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关键词： 过渡金属硫化物   谷极化   量子反常霍尔效应   Berry曲率   Chern数   Rashba自旋轨道耦合   磁交换相互作用  

摘要： 传统半导体微电子学的建立和发展促成了人类史上的第三次科学技术革命,使人类社会快速进入到了当今的信息化时代。现在,人们学习、生活和工作的方方面面都与信息技术的快速发展密切联系。传统的半导体技术是在电子电荷自由度的基础上建立并发展起来的,并且在建立后的数十年发展过程中,集成电路芯片的集成度一直在按照摩尔定律的规律不断提升。然而,随着芯片工艺尺寸的不断减小,电子的波动性变得愈加明显,因此芯片电路器件的性能表现受到了极大的影响和限制。为了使信息技术继续保持高速的发展,除了不断研究更先进的芯片制备方法以外,人们还在探索除了电荷自由度以外其他的电子自由度,用来实现对信息的编码、存储和处理等逻辑功能。除了电荷自由度外,电子还具有自旋这个内禀自由度。基于电子的自旋自由度,人们不断研究和探索利用电子的自旋特性来实现信息技术的可能性,并形成了自旋电子学这个成熟的学科。此外,在石墨烯和过渡金属硫化物等具有特殊对称性的二维晶体材料中,电子还会额外地具有能谷自由度,这对于实现信息的编码、传输和处理等功能同样具备非常大的应用潜力。在自旋和能谷自由度的应用研究中,首要的挑战便是实现显著且可控的自旋极化和谷极化。在本论文中,我们主要从理论方面研究了单层过渡金属硫化物材料中谷相关的拓扑相变以及电调控下与谷极化相关的输运性质。首先,我们简要介绍了自旋电子学和能谷电子学的发展和研究现状,特别是在石墨烯和过渡金属硫化物中取得的研究成果和遇到的一些困难。由于研究工作的相关性,对于低维系统的拓扑理论,我们也做了简要介绍。然后,对于本论文研究过程中所使用到的主要理论和计算方法,我们做了介绍并给出了简要的推导分析,其中主要包括格点空间下的能带理论、格林函数方法以及分通道输运计算方法等。接下来,我们研究了单层过渡金属硫化物与铁磁性衬底组成的异质结体系。以单层二碲化钼和氧化铕组成的系统为例,利用三轨道紧束缚模型方法,我们研究了磁交换相互作用和Rashba场对单层二碲化钼材料拓扑性质的影响。通过调节Rashba场和磁交换相互作用的强度,我们在单层二碲化钼中发现了一种新的物质量子态-谷分辨量子反常霍尔态。与传统的量子反常霍尔效应不同,这里的谷分辨量子反常霍尔效应具有完全谷分辨的性质,也就是说,处于此量子态下的系统,其边缘态会全部局域在单一的能谷-K(或(10)K)中。我们计算了谷分辨量子反常霍尔态下的Berry曲率和Chern数以及波函数分布。结果显示,在单层二碲化钼纳米带的边界处,存在两对谷分辨的手性边缘模态。另外,对valley-Chern数的进一步计算和分析表明,两个不等价能谷中能带反转的不同时性导致了谷分辨量子反常霍尔效应的出现。通过对两个不等价能谷中能隙的计算,我们给出了系统的相图,相图中包含谷霍尔绝缘体、谷分辨量子反常霍尔效应和带绝缘体三个区域。通过非平衡格林函数方法,对谷分辨量子反常霍尔态下具有不同纳米带尺寸和不同原子空位缺陷浓度的体系的传输性质进行了计算分析,计算结果表明谷分辨量子反常霍尔效应的边缘态对纳米带材料中的原子空位缺陷具有鲁棒性。然后,我们在单层过渡金属硫化物中研究了产生谷极化的一种电调控机制。这种调控机制源于过渡金属硫化物纳米带中Rashba自旋轨道耦合效应引起的背向散射。由于单层过渡金属硫化物中的Rashba自旋轨道耦合效应可以通过外部施加的垂直电场来诱导产生,因此利用这种机制产生的载流子的谷极化便可以通过外部门控的手段进行动态调控。我们以二硫化钼纳米带为代表,研究了中央散射区中存在Rashba自旋轨道耦合效应时的谷相关的电子透射和反射现象。结果明确地显示出:当中央散射区存在Rashba自旋轨道耦合效应时,载流子通量中会出现非常显著的谷极化。通过调节费米能级和Rashba自旋轨道耦合强度,谷极化的最大效率甚至可以超过80%。我们研究了谷极化效率对Rashba自旋轨道耦合强度的依赖关系,结果表明并不是越强的Rashba自旋轨道耦合效应就会产生越明显的谷极化效率,一个相对适中的Rashba自旋轨道耦合强度更有利于实现明显的谷极化。通过分析单层过渡金属硫化物纳米带中的空位缺陷对谷极化效率的影响,我们发现即使纳米带中存在较高浓度的空位缺陷时,谷极化效率仍然保持得非常显著。为了验证这种电调控机制的普遍性,我们又计算了(4,1)纳米带中的谷极化情况。此外,除了二硫化钼,我们还计算了其他五种过渡金属硫化物晶体中的谷极化效率,结果表明,单层的钼基过渡金属硫化物更适合用来产生显著的谷极化电流。最后,我们对本论文的研究内容作了总结和展望。

