数模研究（精选8篇）
数模研究 篇1
摘要：本文建立的关于石灰石烟气脱硫中液滴下落及SO2吸收过程模型可用于描述烟气脱硫过程中发生的化学和物理现象。模型中包含了与烟气逆流接触下落的浆滴液相吸收SO2过程、脱硫剂溶解子过程、中间产物氧化子过程以及脱硫产物结晶子过程。模型可以根据输入参数 (如设备尺寸、喷淋量等) 计算和预测SO2的去除效率、SO2分压分布情况等等。同时可以随时调整关键参数, 并根据新的参数计算出相关的预测结果。经过已运行某铝厂自备电厂烟气脱硫工程的运行数据验证, 计算较为准确, 可以为工艺系统设计、调试和运行提供相关的技术支持。
关键词：湿法脱硫 (FGD) ,液滴下落模拟,SO2吸收模拟,石灰石
引言
我国是燃煤大国, 随着工业化进程, 能源消耗占世界的8-9%, 能源组成中燃煤约占75%, 而SO2排放量的90%来自于燃煤, 而燃煤产生的污染已经成为我国大气污染的主要来源之一[1,2,3]。因此环保工作的重点之一是治理SO2污染, 在我国要防治SO2污染, 控制火电厂、工业锅炉及窑炉等三大项烟气源的排放是关键, 而烟气脱硫技术是解决烟气排放污染的主要途径。目前, 我国已有石灰石/石膏湿法、氨水脱硫法、海水脱硫法、循环流化床法等十多种工艺的脱硫装置。目前由于湿法脱硫工艺中的固硫剂价廉易得、副产物便于利用、煤种适应范围宽, 并有较大幅度降低工程造价的可能性, 是世界上应用最多、最为成熟的技术[4,5,6]。因此现阶段我国大力发展湿法脱硫技术[7], 其中石灰石/石膏湿法是主流的湿法脱硫技术。
本文系统分析研究了石灰石/石膏湿法工艺技术原理, 通过对系统的合理假设, 结合实际项目数据, 提出了一套关于石灰石/石膏湿法脱硫工艺的数学模型。根据这套数学模型可以对整个脱硫系统进行分析研究, 并指导工艺的改进。同时也可以对运行数据进行验证, 为烟气脱硫装置的运行参数提供可靠的技术资料。
一、石灰石/石膏湿法烟气脱硫化学原理
石灰石/石膏湿法数学模型的建立是基于对湿法烟气脱硫过程中发生的一系列物理化学反应的深刻认识。到目前为止, 国内外研究湿法烟气脱硫技术的文献很多[8,9,10,11], 对脱硫过程模型的研究大都围绕着下面四个子过程进行:SO2吸收子过程、脱硫剂溶解子过程、中间产物氧化子过程以及脱硫产物结晶子过程。主要的化学反应过程如下:
◆水的电离
◆SO2的吸收
◆脱硫剂的溶解
◆中间产物的氧化
◆脱硫产物的结晶
二、石灰石/石膏湿法烟气脱硫数学模型
石灰石/石膏湿法脱硫数学模型的建立是以吸收塔内部为中心。首先对喷淋层到浆液池之间的空间进行了细化分层, 以一个浆液滴作为计算单元, 计算出每一层上浆液滴以及烟气的变化状况。接着对时间进行网格划分, 利用时间向前向后差分计算下一时间层上各种参数的变化情况, 直至最后一层。最后利用二分法计算出口分压, 求出脱硫效率。具体的建模过程分为以下几个方面:
a) 浆液滴的下落过程的模拟
在本文中, 假设浆液滴的下落过程为球体在气体中的下落进行处理。利用流体力学[12]中的公式, 下落过程满足:
其中ud和ug分别是浆滴和烟气的下落速度, ρd和ρg分别是浆滴和烟气的密度, d是浆滴的直径, l是浆滴下落高度, t是浆滴下落时间, μg是烟气的黏度。
我们利用欧拉法来计算浆液点的速度, 以0.01秒为一个步长, 计算各个步长上的浆液速度ud, 然后用ud乘以步长的时间得到一个步长时间内浆液下落的距离, 然后把各个步长内浆液下落距离相加, 使得它等于喷淋层的高度, 这样也得到这个喷淋层的分割层数。同时本文参考[13]中的研究结果并考虑到浆液滴下落过程中聚并的因素, 在计算中浆液滴的直径设为0.0029m。
b) SO2吸收过程的模拟
本文中SO2的吸收过程主要分为以下几个方面:
a) SO2扩散传质系数的计算
根据参考文献[9]中的研究, SO2在浆滴表面被吸收, 传质通量的方程式为:
其中: 由于本文篇幅有限, 具体的计算方程不再展开。
b) 网格上各点的Ca (OH) 2和Ca SO3溶解或结晶速率的计算
正数表示沉淀, 负数表示溶解。
c) 六价硫离子浓度分布的计算
六价硫离子浓度的微分方程为
本文中对此方程进行离散计算:用差商代替导数, 即 其中C指某个元素浓度, h指离散的间隔。在每个网络点上求解方程上所需的各个元素的浓度。
d) 总钙浓度分布的计算
总钙浓度的微分方程为
本文中对此方程的计算方法同六价硫离子浓度德计算。
e) H+浓度的计算
本文中利用“离子电荷平衡式”和“离子平衡方程式”计算出H+浓度。
离子电荷平衡式:
离子平衡方程:
f) SO2分压的计算
根据本文中以上的计算可以算出浆液点里硫离子的总浓度, 即可以算出烟气里SO2的分压。分压计算公式为:
c) SO2脱硫效率的模拟
我们采用二分法来计算出口分压, 以求出脱硫效率。首先猜测一个SO2出口分压, 根据上述液滴下落模型采用显示三点格式计算出出口第一层浆液滴内各离子的浓度分布情况, 计算结果作为下一层的输入, 由此一直计算到进口处, 比较最后层的分压和进口分压。如果计算值过大, 则减少出口分压, 反之, 则加大出口分压, 最后直至相等。
三、模型验证
在某铝厂自备电厂, 烟气脱硫系统已经运行, 且运行参数被用于验证本文提到的模型。该烟气脱硫系统的计算工况为:烟气流量为554000Nm3/h, 吸收塔有4层浆喷嘴, 塔的内径为8.4m, 平均塔出口温度47℃, 入口SO2浓度4000mg/Nm3, 喷淋量16000 m3/h, 喷淋速度8m/s。改变吸收塔内浆液的p H值, 将模型计算得到的SO2去除效率与PH值的关系和实测所得的数据作一对比, 具体见图1所示。结果表明, 模型的计算结果与脱硫系统设计数据的建议值吻合较好。
四、结论
本文从化学和物理原理方面分析石灰石/石膏湿法脱硫工艺, 建立了相应的数学模型, 并对此模型进行了计算, 可以用于预测SO2去除效率, SO2分压分布情况等等。同时可以随时调整关键参数, 根据新的参数计算出相关的预测结果。经过已运行电厂烟气脱硫工程的运行数据验证, 计算较为准确, 可以为工艺系统设计、调试和运行提供相关的技术支持。
参考文献
[1]孙克勤, 钟秦.火电厂烟气脱硫系统设计、建造及运行[M].北京:化工工业出版社, 2005.
