DAB储能变换器双闭环模型预测控制与PI补偿控制策略研究

针对直流微电网中分布式电源输入输出功率不稳定造成的直流母线电压波动问题,鉴于双有源桥(DAB)储能变换器具有能量双向流动的特点,提出一种基于内模原理的双闭环模型预测控制策略。在分析DAB变换器扩展移相调制原理与特性基础上,重点研究电压外环和电流内环的模型预测控制策略。针对模型预测控制性能依赖电路参数准确度问题,分别从电路主要参数失配对功率传输和直流母线稳压的影响两个角度出发,深入分析模型参数敏感度。最终设置直流母线电压稳态误差灵敏度区,在误差灵敏度区外仅采用双闭环模型预测控制以保证系统的动态响应性能,在误差灵敏度区内采用双闭环模型预测控制和PI补偿控制以消除系统稳态误差。搭建实验平台进行实验验证,结果表明:在系统受到扰动时,DAB储能变换器可实现快速地充放电对系统进行补偿,混合控制策略可快速保持母线电压的稳定,实现系统功率均衡,增强系统抗扰能力。

柔性声学超材料及其低频消声特性

为实现高速飞车舱内低频噪声控制,提出了一种基于Helmholtz共振效应的柔性声学超材料。通过理论分析Helmholtz腔的消声机理,利用COMSOL软件对比分析腔体单元、阵列结构的消声特性;通过声固耦合模块模拟柔性超材料的消声性能。参数化地研究了柔性声学超材料共振频率的变化规律,并分析了柔性超材料在不同变形程度下的消声特性。提出分部拔模的浇注工艺制备了柔性声学超材料样件,利用四传感器的测试原理测量样件的传递损失。研究结果表明,柔性声学超材料的测试、仿真结果均在300 Hz处存在一个传递损失峰,表现出了低于理论模型的Helmholtz共振频率及良好的低频噪声控制效果,同时柔性材料可避免因惯性对安装环境造成冲击,适用于曲面环境,在工程领域具有较好的应用前景。

冷却液管路法兰复合成形工艺控制研究

目的增大法兰镦压成形面积,提高汽车冷却液管路法兰的加工质量,进而获得更好的汽车冷却系统密封性和整车安全性。方法在分析法兰自由端高度、管坯外径、管坯内径、接触摩擦因数等对传统法兰镦压成形影响的基础上,提出一种扩径-缩径-镦压的法兰复合成形工艺。一方面通过扩径提高法兰的成形面积,另一方面通过缩颈保证法兰与零件的正常配合,以此来突破传统镦压工艺的成形极限,并且通过DEFORM软件对扩径-缩径-镦压整个成形过程进行仿真分析,优化组合模具的结构参数。结果试制试验结果表明,使用传统工艺镦压成形的法兰直径最大可到达到23.2mm,而使用本文所提出的复合成形工艺可以使其直径增加到25.4 mm,法兰端面的接触面积由422.7 mm^(2)增加到506.7 mm^(2),提升约19.8%。结论采用扩径-缩径-镦压这种复合加工方式,可以在不降低加工质量的同时有效提高法兰面积的成形极限。该工艺可以为以后管路法兰的设计与生产工艺制定提供一定的参考。

涡流冷却静电润滑复合干式钻削技术研究

为降低机械加工过程中切削液对环境造成的污染以及处理切削液时高昂的成本,提出一种兼有涡流冷却效应和静电润滑效应的干式钻削技术与装置。将气体离子化、臭氧化后吹到切削加工区域,代替切削液实现润滑、冷却的作用,获得良好的断屑效果,同时延长刀具的寿命。基于结构参数对系统放电性能、臭氧浓度以及冷却效果的影响规律,优化装置结构,形成干式辅助钻削装置。实验结果表明:当电极锥度为15°、电极直径为1 mm、铜帽内径为3 mm、气体流量为20 L/min、驱动电压为6 kV时,臭氧浓度达到峰值34.2×10^(-6)。通过与纯干式切削对比发现:所提技术的切削温度降低40.9%,刀具刃口基本没有损伤,切屑微观表面切痕分布清晰、条理均匀。所设计的涡流冷却静电润滑干式钻削技术在切削效应、冷却效果、刀具磨损以及切屑形态等方面均优于传统的干式钻削技术,可以用于六系铝材的钻削加工。