关键词： 二自由度   陀螺仪控制   角度轨迹跟踪   滑模控制   自适应控制   干扰观测器   鲁棒性  

摘要： 陀螺仪控制技术对国防科技和基础民生发展有促进作用,被广泛应用在航海、航天航空和无人机等多个领域,同时用于解决当前智能化、无人化设备研制过程中稳定性问题。如何控制陀螺仪使其跟踪指定轨迹,同时考虑输入约束和内外干扰成为研究的热点问题。本论文主要针对加拿大Quanser公司的三自由陀螺仪实验设备作为对象进行研究,完成二自由度陀螺仪的角度轨迹跟踪控制问题,开展以下几部分进行研究:(1)介绍三自由度陀螺仪其控制系统的物理结构组成,通过其工作机理利用拉格朗日方程建立非线性动力学模型,并利用陀螺仪的特点降低一自由度。考虑二自由度陀螺仪轨迹跟踪的控制方法,利用李导数设计滑模面,采用积分滑模控制,在MATLAB仿真和实物平台中进行对比实验,结果表明,积分滑模控制的准确性较高。同时为了消除白噪声等外部噪声扰动,提出采用扩展卡尔曼滤波的方法加入到模型当中。(2)针对陀螺仪的输入受限情况和角速度受限状况,提出了一种自适应分数阶滑模控制策略,首先利用回归器设计自适应率对控制器进行优化,减小扰动信号突然变化对执行机构的冲击,减少控制量的剧烈变化,防止其突破最大输入限幅。然后结合分数阶滑模中实际的输入力矩设计控制器,消除超出限幅的输入。最后通过仿真和实验对所提方法的有效性进行验证。(3)陀螺仪在扰动情况下,要其尽快恢复到稳定状态的问题,提出基于滑模控制策略的干扰观测器。首先设计指数收敛非线性干扰观测器对陀螺仪扰动量进行观测,并对滑模控制律中的未知扰动项进行反馈补偿。然后通过LMI工具箱,对干扰观测器的参数进行整定,得到一组具有良好观测效果的数值。最后仿真进行对比实验,验证了加入干扰观测器观测扰动进行扰动补偿,更快的抑制扰动,提高跟踪性能和鲁棒性。

关键词： 无线电能传输   球形电机   LCC/S-S拓扑   旋转偏移   恒功率输出  

摘要： 无线电能传输作为一种新兴的供电方式,可以避免传输线路的使用,降低火灾等安全事故的发生,也防止了漏电造成的人身事故,因此得到了广泛的应用。球形多自由度运动装置不仅避免多组运动轴的配合即可实现旋转运动,而且其转子的中空结构使其有了更广阔应用前景,例如当中空转子放入无线电能传输系统及图像采集装置时,可实现视觉仿生。这使其在仿生眼、机器人等诸多方面得到了灵活的应用。多自由度电机与无线电能传输系统的结合,提高了供电的便捷性与实用性。本文首先对无线电能传输系统的发展现状与工作原理作了介绍。针对球形电机旋转带来无线电能传输系统功率降低的缺陷,提出了一种适用于多自由度电机的无线电能传输装置的设计与优化方案。对比常见的优化方式,选取线圈的结构设计和拓扑方式优化两个方面进行展开。(1)在线圈的结构方面:首先采用电路法对传输模型进行了建模,利用数学模型对电机旋转偏移进行了分析。其次通过ANSYS Maxwell对收发线圈磁场进行了有限元建模仿真,分析了其电磁场的分布与偏转时互感的变化情况,展现新型设计优秀的抗偏转性能。利用MATLAB对此时的数据进行了处理,绘制了偏移带来的耦合系数波动曲线。最后搭建了无线电能传输系统驱动电路实验平台进行了验证。(2)在拓扑的优化方面:首先利用电路模型分析了S-S(S,series)与LCC-S不同拓扑方式的传输性能,通过在不同互感下拓扑方式的切换进行功率匹配,实现传输功率的最大化,加入升降压电路的配合,使其在偏转状态下的功率波动进一步降低,利用理论分析找到拓扑的切换点,然后通过Simulink仿真对设计思路进行验证,验证其在切换点附近的开关实际动作与功率输出情况。最后基于原有的设计电路,对检测电路,控制电路及电源电路进行了设计,验证了设计的有效性。