[2]冯玲, 杨景玲.烟气脱硫技术的发展及应用现状[J].环境工程, 1997, 15 (2) :19-24.
[3]王志轩, 朱法华, 刘思湄, 等.火电厂二氧化硫环境影响与控制对策[M].北京:中国环境科学出版社, 2002.
[4]崔一尘, 刘惠永.燃煤烟气脱硫技术发展及其应用前景[J].热电技术, 2001 (1) :19-24.
[5]赵鹏高.火电厂烟气脱硫关键技术与设备国产化规划要点摘要[J].电力环境保护, 2000, 16 (2) :28-32.
[6]王娟, 张慧明.中国电力工业烟气脱硫的现状及发展趋势[J].环境染治理技术与设备, 2004, 5 (6) :12-16.
[7]关多娇, 徐有宁.适合我国国情的烟气脱硫技术探讨[J].环境保护, 2005 (8) :53-56.
[8]林永明.大型石灰石一石膏湿法喷淋脱硫技术研究及工程应用[J].浙江大学, 2006.
[9]韩琪, 李忠华.石灰石/石青湿法烟气脱硫的化学过程研究[J].电力环境保护, 2002, 18 (1) :l-4.
[10]李守信, 纪立国, 于军玲, 等.石灰石一石青湿法烟气脱硫工艺原理[J].华北电力大学学报, 2002, 29 (4) :91-94.
数模论文写作要点 篇2
数模论文；写作要点
[中图分类号]H15;O141.4[文献标识码]A[文章编号]1009-9646（2011）08-0095-02
一、论文的结构清晰性
由于参赛人数众多，评选老师的工作会很繁重，所以老师花在老师花在每篇论文上的时间肯定不会很多，如果说论文的排版，内容安排不清楚会使评选老师批阅起来相当吃力，第一印象不会好，当然最终你尽管你的论文内容相当的精彩可成绩就很难尽如人意。反之，若你的论文的结构条理非常清楚，让人看了一目了然，老师当然会感觉相当的顺畅，自然印象会非常好，后面尽管你的论文内容不是怎么好。但你们的成绩可能会出乎你们的意料。
二、论文的规范性
论文的书写一定要严格遵循组委会的格式要求，这是最基本的要求，如果这个都做不到，那一切可以免谈了。
三、论文内容方面
数模论文共分：摘要、问题重述、问题分析、模型假设、符号说明、模型建立与求解、模型的优缺点、模型的改进、参考文献、附录这几部分。其中需要特别注意的是摘要、问题重述、问题分析、模型的建立与求解的书写。这几个方面特别重要尤其是摘要更是重中之重！下面便来逐个分析。
1.摘要的书写。摘要是整个文章的缩影，是评阅老师了解论文的唯一直接的窗口，故尤其重要。
第一段一句话说明你建立了哪些模型，解决了什么问题，效果明显时可以说达到什么效果。实在觉得有需要可以在前面来一句在什么条件下要解决什么问题。
第二段回答问题一，熟练的同学尽量不用“针对问题一”这样开头表白，而是在最后恰当地方写哪个结果或方案或结论回答了问题一，这样便于这一段的前后句之间的因果关系表白。首先写分析上的原因，当然如果在分析前有数据的预处理，在此之前可以说明，并提到预处理得到的数据用来做什么用，数据处理时尽量都能用无量纲的数据！然后写建立了什么模型，如果是优化模型，要提到目标函数是什么？多目标时要提到变成单目标时权重的处理是怎么处理的！预测模型的话一定要在之前和之后都要说一下理由！之前是说选这个或这些模型的直观原因或客观原因或其他依据，最后要有统计依据，也就是相关系数，残差等等指标性的值来表达结论。一定要提是用什么软件求解，结论或结果或方案是什么，对多个模型处理同一个问题的，一定要有比较，而且不能只说某一个好，否则让人感觉你为什么还要建另一个一无是处的模型！回答问题二和回答问题一的过程类似，但应该在最前面增加与问题一的联系是什么，也就是问题一的哪些东西在问题二中还可以，但由于什么原因而放弃问题一的模型二选用新的模型！也就是一句话增加每一段之间的关联，使各段落之间不是强行隔开的，而是一个有机的整体。
2.问题重述。问题重述不能简单的照抄原文，至少不能要原题的表格和原题的图以及附件！这三样东西在你文中不能拷贝过来，需要时只要提到原题表，原题图或原题附件就行。重述实际上要表达背景是什么、有哪些已知条件和数据、要解决哪些问题，可以把细枝末节的东西去除。
原题就像电影本身，而重述是你看完“电影”后评记忆的描述（可在问题的重述中加入自己的理解，自己觉得问题本质上是什么问题！）。
3.问题分析。问题分析实质上指的是做题前看完题目后你的所想，你的思路，同一个问题可想到几个思路，你在分析中可说到，并要说明你打算怎样选取、依据什么，用什么方法选取等等。这就是你在看完题目做题前的排兵布阵，大致安排。还有就是问题分析是各问切不可按“问题一……二……三……格式来写，这种写法是非常不合理的！切忌不要将问题分析分成各个问题来分析，在形式上追求各问题之间区分明显，格式上一定不要出现各问分开的格式书写。
4.模型的建立与求解
如果是优化问题一定要把每个单项，每个等式和不等式都用文字性的语句说明。目标函数也要说明，最后也要一个最终的完整模型表达。结果一般是数据性或图表性的一些东西，对结果做一个文字性的描述，让读者明白这些东西说明了什么。
5.内容要求。论文的内容要求要有一定的创新性，创新点是获得好成绩的必备要求。创新点可以从下面两个方面获取：
A.创新点可来源于假设的独特性。当我们的假设中考虑的很全面很周到，和符合实际，而别人没考虑到，这就是我们的创新。
B.做题有事可能你的思维并不比别人高明多少，但是你在别人考虑的基础上优化了更多的时间进一步深入考虑了所研究的问题，则你就比别人高了一个档次，想得更深入，这也可以。
四、总结
数模论文目标就是要培养学生书写的规范性、解决实际问题的能力。因而在评阅老师的眼中，结构清晰性、规范性、摘要完美性是必须保证的。因而要想获得好的成绩，大家一定要严格遵循论文写作的规范要求、力求文章结构清晰思路流畅以及做到摘要的完美无缺。
[1]刘卫国.MATLAB程序设计与应用（第二版）[M].高等教育出版社,2006.7.