基于前馈控制的等离子体电源恒流控制策略

为抑制负载扰动对恒流控制的影响,针对等离子体负载需求,提出一种基于前馈控制的等离子体电源恒流控制策略。首先根据恒流源的开环传递矩阵,探讨输出导纳对恒流电源负载扰动的影响机理,然后在分析等离子体负载模型以及电弧放电所带来的负载扰动问题的基础上,将电压前馈控制引入电流闭环中。从降低恒流控制变换器的等效导纳的角度,进行电压前馈补偿函数的设计,并分析负载模型参数对前馈补偿函数的影响,对比引入电压前馈控制前后负载扰动的噪声衰减情况。仿真和实验结果表明,基于前馈控制的等离子体电源恒流控制策略能有效抑制等离子体负载突变对恒流输出的扰动,改善了恒流控制系统的动态响应性能,并对减少溅射镀层缺陷、提高膜层质量有良好的效果。

用于网格状金属切割的等离子切割电源控制策略研究

为解决金属网格切割过程中精确控制弧电流的问题,在分析金属网格切割弧转移过程、建立电弧模型的基础上,提出一种基于电弧负载模型的弧电流指令前馈的复合控制策略。控制策略外环为电流环,实现等离子电弧电流及能量控制;在电压内环引入基于电弧负载模型的弧电流指令前馈控制,通过前馈控制的快速性迅速建立弧柱电压,达到维持电弧稳定的目的。仿真和实验结果表明,提出的控制策略能够快速响应网格状金属切割时引弧过程及非转移弧和转移弧之间的快速切换需求,实现弧电流的快速精确控制。

基于FPGA的新型非对称双极脉冲磁控溅射电源的研究

研究了基于FPGA的非对称双极脉冲电源,解决了磁控溅射工艺中遇到的共性问题,同时获得了优异的膜层性能和更宽的工艺范围。可以根据磁控溅射电源工艺需求对双向脉冲参数包括脉冲幅值、频率、占空比,以及正负向个数和正向脉冲与负向脉冲之间的换向时间等自由调节。最后设计了一个6 kW/100 kHz样机,前级采用两个独立的DC/DC变换器作为直流源,后级为一个非对称脉冲发生器。采用Altera公司的FPGA(EP3C25Q240C8)作为数字处理器实现了电源的数字控制,同时对后级脉冲变换环节实现高自由度控制,通过实验结果分析进一步验证了设计的可行性。

双向LLC谐振变换器混合控制策略研究

针对双向半桥LLC谐振变换器在脉冲频率调制(PFM)下存在电压增益范围较窄的缺点,研究了一种PFM-非对称脉冲宽度控制(APWM)混合控制策略。该策略在PFM的基础上,当电压增益小于1时,采用APWM进行输出电压调节,从而有效扩展了变换器电压增益调节范围,并且可以实现全范围零电压开关(AVS)。详细分析了APWM策略下变换器的工作原理、增益及软开关条件,并搭建了一台500 W实验样机,实验结果验证了该策略的可行性和优越性。