关键词： 二自由度位移传感器   交变电场   时间测量原理   解耦方法   参数优化  

摘要： 精密位移测量在现代制造业所占有的比重越来越大,精密测量仪器在高端数控机床,加工中心上运用的比例也越来越重,世界上的工业强国—德国曾经提出了“工业4.0”这一概念,让智能工厂得到了更多的关注度,而智能工厂又离不开精密位移传感器的支持。我们国家所提出的“中国制造2025”中,精密传感器制造技术也有着非常重要的战略地位,可以说,精密位移测量传感器就是智能制造工业领域的“眼睛”。常规的位移传感器例如线性位移传感器和角度位移测量传感器通过多年的发展已经有着相当成熟的产品技术;而可以同时向X和Y两方向进行测量的平面二自由度位移传感器在近年来的需求也越来越广泛,特别是伴随着半导体行业的发展,芯片制造行业中的光刻机技术的出现也对平面二自由度位移传感器提出了更高的要求,平面二自由度位移传感器在光刻机中的双位移平台上起到了非常重要的定位作用;而我国在前几年中也由于种种原因在光刻机技术上的空白而受到了限制。国内外众多学者对二自由度位移传感器的研究也越来越多,其中基于磁场和电容式的平面二自由度位移传感器拥有相当成熟的技术,而目前技术最成熟的二自由度位移传感器莫过于光学的平面二自由度位移传感器,其中的海德汉公司的系列产品就是其中的佼佼者,除此之外,国内外众多学者的研究中,对较大量程的平面二自由度位移传感器的研究还是较少,更多的是在小量程内实现高分辨率和高精度的测量。基于目前形势而言,本文提出了一种全新的基于交变电场的二自由度位移传感器以及其测试解耦方法,由于其依靠国人自主研发的时间测量原理,使得其对于环境、对于机械制造精度的包容性要远远高于光学技术的光栅二自由度位移传感器,并且可以在大量程的300mm×300mm的范围内实现二自由度位移的高精度测量,所提出的解耦方法在通过最终的参数优化后的有效性高于99.98%,也让传感器自身有着更高的测量精度上限。在本研究以前,作者团队已经对基于交变电场的一自由度位移传感器进行了多年的研究,并且拥有一套较为成熟的测量理论。基于前期的研究,二自由度位移传感器独创性的在一自由度位移传感器的理论上进行了拓展,使得在平面内实现二自由度位移的精确测量,并且保留了其中重要的抗干扰,对制造精度较低的优点。为了可以使得二自由度传感器可以有效的分离出X方向和Y方向的位移信息,本文提出了一种有效的解耦方法,并对本方法的可行性进行了验证,对其中存在的会影响精度的问题进行了参数优化,降低了测量误差,提升了定位精度,本文的研究路线主要是以下部分:1)提出了一种基于交变电场的二自由度位移传感器技术。参考借鉴前期的研究工作,完成对二自由度位移传感器的工作原理推导,分析二自由度位移传感器的工作过程,如何实现从电信号到位移信号的转换,感应电极上的感应信号是如何产生并最终分离出位移信息。2)根据二自由度位移传感器单一感应电极无法分离出X方向和Y方向的位移信息的原因,提出了一种有效的解决方案,该解耦方法将感应电极利用差分分布排列,使得单一对极上的感应电极之间符合三角函数关系,并在后续的处理电路重利用这种关系将每一方向的位移信息分离出来,最终得到准确的单方向的位移数据;为了验证这种解耦方法的可行性,作者利用电场仿真软件和数学仿真软件进行了可行性验证,并发现了其中还存在的参数模型问题,为了使得该解耦方法可以更精准的输出位移数据,作者对其中的激励电极结构和感应电极结构进行了优化处理,使得在电场仿真中的解耦效果得到了优化,进一步的提升了测量精度。3)为了更有效的提升实验测试的效率和准确性,作者将原有的电路进行了优化处理,并搭建了00级的抗震实验平台,参考电场仿真的测试结果,利用PCB加工工艺制造了所需要的测试模型样机,并在实验条件下再一次对解耦方法以及后续对解耦过程优化处理的方式进行了验证,得到了可靠的测试数据,并且为了更进一步的提高测试精度,作者利用了光刻技术对传感器的机械制造误差更进一步进行了限制,最终该二自由度位移传感器在300mm×300mm的量程上,其X方向和Y方向上的定位误差峰峰值分别为±4.09μm和±4.04μm。