[2]谢金星,姜启源,叶俊.数学模型（第三版）[M].高等教育出版社,2006.5.
叶云龙（1988.11—）男，汉族，湖南常德人，中南大学土木工程学院土木工程专业本科在读，研究方向：桥梁工程。
数模研究 篇3
马钢新区能源综合利用工程[1]135MW汽轮发电机组的基础由于设备构造紧凑,使得基础外形在设计上受到了极大的限制,最小横梁截面的宽度只有0.5m。另外,由于转子轴承座与基础之间的连接属于落地轴承,扰力全部作用在了横梁中点,以上的特性使得基础的动力响应偏大,超出了《动力机器基础设计规范》[2]的要求。所以对大容量汽轮机设备,设备荷载布置、扰力性质均发生了变化,对其基础结构的设计较普通机组进行了较大的改动。国内没有该同类基础的运行业绩,属国内首台基础,按照《火力发电厂设计技术规程》(DL5000-2000)[3]的要求,即“对于新型机组的首台基础宜进行模型试验研究”,有必要对其进行模型振动试验研究,用以验证设计的正确性。但由于该电厂工期非常紧,进行物理模型试验的模型制作及混凝土养护等在时间上已经不具备条件了,而相对于物理模型试验而言,数值模型分析具有模型建立速度快、修改方便、能模拟较复杂的工况、无噪声干扰等诸多明显优点。为此,本文利用用有限元软件SAP2000中频域分析[4]功能对本工程汽机基础进行数模振动特性试验研究。
该基础外形详细尺寸及设备荷载分布见图1,采用了框架式基础,占地面积小,构件尺寸较为经济,可以提供足够的空间给工艺管线和辅助设备,对这种大容量的汽轮发电机组,传统将结构简化成梁单元进行计算的精度已经不能满足实际工程的要求了,计算振幅往往较实际偏大较多,基础的自振特性也不真实,结果导致机器工作时出现共振,引起较大的振幅。本文采用能够真实反映基础自身特性体四面体单元来模拟。
本研究主要分析汽轮发电机基础数值模型振动特性分析,得出汽轮发电机组启动过程中及带负荷运行中,基础的强迫振动响应的一系列数据、曲线等,在此基础上对该汽轮发电机基础作出评价,提出优化截面的建议、方案及该汽轮发电机基础的动力特性的各种参数,为机组今后的检修及故障诊断提供重要参考依据。
2 数值模型的建立
本研究主要利用SAP2000中结构动力分析[4]功能,具体分析流程为:建立模型、检查模型、划分网格、模态分析、谐振响应分析,最后对分析数据进行处理,并以图表的方式显示。
2.1 有限元模型的建立
数值模型的准确与否直接关系到分析结果的准确性,特别是对于大型汽轮发电机基础等复杂结构,由于设备、工艺等各方面要求,结构本身形状比较复杂,因此,应尽可能地利用能反应结构实际特性的单元模拟结构形状,以力求更真实、准确和直观地反应结构自身的力学行为。汽轮机基础在设备运行过程中实际上与上部设备(汽轮机、发电机)一起耦合振动,而且上部设备的质量和刚度对基础自身的力学行为也有较大的影响。本文利用SAP2000强大的功能,在按照《动力基器基础设计规范》要求,建立基础一设备联合系统数值模型,这样可以得到更为真实的分析结果。
在不影响计算结果精度的前提下,对严重增加计算难度的局部作了忽略处理,如比较小的洞口、螺栓孔和较浅的槽等部位,利用四面体单元模拟结构,利用正交异性材料参数模拟钢筋混凝土材料。框架式基础由于采用大底板下打桩,其支座近似用刚结约束边界条件来模拟。
2.2 设备荷载的模拟
安装在基础上的机器设备具有一定的质量、刚度和转动惯量,但由于受到设备自身的形体的复杂性、设备和基础之间的连接方式等因素的影响,设备刚度和转动惯量的大小和位置很难给予定量的确定。故在本模型简化过程中,为了与实际情况尽量接近,将设备简化成具有一定质量、一定刚度的实体结构,按照设备厂家提供的设备荷载图中荷载位置布置在基础上。简化的原则是质量相等,体积和刚度宁小勿大。
2.3 设备的扰力
按照《动力机器基础设计规范》要求,计算振动线位移时,应采用机器制造厂提供的扰力值,当缺乏扰力资料时,其扰力取值为0.1倍机器转子重力,采用集中到螺栓作用点部位上。
按照《动力机器基础设计规范》要求,计算振动线位移时,任意转速的扰力,可按下式计算:
式中,Poi为任意转速的扰力,kN;n0为任意转速,r/min。
此条规定通过SAP2000稳态分析工况定义稳态函数f=(n0/n)2来实现。
3 基础动力特性优化分析
3.1 优化变量的选取
初步建立的数模,在本文中称此计算模型为Model。在该基础的中间平台上设计了风道壁,壁厚100mm,但在计算模型中没有考虑这部分,所以作为第二套计算模型,即加了风道壁,此部分由壳单元来模拟。在本文称此计算模型为Mode2。
在优化计算前,我们和设备厂家配合,对于杆件可进行优化的参数作了确定如下:
柱子单元:1号、3号～5号柱单元可适当增加,优化范围是20%～10%,但减少后截面仍要满足相应的规范要求,即长细比小于14;2号柱单元不可增加,其优化范围是-20%～0%。
中间平台的纵横梁单元:为了优化后不影响设备的安装,所以优化后截面没有增加,为此优化范围是-20%～0%。
顶板横梁单元:所有横梁单元的宽度不能变化,高度的下限均取-10%,上限1号横梁(高中压缸端)可由2.5m增加到3.0m;2号横梁(高中压缸与低压缸之间)可由3.0m增加到4.0m;3号横梁(低压缸与发电机之间)可由2.5m增加到3.0m;4号横梁(发电机与励磁机之间)可由2.5m增加到3.0m,5号横梁(励磁机端)不能改变。
顶梁纵梁单元:只能减小不能增加,所以优化范围是-15%～0%。
在优化分析的基础上,根据专家们的建议,结合工艺要求进行了适当的调整,首先去掉了励磁机端的一排柱,其它杆件截面也进行了相应的变化,形成的结构模型相对于原始的主要变化简要如表1所示。
注:表中数字单位:m。
从表1中可以看出,优化模型相对于原始模型在结构断面方面做了比较大的改动,总重量略有增加(67t),不过如果考虑到地板厚度的降低,混凝土的节约量还是比较可观的。
3.2 两个计算模型优化结果分析
由于该基础受设备条件的限制,结构外型本身各杆件尺寸都已很小,而基础的振动线位移偏大,所以优化的目标重点在于振动线位移,表2是两个计算模型的优化结果。