植物精油的熏蒸抗菌活性及其机理研究

本文采用平板熏蒸法测定六种植物精油在气相状态下对四种常见细菌的最低抑菌浓度(Minimum Inhibitory Concentration,MIC)和最小杀菌浓度(Minimum Bactericidal Concentration,MBC),对效果好的精油进行复配研究并将其应用于小米椒保鲜,通过透射电镜和电导率来阐述肉桂精油熏蒸对大肠杆菌的抗菌机制。结果表明,六种精油中抑菌效果显著的是香茅精油、肉桂精油和罗勒精油,在精油浓度为0.125μL/mL时可以抑制所有的供试菌,而杀菌效果较好的是香茅精油和肉桂精油,除铜绿假单胞菌外,在精油浓度为0.125μL/mL时可杀死其余供试菌。将香茅精油、肉桂精油和罗勒精油进行复配,当三者比例为4:1:8时联合熏蒸抗菌效果最好,复配精油对大肠杆菌和沙门氏菌表现出协同增效作用,而对金黄色葡萄球菌则表现为拮抗作用。GC-MS结果表明,香茅精油的熏蒸抗菌能力主要来自香茅醛、香叶醇和香茅醇;肉桂精油主要来自于肉桂醛;罗勒精油则主要来自于草蒿脑、芳樟醇。当复合精油空间浓度为0.125μL/mL时,对小米椒具有较好的防腐保鲜效果。透镜结果显示经肉桂精油熏蒸后的大肠杆菌形态发生改变、细胞膜皱缩,电导率实验表明熏蒸后的大肠杆菌细胞膜通透性增加,引起电解质的外泄。由此可见,肉桂精油熏蒸大肠杆菌可能的抑菌机理是改变细胞形态和膜通透性。

一种基于耦合电感的非对称脉冲电路

在等离子电解氧化过程中采用非对称双极性脉冲可有效避免单极性脉冲所导致的单向极化效应,具有优化膜层结构和改善膜层性能的作用。现有非对称双极性脉冲电路往往需要两台直流源,结构复杂、成本高,并且存在环流问题,为此,提出一种基于耦合电感的非对称脉冲电路拓扑,采用单直流源供电,结构简单,利用耦合电感的储能和电压变换特点实现正脉冲输出和反极性的负脉冲输出。介绍该电路拓扑的工作原理,分析各个模态的工作波形,并推导相应的表达式。仿真和实验结果证明了该电路的可行性,在此基础上进一步进行等离子电解氧化的膜层性能分析,表明该电路对等离子电解氧化膜层性能改善有效。

基于混合ZVS的不对称半桥变换器研究

分析了传统不对称半桥变换器利用变压器原边串联谐振电感或变压器励磁电感能量实现零电压软开关的缺点,研究一种将谐振电感与励磁电感结合用于不同负载条件下的混合式软开关方式。分析该方式在轻载、半载和重载3种负载条件下的软开关过程,推导实现软开关的条件,探讨了谐振电感和励磁电感在不同负载条件下的作用机理。通过仿真和实验进行了验证,结果表明:该混合ZVS仅需要励磁电感值和较小的谐振电感就可实现宽负载范围内的软开关,软开关特性好、效率高。

基于双次级无损箝位的大功率DC/DC变换器

研究了一种适用于高压大功率场合的新型双次级箝位全桥变换器拓扑,该拓扑通过移相控制实现H桥超前桥臂的零电压开关(ZVS),并通过新型低漏感高频变压器尽量减小滞后臂的损耗及对次级的影响;采用双变压器结合次级无源无损箝位吸收电路的拓扑结构,可以有效限制次级整流电压过冲、降低应力、减少损耗、提高效率并增强可靠性。理论分析和实验结果验证了该拓扑在高压大功率应用场合的优越性。

一种宽范围零电压开关移相全桥变换器的研究

研究一种可实现宽范围零电压开关的移相全桥变换器,采用双变压器结构,可在宽负载范围内实现软开关。首先,详细分析了该电路工作过程;其次,讨论软开关实现条件、是否存在初级侧环流及无损钳位吸收等问题;最后,搭建了一台10 k W样机进行实验研究。结果表明,该变换器具有软开关范围大、变压器初级侧无环流、次级侧电压尖峰被钳位于输出电压的优点,在高压大功率应用场合具有良好的应用前景。

一种新型钳位馈能式软开关变换器的研究

研究了一种新型钳位馈能式高压大功率软开关变换器,通过在二次侧增加新型无源无损钳位辅助网络,实现了超前臂的ZVS和滞后臂的ZCS,同时此辅助网络对二次侧整流电压过冲进行钳位,并将过充能量馈送于负载,减小了二次侧整流二极管电压应力、提高了整个变换器的效率和可靠性。最后在理论分析基础上,搭建了基于DSP控制的该拓扑的实验样机,测试表明该拓扑可在宽负载范围内良好实现ZVZCS,具有良好的应用前景。