关键词： 对称能   重离子碰撞   粒子发射   同位旋  

摘要： 核物质状态方程对核物理和天体物理都有着极其重要的意义。对称核物质的状态方程已被较好地确定,而非对称核物质状态方程的形式仍存在较大争议,约束对称能的密度依赖形式是当前亟待解决的问题。重离子核反应实验作为地面实验室产生极端条件核物质的唯一手段,是研究核物质状态方程的重要工具。重离子碰撞过程中对称能会影响质子和中子的不同输运行为,而不同的对称能密度依赖形式会导致同位旋弛豫过程的不同,因此研究同位旋弛豫的机制有助于加深我们对对称能的理解。清华大学肖志刚团队完成了 25 MeV/u 86Kr+208Pb实验,分析了每次碰撞中与7

关键词： 稀疏阵列   互质阵列   嵌套阵列   超嵌套阵列   扩张嵌套阵列   差分共性阵列   权重函数   波达方向估计   相互耦合  

摘要： 阵列信号处理中的波达方向(DOA)估计对于准确定位信号源具有至关重要的意义。准确的估计是许多现实世界应用中不可缺少的一部分,如雷达、声纳、麦克风阵列系统和无线通信。在观察到阵列传感器之间存在相互耦合(MC)现象并导致传感器响应相互干扰的情况下,为了实现稳健的DOA估计,需要使用一个具有特定期望特性的由非均匀传感器构成的线性稀疏阵列。这些特性表现为可以通过给定的闭式表达式来精确定位物理传感器阵列,物理传感器产生很多的虚拟传感器(或自由度(DOFs)),具有很小距离(或传感器间距)的物理传感器数量更少。更具体地说,闭合表达式应该可扩展到任意给定数量N的真实传感器,并且虚拟传感器间隔应该按照入射信号波长的一半(λ/2)均匀地排列,以使虚拟阵列(又称差分共性阵列)可以将这些虚拟传感器作为包含联合阵列中心的一个虚拟均匀线性阵列(ULA)部分。因为这种中心化排布可以帮助我们方便地应用基于子空间的波达方向估计算法,如多信号分类法(MUSIC)或基于旋转不变技术的信号参数估计法(ESPRIT)。此外,除了创建这样一个均匀分布的线性阵列部分外,实际的传感器如何排列(或分布)也应该让阵列排列拥有一组且只有一组间距为(1×λ/2)、(2×λ/2)和(3×λ/2)的传感器对,这是因为观察到阵列传感器之间相互靠近时存在严重的相互耦合现象,而在它们相互远离时没有影响。与使用N个传感器最多可以分辨N-1个信号的传统物理均匀线性阵列(ULA)相比,新提出的互质阵列和嵌套阵列作为稀疏阵列可以分辨相当数量的源信号。具体来说,对于N个实际传感器,互质阵列在差分协阵列中具有长度为((N2+4N)/4)的均匀线性阵列部分,而嵌套阵列具有长度为((N2/2)+N)的均匀线性阵列部分。因此,互质阵列的虚拟均匀线性阵列数目远小于嵌套阵列。但是由于物理配置中包含密集子阵,嵌套阵列相比之下存在严重的互耦合。为了解决这两种基本阵列的不足,一些基于这两种基本阵列的阵列被提出。