从表2来看,比较以上的计算结果,优化后的结果比较明显,增加风道壁单元的Mode2在Z向振幅明显下降,最大振幅小于20μm,满足了《动规》要求,说明增加风道壁单元后对发电机与励磁机之间的横梁振动有较大的影响,而Y向变化较小;从自振特性变化上看,优化后由于大部分柱子的截面是减小,且变化率较大,所以结构更向柔性变小,第1阶自振频率有所下降,频率分布却有所变希,最大振动出现的转速有所降低。Mode2相对于Model最大振幅的下降率为18.54%。另外,在最大振动线位移下降的同时,总重量略有增加(60t),说明在优化计算中通过杆件断面的重新分配,大大提高了结构的动力特性。
表3为扰力点Z向的最大振幅和转速,数据表明相对于初始模型而言,优化后模型中各关键点的振幅普遍有所下降,特别是在运转阶段各扰力点Z向的最大振幅下降较多,说明优化模型相对于原始模型达到了比较明显的优化效果;优化后由于大部分柱子的截面是减小,且变化率较大,所以结构更向柔性变化,最大振动出现的转速有所降低。计算结果表明,在扰力的作用下,大多数点的振幅普遍较小,优化后模型振幅的数值计算结果完全满足规范的要求。扰力点的振幅曲线见图2。
图2的幅频曲线表明:
1)相对于初始模型而言,优化后模型中各关键点的振幅普遍有所下降,特别是最大振幅下降较多,说明优化模型相对于原始模型达到了比较明显的优化效果;优化后由于大部分柱子的截面是减小,且变化率较大,所以结构更向柔性变化,最大振动出现的转速有所降低。
2)《动力机器基础设计规范》中规定在汽车启动过程中(0r/min～2250r/min)基础上扰力点的允许振动线位移为30μm,在工作转速范围内(2250r/min～8750r/min)基础扰力点的允许振动线位移为20μm,计算结果表及频幅曲线图表明,在扰力的作用下,大多数点的振幅普遍较小,优化后模型振幅的数值计算结果完全满足规范的要求。
3)优化后模型中扰力点Z向的振幅比较均匀,非常有利于机组的平稳运行。
4 结语
通过对马钢新区能源综合利用电厂改扩建工程汽机基础进行数值模型分析可以看出,优化模型相对于初始模型明显得到改进,最终模型的动力特性都达到比较好状态。数值实体模型分析结果显示,在扰力作用下,绝大多数点的振幅较小,均满足《动力机器基础设计规范》的要求(工作扰频25%内为20μm,其它范围内为30μm)。
摘要：通过对马钢新区电厂工程135MW汽轮发电机基础进行数模振动特性试验研究,得到基础的动力特性,预测在电机启动过程中及带负荷运行中,基础强迫振动响应的一系列数据、曲线,对该汽轮发电机基础作出评价,在基本模型基础上优化,并提出基础的动力特性的各种参数,为机组今后的检修及故障诊断提供参考依据。
关键词：汽轮发电机,基础,数模振动试验
参考文献
【1】国电电力建设研究所.马钢新区能源综合利用电厂工程??135MW汽轮发电机基础数值分析报告[R],国电电力建设研究所,2005.
【2】GB50040-96动力机器基础设计规范[S].
【3】DL5000-2000火力发电厂设计技术规程[S].
数模研究 篇4
电主轴是近些年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。高速数控机床主传动系统取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动, 从而把机床主传动链的长度缩短为零, 实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式, 使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来, 称为“电主轴”。
磁悬浮电主轴就是将电磁轴承代替机械轴承, 与电机按机床主轴的结构结合在一起, 如铣床电主轴为空心结构、磨床电主轴有装卡砂轮的机构等[1]。电磁轴承是通过可控的磁场力将转子悬浮于空间, 使转子与定子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承, 在高速数控机床、航空航天等领域有着广阔的应用前景[2,3]。在磁悬浮电主轴中, 转子与轴承之间的间隙随着转子的高速旋转而不断发生变化, 需要实时地根据位移变化及时控制线圈电流的大小, 因此控制器是磁悬浮电主轴中最关键的环节之一[4]。
控制器按实现形式分为模拟控制器和数字控制器[5]。模拟控制器由OP放大器电路组成, 其优点是响应快、实现容易, 缺点是参数需要人工来调整, 调试比较困难、可靠性低、难以实现先进的控制算法;数字控制器是由数字控制芯片和其外围电路构成, 分为硬件和软件2个部分, 其优点是可以实现复杂的控制方案、进行大量额外任务的处理、实现在线识别、故障诊断等, 缺点是开发较困难, 对于复杂算法的响应速度不够快[6]。本文针对模拟控制器与数字控制器的不足, 并结合它们的优点, 设计了一种基于TMS320F28332DSP和数字电位器的数模混合式控制器, 完成对磁悬浮电主轴的控制。
2 磁悬浮电主轴的结构
本文研究的主动磁悬浮轴承的结构剖面图如图1所示。磁悬浮电主轴主要由传感器、转子、轴向磁悬浮轴承、径向磁悬浮轴承、推力盘、驱动电机和保护轴承组成, 其中轴向的磁悬浮轴承装在中间推力盘处, 起到转子在轴向平衡的作用;径向磁悬浮轴承共2个, 分别安装在转子的左右两端, 起到转子在水平方向和竖直方向的位置平衡的作用, 2个径向的磁悬浮轴承和一个轴向的磁悬浮轴承构成了一个5自由度 (DOF) 的磁悬浮轴承系统, 分别是水平2个方向、竖直2个方向和轴向。传感器主要用来检测转子的实际位置。保护轴承共有2个, 分别位于转子的两端, 主要起到当磁悬浮轴承系统失控时, 临时支承高速旋转转子的作用, 防止转子与电机定子及磁悬浮轴承定子相碰撞而损坏整个电主轴。
在磁悬浮电主轴中, 转子是被控对象, 电磁铁是产生磁场力的执行元件[7]。当转子的位置发生偏移时, 位移传感器检测出转子的位移, 与参考位置比较得到的位移偏差信号进入控制器, 控制器通过运算得到相应的控制信号, 然后由功率放大器将控制信号转变为控制电流, 控制电流在电磁铁中产生相应的电磁力, 从而不断根据转子的位置变化调整电磁力, 从而保证转子稳定的悬浮在平衡位置上。从工作过程可以看出, 控制器在整个控制过程中起着重要的作用, 是整个磁悬浮电主轴的核心之一。
3 模拟PID控制器