新型直流磁控溅射电源的研究与设计

研究并设计了一种适用于直流磁控溅射的新型数字化电源。针对直流磁控溅射工艺的要求,从系统控制策略和电弧保护两方面进行研究。设计了带指令电流前馈补偿的双闭环控制策略,并给出详细的设计方法;提出溅射过程出现异常弧光现象时,针对软弧和硬弧采取不同保护方式的两级保护方法,并描述了基于HCPL-316J的驱动电路设计。搭建10 kw实验样机进行验证,结果表明带指令电流前馈补偿的双闭环控制策略具有良好的动态性和稳定性,两级保护方法可有效熄灭电弧,提升溅射的质量。

双极性脉冲UMS电源的研究

研制了一台高性能双极性脉冲非平衡磁控溅射(MS)电源。该电源以FPGA为控制系统核心,采用交变脉冲单元实现双极性脉冲输出,并针对脉冲条件下的等离子体负载特性及MS工艺需求,设计了负载匹配电路、多级电弧管理策略和数字脉冲复合调制(DPCM)策略。搭建一台10 kW样机并进行了测试,结果表明该电源具备多变量脉冲输出特性及良好的电弧管理能力,为MS工艺的研究与探索提供了重要的技术支撑。

微弧氧化电源多时间尺度控制系统的设计

首先确立微弧氧化(MAO)电源拓扑结构;然后研究MAO负载的等效电气模型,并得出不同阶段的负载模型参数,为MAO电源设计提供有效参数支撑;基于Buck电路小信号模型,建立移相全桥变换器小信号模型并推导相关传递函数,并针对电流和电压控制结合PI控制设计相应补偿环节;最后,以TMS320F2812为核心进行软件设计,使其产生MAO电源的触发脉冲,仿真和实验结果验证所研究的MAO负载等效电气模型的正确性和有效性。

一种全数字化互动跟踪式单相逆变电源并联均流控制策略

分析了逆变器输出电压的幅值和相位对并联系统输出功率的影响,提出一种互动跟踪式无主从并联控制方法。通过同步母线实现各模块的正弦参考电压同步,每个模块由 DSP的I/O口发出同步脉冲,同时用捕获口检测同步母线上的同步脉冲信号,强制各模块的正弦参考电压相互同步。利用CAN总线控制各逆变器正弦参考电压的幅值以均分无功功率。采用数字信号处理器(DSP)TMS320LF2407实现全数字化并联系统设计。实验结果表明此方案能实现无主并联和 N+1冗余且有较好地并联均流效果。

基于CCM的BoostPFC变换器的研究

三相单开关Boost功率因数校正(PFC)变换器具有简化硬件电路、控制灵活、成本较低等优点。针对该变换器在电流断续模式(DCM)下存在电感和控制电路设计复杂,只能应用于中小功率场合等缺点,分析其工作在电流连续模式(CCM)下的工作原理和优点,并以DSP为核心设计了控制电路。搭建了一台16 kW样机,实验结果表明该变换器具有抗电磁干扰能力强、开关管应力小、功率因数高等优点,非常适用于大功率场合。

基于弧控制的等离子切割电源新型复合控制策略

根据非高频引弧技术在等离子切割电源中的应用,分析了等离子电弧的静态特性,推导出了等离子电弧数学模型,并结合电源在非高频引弧、弧转移及弧能量突变过程中的控制需求.提出了一种新型复合控制策略,该策略的内环是由前馈补偿的电弧电压与反馈电弧电压构成电压闭环复合控制,外环则以电流闭环对等离子弧柱能量进行控制,形成了一种前馈补偿双闭环复合控制方式,以满足电源在非高频引弧负载条件下对快速性和稳定性的控制需求.结果表明,文中所提控制策略不仅可以提高系统的快速性和鲁棒性,还具有优异的动态响应能力,电源的非线性适应能力强,有效的解决了等离子切割电源的控制需求.