然而,基于互质阵列的阵列不能拥有比嵌套阵列更大甚至相等的虚拟均匀线性阵列数目;基于嵌套阵列的阵列不能像互质阵列一样在前三个临界距离中具有理想的权重函数(即w(λ/2)=w(λ)=w(3(λ/2))=1)。本论文的主要目标是探索一组新的稀疏阵列,通过寻找一种可以结合互质阵列和嵌套阵列最佳特征的稀疏阵列,以提高在存在互耦合现象时DOA估计的性能。在我们的第一个工作中,我们提出了一个新的稀疏阵列,它是基于互质阵列的原型构建的。与基于互质阵列的阵列不同,它减少了互质阵列原型(ProCA)的传感器间的间距,以扩大虚拟均匀线性阵列部分,本文提出的改进阵列通过对ProCA的两个组成子阵列中的一个施加一连串的位移,在保持ProCA的原始间距的同时,大大增加了均匀自由度的数目。具体来说,本文提出的阵列设计在系统中将位移应用于两个子阵列中的一个阵列,因此位移完全消除了两个子阵列之间多余的虚拟传感器,同时大大增加了它们的均匀自由度的数量。由于在差分联合阵列中没有冗余的虚拟传感器,新的设计具有理想的临界权重函数,所提出的阵列设计可达到的均匀自由度数量为((N2/4)+4N+2)。仿真结果表明,与增强型共线性阵列、带压缩子阵列的共线性阵列、减薄型共线性阵列和带最小滞后冗余的原型共线性阵列相比,提出的结构在存在相互耦合的情况下可以提供更好的DOA估计。在我们的第二项工作中,我们提出了另一种新的稀疏阵列,称为扩张嵌套阵列(DNA),其构建方式与嵌套阵列(NA)的原始构建方式相似,因此本文所提出的扩张嵌套阵列可以具有与嵌套阵列相同的均匀线性阵列部分,但相比之下,具有小间距的传感器对要少的多。特别地,与NA一样,在由三个子阵列组成的DNA中,第二个子阵列嵌套在第一个子阵列上。但与NA不同的是,第三子阵列放置在第二子阵列之外,以扩大后者的物理孔径,从而进一步将阵列的传感器隔开,因此,相比之下,在DNA排布中具有小距离的传感器对更少。此外,在这项工作中,通过将第三子阵列从DNA的第二子阵列上进一步移位,本文提出了一个移位扩张的嵌套阵列(D-DNA)。D-DNA具有比DNA更强的共阵列特性。仿真结果表明,DNA和D-DNA,尤其是D-DNA,提供了比增强和广义的共质阵列、扩展的填充共质阵列、增强的嵌套阵列和超级嵌套阵列更准确的估计性能,特别是在受互耦合现象污染严重的源数量相对多于传感器数量的情况下。在我们的第三项工作中,我们提出了对基本扩张嵌套阵列的高阶扩展,称为Q阶扩张嵌套阵列(DNAs),其中2 ≤Q≤Qf。虽然基础扩张嵌套阵列的第二个子阵列是稀疏的,因为它的传感器处于安全的距离,但第一和第三子阵列的传感器以临界间距(2 × λ/2)间隔接近。因此,给定其前三个权重函数w(1)=1,w(2)=N1+N3-1,w(3)=1,其中N1和N3分别是第一