PID控制是一种成熟有效的控制技术, 是目前应用最普遍的一类控制技术。PID控制器通常由比例、微分、积分3个环节构成, 本文采用串并联形式的PID控制器, 如图2所示。由于比例环节和积分以及微分环节串联在一起, 为了保证刚上电时PID控制器能有电压输出, 积分环节与微分环节的输入端均接在OP放大器的正输入端。在实际电路中, 还需要加上一些信号调理电路与滤波电路才能使PID控制电路基本能够正常工作。
本文设计的模拟PID控制器比例、积分和微分环节的电路原理图见图3。图3a中运放的正输入端接的电阻R5和电容C1是为了消除输入偏置电流对运算放大器的影响。但对于FET型OP放大器时, 由于偏置电流比较小, 就不需要在同相输入端与地之间接入电阻。图3b中并接在电容C2两端的电阻R11是为直流负反馈提供稳定的偏置电压, 通常R11的阻值会取得比较大, 主要是为了降低对积分常数的影响。电阻R10是保证积分电路在电位器被短路时仍能正常工作, 阻值选的过大则会改变积分常数。图3c中的电阻R14的作用是在电位器被调至零时, 该电路仍有微分作用, R15的作用是防止R16电位器在调节过程中出现断路时, 反馈电阻出现无穷大的情况, 阻值选的过小会改变微分常数。R13的作用是当电容在某一频率其阻值变为零时, 防止微分电路饱和输出。
4 数模混合式PID控制系统设计
4.1 系统结构
数模混合式PID控制器是数字控制部分与模拟控制器部分组成, 其系统结构如图4所示。位移传感器采集到的位置信号经A/D转换后送入数字控制部分, 经过预先设定的算法, 将得到的运算结果送到数字电位器, 用以改变模拟PID控制器中的KP, KI, KD3个参数, 模拟控制器送出调理好的控制信号给功率放大器, 信号经功率放大器放大后送给执行电磁铁线圈, 改变电磁力使得转子能够保持稳定的悬浮。
在图4所示的系统结构图中, 数字部分是利用高速控制芯片TMS320F28335通过与数字电位器之间的通信来控制PID参数的电路。数模混合式PID控制器是在串并联形式的PID控制器基础上, 在比例环节、积分环节和微分环节分别加上数字控制部分。数模混合式PID控制器就是用数字电位器代替模拟PID电路中的机械电位器, 并通过DSP芯片来改变数字电位器的阻值, 从而起到参数调节的作用。在比例环节中用2个X9119代替模拟电路中的机械电位器, 可以提高调节的分辨率。
4.2 变参数PID控制
对于数字控制部分来说, 软件是不可缺少的一部分。本文的数字控制部分主要作用是实现变参数PID控制, 解决磁悬浮系统中非线性因素的影响。变参数PID控制即在控制过程中PID参数随被控情况的改变而改变, 与一般的PID控制相比多了一个PID参数库, 用以实现参数的实时在线调整, 从而使系统获得更好的控制效果。参数库是变参数PID控制的核心部分, 相当于一个小型的专家系统, 里面存放的是在实际控制调节过程中取得良好动态性能的PID参数。变参数PID控制器以误差和误差变化量作为PID参数的判定条件, DSP 28335根据判定条件为比例、积分和微分环节选择合适的参数, 实现变参数控制。
4.3 AD采样程序
F28335具有2个序列发生器SEQ1和SEQ2分别对应2个独立的8通道模块。当2个8通道级联成一个16通道模块时, SEQ1和SEQ2也会相应级联成16位的序列发生器, 一旦转换结束后, 采样到的通道值就会被保存在结果寄存器中, F28335提供了Result Reg0~Result Reg15共16个通道寄存器, 用于保存16个通道的采样结果[8]。其转换步骤为:初始化系统控制寄存器、PLL、看门狗和时钟, GPIO配置, 设置PIE中断向量表, 初始化ADC模块与EVA模块, 将ADC中断入口地址装入PIE中断向量表、开中断、启动ADC、等待中断、从ADC中断中读取ADC转化结果, 启动下一次ADC中断。
4.4 参数确定程序
为了提高数字控制器响应速度, 事先将PID的参数值转换成对应的数字电位器的电阻值, 并且将这些阻值以结构体的形式存储在DSP芯片的Flash中。参数确定程序的设计主要包括:计算偏差和偏差率部分, PID参数查找部分以及PID参数库部分。
计算偏差和偏差率部分的作用是通过对采样所获取的数据进行分析, 为下面的查找部分做准备;PID参数查找部分主要的作用是依据计算偏差部分所得出的结果选择参数库里面的参数;PID参数库部分, 即存储多组PID参数的程序, PID参数是通过结构体数组来存储的。
4.5 数字电位器软件设计
数字电位器X9119的器件地址为0x50。DSP通过I2C串行接口给X9119依次发出3条指令, 以完成对X9119的写操作[9]。DSC与数字电位器的3次通信包括:发送从器件地址, 发送写WCR指令, 往WCR里面写入具体的值。
5 实验结果
用数模混合式PID控制器和模拟PID控制器在同一个20 k W磁悬浮电主轴试验台上作验证和测试, 稳定转速可达25 000~30 000 r/min, 其稳定性得到明显的改善。如图5所示, 将涡流传感器用磁性卡座固定在测量范围内, 通过测量径向跳动来验证。图6a是用模拟PID控制器所测得的4个径向自由度的跳动曲线, 图6b是采用数模混合式PID控制器后所测得的4个径向自由度的跳动曲线。其中图6的纵轴单位为m V/μm。
通过图6a和图6b对比, 可以看到通过数模混合式PID控制器的应用, 磁悬浮电主轴的动态范围有了一定程度的提高, 反映在电主轴的最高转速相比于应用数模混合式PID控制器之前提高了近20%, 采用数模混合式PID控制器后, 实现了变参数PID控制, 扩大了控制的动态范围, 显然, 稳定性得到改善, 进一步提高了电主轴的最高转速。
6 结论
本文以磁悬浮电主轴为应用对象, 针对数字控制器和模拟控制器在应用中的不足, 基于TMS320F28335和数字电位器设计了一种数模混合式的PID控制器。该控制器实现了PID参数的实时调整, 使得磁悬浮系统能够最大程度的适应某些瞬态需求, 使得系统的鲁棒性得以增强。通过20 k W的磁悬浮电主轴进行了实验, 无论是从电主轴4个径向自由度静态位移信号图形还是从测试数据上来看, 控制器的动态范围都得到了提升, 提高了磁悬浮电主轴控制系统的稳定性。
后续研究将考虑提高DSP在系统中的利用率, 使DSP除了用于控制器中的参数调整控制外, 还可用于功率放大器的某些参数控制, 使功率放大器也能够实现智能化, 进一步提高磁悬浮电主轴的稳定性和鲁棒性。
参考文献
