾波算法。仿真結果證明，與擴展卡爾曼濾波算法相比，新的算法更加簡單，減輕了繁重的參數調節任務，易于數字化實現，不僅具備擴展卡爾曼濾波算法的優勢，而且在某些性能方面超越了擴展卡爾曼濾波算法。 通過分析得知，由于將系統模型不確定性與測量噪聲體現在系統方程中，因此卡爾曼濾波算法在狀態估算方面具有良好的性能。本文以降階線性卡爾曼濾波 算法為理論基礎，以永磁同步電機為對象，以數字信號處理器（DSP）為核心，設計了電機狀態觀測系統的設計方案。整個方案在不增加成本的基礎上，充分利用數字信號處理器（DSP）豐富的資源和強大的運算能力，通過檢測電機相電流，實時估算出電機轉子位置與轉速。本系統可以代替傳統速度傳感器，為電機控制系統提供轉子位置和轉速反饋信息。本文的下一步主要工作便是將此系統付諸實踐，應用于實際工程中，對卡爾曼濾波算法在永磁同步電機無速度傳感器控制方面的性能進行進一步研究。關鍵詞：永磁同步電機；無速度傳感器；卡爾曼濾波
上傳時間： 2013-04-24
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