关键词： 数字液压缸   六自由度平台   控制特性   AMESim仿真  

摘要： 液压六自由度平台具有刚度大、精度高、承载能力强等优点,目前已经被广泛应用于工业、航海、航空等领域。绝大部分六自由度平台采用电液位置伺服系统作为驱动,普遍存在控制复杂、抗污染和抗干扰能力差等问题。相比电液伺服系统,数字液压缸可以很好地克服上述问题。因此,本文以某型伺服液压缸驱动的六自由度平台为参考,设计一台数字液压缸驱动的六自由度平台,并深入研究数字液压缸驱动的六自由度平台控制特性,为数字液压缸驱动的六自由度平台的性能优化提供理论依据。为分析数字液压缸驱动的六自由度平台控制特性。首先建立数字液压缸的数学模型,基于古典控制理论推导出数字液压缸的传递函数,设计一款与原电液伺服液压缸同技术要求的数字液压缸。并使用AMESim软件对数字缸和电液伺服缸的进行了对比仿真,仿真结果表明设计的数字液压缸与原电液伺服缸的控制特性接近。然后基于空间矢量关系和Newton-Euler法建立了六自由度平台的运动学模型和动力学模型,并结合数字液压缸的数学模型,推导出含有平台位姿信息的数字液压缸液压固有频率和开环放大系数等参数的表达式。最后基于铰点空间思想和古典控制理论,分析出数字液压缸参数和平台位姿是影响平台控制特性的主要因素,并建立AMESim模型进行仿真研究,初步验证所得理论结论的正确性。研究发现阀口面积梯度越大、反馈螺母导程越大、滚珠丝杠导程越小和活塞面积越小,平台稳定性越差;升沉和偏航方向的稳定性较好,纵移、横滚和俯仰方向的稳定性较差;阀口面积梯度越大、反馈螺母导程越大、滚珠丝杠导程越小和活塞面积越小,平台快速性越好;平台位姿变化对平台快速性影响较小;平台可以误无差跟踪阶跃信号、有差跟踪斜坡信号和不能跟踪加速度信号;总流量压力系数越大、滚珠丝杠导程越大、反馈螺母导程越小和活塞面积越小,平台准确越差,阀口面积梯度不影响平台准确性;平台始终存在负的升沉方向误差,且升沉方向误差随着平台的升沉位置升高而减小,除升沉方向外,平台沿某个位姿方向变化时,会在该方向上产生误差,该误差在平台处于中位时最小,且误差的方向与平台位姿方向一致。该论文有图73幅,表5个,参考文献72篇。

关键词： 主动隔振   H∞控制   速度反馈控制   并联控制   控制系统  

摘要： 在地面引力波探测技术中,0.1Hz-10Hz频率范围内地面微振动是影响激光干涉仪测量精度的一个主要因素,因此激光干涉仪的所有灵敏部件必须通过隔振器衰减来自地面的振动.本文以倒摆型三自由度隔振器为研究对象,针对谐振峰过大、平台易倾斜的缺点,建立隔振系统的动力学模型,研究了基于H∞控制理论的振动主动控制方法,同时实现振动抑制和平台定位控制.　　首先,研究了倒摆型三自由度隔振系统解耦模型和参数辨识方法.分析了倒摆型隔振系统的结构并建立了动力学模型.根据传感器和驱动器的位置关系,推导了系统的测量矩阵和驱动矩阵,将存在耦合的主动控制系统解耦为三个独立的单输入单输出系统.分析了主动控制的绝对速度传感器的工作原理,建立了传感器的测量模型.为进一步提高模型的准确性,采用互功率谱法计算系统的幅值频率特性,拟合得到更精确的系统传递函数.　　其次,基于H∞控制器设计方法设计了速度反馈控制器,并提出了一种实现双闭环的控制结构.针对隔振器平台振动速度抑制问题,通过选择合适的权函数限制闭环系统的灵敏度函数,设计了速度反馈H∞控制器.为实现定位控制,本文将位移控制器和速度反馈H∞控制器并联,提出了一种并联结构的双闭环控制器,即先设计位移反馈的积分控制器实现位移闭环,再对位移闭环后的系统设计速度反馈H∞控制器.仿真结果表明,双闭环控制器可以有效实现平台对于干扰的抑制和定位控制.　　最后,搭建了主动隔振控制实验平台,对所设计的并联结构双闭环控制器的有效性进行了验证,进行了随机激励下的主动隔振实验、位移闭环控制实验.实验结果表明,所设计的双闭环控制器能显著降低隔振器平台的振动速度,并同时实现位移闭环控制.相较于地面振动,主动控制下x、y方向平台振动速度0.5-20Hz范围均有衰减,最大衰减达23dB;相比较于被动系统,谐振峰幅值降低了***方向上的速度相对于被动系统有衰减,谐振峰被抑制.