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车身数模焊接工艺分析方法浅析 篇5
关键词：车身,数模,焊接,工艺,分析
1 车身数模焊接工艺分析的重要性及目的
1.1 概念
车身数模焊接工艺分析是新车型车身开发焊装同步工程 (SE) 中最重要的一环, 是指结合产品的生产纲领、自动化率、生产方式等总体规划要求, 对产品的焊接工艺性如焊接关系、可焊性、装配性、涂胶性能等方面进行分析, 在保证产品工艺可行性的同时确定出最优化的车身结构的一项工作。
车身数模焊接工艺分析要求具有明确的输入条件。工艺设计输入如生产纲领、生产场地及自动化程度等;产品设计输入如零件三维数模、BOM清单、产品结构树等。任何一项输入数据的准确性都会影响到数模工艺分析的结果。
1.2 作用与意义
车身数模焊接工艺分析的作用就是为了使设计的产品具有生产可行性, 最大化地识别设计问题点, 减少后期的设计更改。其意义如下。
a.优化产品设计, 提高装配性及匹配性。
b.提升车身整体质量。
c.优化车身结构, 缩短开发周期, 降低开发成本。
所以, 车身数模焊接工艺分析对于整车品质保证有着很重要的意义。工艺分析的准确与否将关系到产品的可实现性及后期品质保证工作的难易程度, 直接影响到车型开发的周期及投资成本。
2 车身数模焊接工艺分析
2.1 应具备的基本素质
开展车身数模焊接工艺分析的工作人员应具备以下专业知识。
a.丰富的焊接工艺知识。
b.相关工装夹具、检具知识。
c.相关焊接设备知识。
由于数模的更新频次比较高, 每一次更新后都需要对数模进行重新分析, 因此会输出大量的ECR报告 (Engineering Change Request, 工程变更申请) 。为了将所有的ECR报告的状态管理清楚, 必须建立工艺分析文件管控表, 见图1。在每次数模更新后确认ECR的状态, 对管控表进行刷新, 因此对ECR的管控需要有相当的耐心和细心。
2.2 ECR报告的编号原则
ECR报告的编号原则见图2。
数模阶段代码按照数模的下发阶段可分为BD招标数模、SE同步工程阶段数模、NC冻结数模。
数模分组编号:FF前地板、RF后地板、ER发动机舱、UB地板总成、SB侧围等。
2.3 基本流程
(1) 分析流程
车身数模的结构设计主要分为3个阶段, 每个阶段的冻结数模都会下发到工艺部门进行工艺分析, 3个阶段分别是BD招标数模设计阶段、SE数模设计阶段及NC数模设计阶段。产品设计部门根据工艺、底盘、电气等部门的反馈意见及试验验证阶段的问题反馈对数模进行修改完善后, 确定最终的结构。车身数模焊接工艺分析流程见图3。
(2) 相关步骤说明
a.熟悉产品信息, 对车型结构、零件数量有清楚的认识并进行结构的划分, 这是工艺分析的前提。
b.对接到的招标数模进行检查分析, 主要是为了检查数模设计中存在的明显错误, 例如板件搭接干涉、定位孔缺失、多层板焊接、数模与零件明细表不符等问题。把这些问题汇总并反馈给设计部门, 配合其改进数模。
c.对SE数模进行检查分析。可根据产能、生产方式等因素, 结合产品结构树进行新的结构划分, 得出焊接工艺流程树 (图4) 、焊点布局图 (图5) , 并在此基础上进行详细的数模焊接工艺性分析。此阶段一般需要多人共同协作完成, 分配原则一般是按照车身工艺分块来进行的, 如四门两盖, 左/右侧围, 前/后地板, 发动机舱, 车身主线等。这一部分的工作需要操作者运用自身的专业知识, 结合其他因素综合考虑进行工艺编排及分析工作。期间也可以让夹具设计制造厂家参与进来, 共同完成工艺分析工作。此阶段的分析工作要重点突破大的结构性问题, 以防止后期出现大的设计更改。
焊接工艺流程树主要反映的是车身零部件焊接的工艺路线、级别关系等信息, 该文件是进行车身数模焊接工艺性分析的基础文件。
焊点布局图主要是按照流程对车身焊点进行规划并标示焊点信息如焊点位置、焊接层数等, 该文件是进行焊接可行性分析的基础文件。
d.对NC数模进行检查分析。与SE数模工艺分析一样, 按分组开展数模的焊接工艺性审查分析工作。
e.检查校对。经过以上对招标数模、SE数模及NC数模的分析工作后, 提出了大量的工程变更申请, 要不断对产品下发的新版数模进行检查核实, 以防止有未更改的设计问题或者是遗漏的工艺问题。
3 车身数模焊接工艺性审查的主要工作内容及其说明
3.1 主要工作内容
车身数模焊接工艺分析的工作内容见表1。
3.2 相关文件说明
车身数模焊接工艺性审查工作主要涉及的输出文件及其简要说明如下。
a.可焊性分析报告书
进行焊点的位置、间距和焊钳的操作性及板件搭接层数的研讨, 完成可焊性分析报告。
b.零件匹配适应性分析报告
研讨板件搭接间隙、搭接结构、放件方式、R角之间避免干涉及过孔尺寸, 完成零件匹配适应性分析报告。
c.零件装配性分析报告
研讨铰链固定位置可节解余量、铰链螺栓安装工具与板件之间避让间距及铰链安装面与车身平面的平行度, 最终完成零件装配性分析报告。
d.涂胶分析报告
分析涂胶断面的涂胶形式、涂胶间距及涂胶空间的尺寸大小, 结合上述分析内容完成涂胶分析报告。
e.白车身工艺流程分析报告
由焊接工艺人员结合设计输入 (如车身数模、设计BOM) 及工艺输入 (生产纲领、自动化率、生产方式等) 制定焊接工艺流程, 并在分析工艺可行性的同时将意见反馈至设计部门, 不断进行更改完善。
f.底盘及车体吊具支撑点分析报告
数模工艺分析要考虑到生产线的相关信息, 制定输送系统的定位基准报告, 对于无法满足工艺要求的位置要反馈至设计部门, 对产品结构进行设计更改。
g.定位孔分析报告
定位孔的选取要综合考虑多种因素, 如孔的轴线是否垂直于车身线、孔的中心线是否平形、两孔之间的间距是否满足要求及孔径、孔的强度是否满足要求等。对不满足工艺的要提出设计变更要求。
4 车身数模焊接工艺性分析要点
4.1 焊接位置及焊接搭接边长度
a.焊接搭接边长度 (B) 为:门周边区域最小为11mm, 其他位置最小为13 mm, 一般要求为16 mm。焊钳电极与板件翻边的避让间隙A≥2 mm。焊接断面见图6。
b.焊接板厚及板厚比要求。总板厚允许一般材质为小于5 mm, 高强钢板材质为小于4 mm。允许的板厚比 (总板厚/外侧薄板板厚) 为:一般焊点时小于4.5, 重点焊点时小于4.0。板件厚度太大及板件之间的间隙等因素, 都会导致虚焊、假焊等各种焊接缺陷的出现, 最终导致焊接质量不稳定。
有时由于产品设计的原因会导致局部焊接无法实现, 出现这种现象时需要对产品的结构进行修改, 如增加过孔、修改形面等。
4.2 零件匹配的适合性
a.除焊接搭接面, 其余位置板件搭接间隙最小为2 mm。
b.R角的边缘到搭接边最小距离d≥2 mm。
c.车门外板应比外板加强板高出1 mm;车门内板应比内板加强板高出1 mm;侧围外板应比侧围内板高出1 mm。
d.过孔尺寸:L<30 mm, d 2=d 1+3 (如果是三层板, d 2=d 1+3, d 3=d 2+1) ;L≥30 mm, d 2=d 1+5。过孔尺寸见图7, 其中L为板件之间间距, d1为定位孔直径, d2为过孔直径。
4.3 零件装配及干涉
a.门铰链固定位置的调节余量, 规范要求:A为最小, B+5 mm (A为铰链安装孔, B为螺栓直径) 。
b.规范要求车门铰链安装面与车身平面的平行度, 应尽量保证平行, 如冲压条件无法实现则要求铰链安装面与车身平面的角度≤3°。
4.4 涂胶部位的断面结构
a.膨胀胶涂胶凹槽尺寸要求:凹槽深度a=12mm, 通常情况板件之间间距b=3 mm, 特殊情况b=12 mm, 见图8。
b.点焊密封胶的涂胶间距要求:a1≥50 mm, a1=a2=a3=a4, 涂胶形式尽可能与点焊形式相同, 见图9。
4.5 焊接工艺流程
在确定焊接工艺时, 上件的先后顺序直接影响着焊点的可焊性及总成的结构强度, 有时会导致焊接困难、无法焊接或强度无法保证。图10所示分总成1的结构强度无法保证, 需要重新划分上件顺序或改变产品结构。
4.6 输送定位系统
车身数模焊接工艺分析要考虑到生产线的相关信息。对于共线生产的车型, 要充分地研讨其输送系统的共用性或者切换方便性并提出相应对策;对于新建线要制定输送系统的定位基准报告, 用于指导输送设备 (滑撬等) 的设计与制造;对于无法满足工艺要求的位置要反馈至设计部门, 对产品结构进行设计更改。
4.7 定位孔、定位面的合理性
通过工艺分析确定定位孔、定位面能否满足焊接要求, 并对产品进行反馈, 分析主要依据3-2-1法则。
4.8 包边结构
外覆盖件的包边一般分为平行包边和圆角包边。出于对行人保护方面的考虑, 通常发动机罩盖为圆角包边, 且由于造型的需要, 外板的翻边角度比较特殊, 在一定程度上影响了发动机罩盖内板的上件。考虑到内板上件的方便性及包边的可行性, 外板翻边角度一般要求为105°, 最大不能超出110°, 对于超出此范围的翻边角度包边模已无法实现包边, 需要采用机器人包边的方式。发动机罩盖翻边见图11。
4.9 其他方面的要求
(1) 减少主线上件次数
在进行工艺编排时, 要尽量减少在主线上上件的次数, 尽量简化主线。这样有利于降低成本, 提高主线在混线生产时的灵活性。
(2) 公差积累问题
在做工艺分析时, 要尽可能避免因工艺划分而出现公差积累, 进而对车身尺寸造成影响, 焊点布局见图12。
如果先焊接图12中1、2、3, 则其在Y向的公差积累可能会对左/右纵梁的Y向尺寸造成影响, 所以最好将1、2与3分开焊接较好。具体审查规范详见焊接工艺性审查标准。
(3) 外观焊点的质量保证
尽可能减少外露焊点, 并使外露焊点易于焊接、焊点平整, 防止外观件磕碰。
5 结束语
车身数模焊接工艺分析是焊接同步工程的一个重在确保工艺性的同时可以最大化优化产品结构, 并降低车型的开发成本及开发周期。数模工艺性审查工作在产品开发过程中发挥着重要的作用, 已在各大主机厂广泛推广和应用。
参考文献
[1]常思勤.汽车同步工程在汽车行业的应用.世界汽车[J], 1996, (04) :11-15.
数模研究 篇6
1 前言
在创新知识经济时代, CAE承担着产品更好的设计、仿真、创新、快速响应市场等诸多重要的功能, 已成为企业信息化深化应用的关键技术。Autoform能直接由设计师来完成模拟, 不需要大的硬件投资及资深模拟分析专家, 其高质量的结果亦能很快用来评估, 在缩短产品和模具的开发验证时间、降低产品开发成本、提高产品质量上效果显著, 对冲压成形的评估提供了量的概念, 给企业带来明显的竞争优势和市场机遇, 所以已有越来越多的厂家开始采用CAE模拟技术。本文主要介绍冲压成形仿真模拟软件Autoform在汽车数模早期开发中的应用及功效。
2 产品模拟设置
Autoform模拟过程主要为导入模型→网格划分→定义材料→设置工作参数→计算→结果分析处理。下面举例介绍Autoform在汽车数模设计中的应用。
图1是一款轿车的侧围内板数模, 为满足美国客商五星级碰撞要求, 采用了B210P1高强度板。图2为B210P1材料性能。该材料屈服强度为210～310MPa, 抗拉强度为390 MPa, 料厚小于1.0 mm, 伸长率约32%。对于屈服强度较高的高强度板来说拉延深度过高很容易产生开裂等情况, 所以需要采用Autoform对其成形性进行分析, 确定可行性。
图3是做完补加面等待用于模拟的数模, 根据零件外形及经济性考虑采用了双件同时成形方式。模拟的主要设置参数如下:材料B210P1;料厚0.7 mm;摩擦因数0.15;最大拉延深度165 mm;压边力98t。采用单动模式模拟计算成形3个阶段行程。
3 结果分析及解决方案
图4为零件模拟后的结果。由图可以看出有多处开裂, 在裂口处附近板料厚度变薄率超过20%, 另外成形后在补加面位置的板料剩余量为10～15 mm, 根据经验板料大小是比较合适的。因此, 在不改变零件结构强度的情况下采用更改开裂处的R角、调整拉延筋流料阻力等常规方式重新进行模拟计算, 但修改后发现零件轮罩处仍然存在开裂现象, 无法根本解决此问题。
在这种情况下, 考虑到将此件分为两部分。原则上要保证所分件达到最好的成形性, 此外还要考虑焊接的可行性以及对配合零件影响。图5、图6为所分两件的数模。
3.1 零件1模拟分析结果
零件1成形深度只有35 mm, 依然采取两件同时成形方式。具体设置如下:材料B210P1;料厚0.7 mm;摩擦因数0.15;最大拉延深度35mm;压边力60 t。
图7为零件1成形模拟结果, 可以看到零件型面部分基本为绿色 (安全色) , 表明零件成形安全, 因此可以确定此件成形性良好。