关键词： 双有源桥   四自由度   电流峰-峰值   效率  

摘要： 随着全球对环境保护和可持续发展的关注逐渐增加,以及我国对“双碳”目标的重视,采用清洁、可再生的新能源替代传统化石能源已经成为时代发展的趋势。双有源桥变换器因具有结构对称、电气隔离和双向功率流动等优点,在新能源储能系统和电动汽车充电系统等领域得到了广泛的应用。由于双有源桥变换器用以实现电气隔离的高频变压器采用的是固定绕组,当输入和输出电压不匹配时,会导致较大的电流峰-峰值,降低变换器效率。因此,本文提出了一种基于四自由度的电流峰-峰值优化调制策略来减小电压不匹配时的电流峰-峰值,进而提高变换器的效率。本文首先介绍了双有源桥变换器的基本工作原理。对三重移相调制、双侧非对称占空比调制的工作状态进行详细分析,建立三重移相调制、双侧非对称占空比调制下的传输功率和电流峰-峰值数学表达式。随后对三自由度调制方式进一步分析,指出多自由度调制方式可以在相同功率点对应更多种移相角组合,从而具有更多的优化空间。随后基于三重移相调制提出了四自由度调制策略,根据不同的电感电流波形,将四自由度调制策略划分成不同的工作模式,并以某些特定的工作模式为例,推导了传输功率和电流峰-峰值的数学模型。研究表明,四自由度调制包含了三重移相所有的工作模式,能够很好地统一传统移相调制方式,进一步拓宽了优化的空间。接下来以最小电流峰-峰值为优化目标,利用Karush-Kuhn-Tucker条件下的拉格朗日乘子法求解最优自由度解集;然后根据传输功率范围和电压传输比的大小进行分段比较,最终获得全局电流峰-峰值最小值。通过理论分析发现:与三自由度调制方式相比,四自由度调制方式能够在轻载和中载的情况下进一步降低电流峰-峰值,并进行了仿真验证。最后搭建样机进行实验验证,实验过程中在不同电压传输比下分别对轻载、中载、半载情况进行验证,实验结果表明,本文所提出的四自由度调制能够有效地减小轻载和中载时的电流峰-峰值,提高变换器的传输效率。尤其在输入输出电压不匹配时,优化效果更加显著。

关键词： 冗余机械臂   结构设计   运动学   蚁群算法   碰撞检测   避障路径规划  

摘要： 核能作为一种可靠的清洁能源,在解决世界能源需求方面发挥着重要作用,同时随着核工业的快速发展,面临越来越多的核设施需要检修、退役与应急事故处理,然而这些任务场景往往具有辐射风险,人工难以开展工作,其中热室作为核原料的生产和处理的基础设施,内部堆放放射性原料,布局结构复杂且空间狭窄,是一种典型的核设施检修场景,因此使用机器人代替人工执行这些任务在核工业领域具有迫切需求。本文针对热室内部设备检修问题,综合分析了核工业领域各类机器人的功能特点,提出了重载臂与七自由度组合机械臂串联的多自由度组合机械臂的方案,开展了机器人结构设计与原理样机制作、运动学分析、避障路径规划、控制系统搭建以及实验测试与分析工作。 首先,针对热室检修的作业需求,本文提出了多自由度组合机械臂的总体结构设计方案,明确了机器人的功能要求与作业流程,并基于结构方案进行机器人本体结构的模块化设计,搭建了机器人的原理样机。 其次,针对机械臂的运动学问题,本文采用标准D-H参数法构建了多自由度组合机械臂的运动学模型,基于姿态变换原理建立了正运动学方程,采用蒙特卡罗法求解了机械臂的工作空间,使用解析法实现多自由度机械臂的逆运动学求解,其中七自由度机械臂采用关节角参数化法,通过给定末端位姿与肩部任意一个关节角度,实现其他关节角度的求解,并在此基础上实现机械臂在关节空间与笛卡尔空间的多种经典轨迹的轨迹规划与算法仿真。 再次,针对机械臂的避障路径规划问题,本文归纳了多自由度组合机械臂避障规划算法流程,在将机械臂工作空间栅格化处理的基础上,采用蚁群算法实现多自由度组合机械臂的初步避障规划,得到重载臂与七自由度机械臂分别在二维空间和三维空间的初步避障路径,接着采用三次B样条曲线进行路径优化,随后选择合适的包围盒模型对机械臂与障碍物进行碰撞检测,获得满足机械臂安全避障的连续位姿与末端路径,并完成算法的仿真,验证了避障规划算法的可行性。 最后,针对机器人的可视化操作需求,本文开发了多自由度组合机械臂的操作平台,通过控制系统的硬件选型与通信协议定义,搭建了机器人控制系统,设计了可视化模型并基于Unity3D开发了机器人的人机交互界面,实现了机械臂的可视化操作。其次搭建了机器人实验场地,在该机器人操作平台下完成了机械臂的避障实验,实现了机械臂从狭窄通道进入内部空间并依次执行避障检修任务,验证了机器人的运动功能以及运动算法和避障规划算法的可行性。