3.2 零件2模拟分析结果
零件2是原数模成形问题较多的部分, 也是分件方案正确与否的关键。主要关注零件2的模拟分析结果。
其主要设置参数如下:材料B210P1;料厚0.7 mm;摩擦因数0.15;最大拉延深度158 mm;压边力75 t。
图8为零件2模拟后成形图。模拟结果显示在成形深度较深处出现几处开裂, 轮罩侧壁处起皱严重且位于零件表面, 后续无法切除。这些问题对于钣金件都是必须要克服的。在确认不影响与其他制件装配干涉的情况下, 将开裂处附近R角尽量放大, 同时减少压边力来提高材料流动时的进入量和流动速度以达到消除开裂现象, 负面影响是采用减少压边力等措施会加剧起皱区的严重程度。为消除起皱问题可以采取更改零件部分面形状的措施, 在零件2侧壁处增加5条吸皱筋来吸收波纹, 更改起皱区附近补加面形状增大局部流料阻力以期减弱或消除起皱现象。图9是零件部分面形状更改后的模拟成形图。
由图9看出, 在进行调整后零件2基本达到成形要求, 开裂消除, 起皱也控制到要求范围。
数模研究 篇7
作为各种元器件的支撑和互连的PCB正朝着小型、高速、高密度的方向不断攀升[1]。集成了高速数字电路、模拟小信号电路、A/D或D/A转换电路、电源等的数模混合PCB的应用日益广泛。混合PCB设计中的EMI问题越来越突出, 现代数模混合PCB的设计正面临着新的挑战。为了缩减开发周期和开发成本, 需要采取新的设计方法和手段来解决EMI问题。
本研究从干扰源头和干扰路径来解决PCB中EMI问题, 并给出混合电路PCB设计规则和方法。
1 数模混合PCB中EMI产生的原因
EMI产生的三要素为电磁干扰源、干扰途径、敏感部件。正确辨别PCB中EMI三要素是进行数模混合PCB设计的基础。
1.1干扰源
数模混合PCB中的干扰源主要由数字电路部分产生:
(1) ΔI噪声。高速逻辑电路状态切换时, 电源和地上的电流发生突变, 产生ΔI噪声电流。由于电源线和地线存在一定的引线电感, ΔI噪声电流会在电源和地上产生尖峰电压, 即ΔI噪声电压。
(2) 高速数字信号的高频分量, 主要为时钟和数据等周期信号。在EMI频率范围内, 关心更多的是信号的高阶谐波 (常取10倍频程) [2]。
(3) 由于不对称因素 (如串扰、驱动器错位、线长偏差及不对称负载等) 使差分信号转化成共模信号[3], 共模电流在PCB上寻找任何低阻抗返回路径, 容易产生EMI问题。
(4) PCB电源/地谐振[4]:由电源/地形状、介质厚度、介电常数、去耦电容决定。根据波动理论, 当外界激励频率与结构固有谐振频率一致时, 结构上产生最大振幅。PCB典型的激励源包括电源/地引入的传导干扰、高速IC开关噪声等。谐振增加辐射强度, 因为它会让辐射器更有效率。
1.2干扰途径
(1) 传导干扰[5], 属频率较低的部分 (低于30 MHz) , PCB中主要有共地阻抗耦合及共源阻抗耦合两种。共地平面阻抗耦合模型如图1所示, 其中US1为干扰源电压、US2为敏感电路信号电压, 干扰源与敏感电路间有公共地阻抗ZG。
不考虑I2作用时:
UG=ZGUS1/ (RS1+RL1+ZG) (1)
由于:
RS1+RL1≫ZG
所以:
UG≈ZGUS1/ (RS1+RL1) (2)
UG在R12上形成的干扰电压Un为:
Un=ZGRL2US1/ (RS1+RL1) (RS2+RL2) (3)
可见, 敏感电路负载RL2上的干扰电压Un是干扰源US1、公共地阻抗ZG、负载RL2的函数。同理, 不同电路或芯片的电流通过公共电源阻抗时, 在敏感电路上一样会产生干扰电压。
(2) 感应干扰, 分为电场耦合与磁场耦合。在高频段, PCB走线分布参数的影响不可忽略, 需要按分布参数理论来考虑。电场耦合强度取决于干扰源频率、强度及两走线或者平面之间的互容。电场耦合可用连接在受扰线上的电流源Icm来模拟:
干扰线与受扰线之间的高频电场耦合模型如图2 (a) 所示。
磁场耦合强弱取决于干扰源频率、强度及两走线或者平面之间的互感等因素。磁场耦合可用受扰线上的感应电压源VLm来模拟:
干扰线与受扰线之间的高频磁场耦合模型如图2 (b) 所示。
由参考文献[3]可知, 上述两个耦合模型产生的近端噪声为:
远端噪声为:
式中 Vinput—传输线输入端电压;CM和LM—两走线之间互容和互感;L和C—走线的单位长度电感和电容;X—两走线的耦合长度;Tr—干扰信号的上升沿时间。
(3) 辐射干扰, 属于频率较高部分的耦合 (高于30 MHz) 。根据Maxwell方程, 短单极天线的辐射场为:
Hϕ= (Idlejkr/4πr) (jk+1/r) sin θ (8)
Eγ= (-jIdl/2πωε) (e-jkr/r2) (jk+1/r) cos θ (9)
Eθ= (-jIdl/4πωε) (e-jkr/γr) [-k2+ (jk/r) +1/r2]sin θ (10)
式中 φ、γ、θ—球坐标;I—天线电流;dl—短单极天线长度;r—天线至场点的距离;ω—角频率;ε—空气介电常数;k=2π/λ。
当r≪λ, 为近场, H正比于1/r2, E正比于1/r3, 波阻抗|Z|=|-jZ0 (λ/2πr) |≫Z0 (Z0为自由空间波阻抗) , 为容性阻抗, 与1/r成正比。单极天线为高电压、小电流、高阻抗源。当r≫λ时, 为远场, E与H都正比于1/r, 波阻抗Z=377 Ω。
对于小环天线, E正比于1/r2, H正比于1/r3, 波阻抗Z=jZ02πr/λ, 为感性低阻抗, 与r成正比。小环天线的近场以磁场为主。小环天线为低电压、大电流、低阻抗源。其远场与单极天线相同, H和E都正比于1/r, 波阻抗Z=377 Ω。
1.3敏感部件
敏感部件为模拟电路, 包括传感器、接收器、低噪声放大器等噪声敏感器件和电路。
2 数模混合电路PCB设计原则
控制EMI的关键, 是降低电源地平面谐振和电路回流路径阻抗, 正确放置旁路和去耦电容。
2.1器件布局
(1) 根据电路原理把PCB分为数字区域和模拟区域, 避免数字器件与模拟器件交叉放置。在每个区域按照电源电压/电流大小、速度快慢进行分组。A/D、D/A转换器跨分区放置。
(2) 合理放置高速IC的去耦电容以减小ΔI噪声, 控制EMI干扰源头。所有高速IC的本地去耦电容应该尽量靠近IC的电源管脚。如果使用两个数量级不等的本地去耦电容, 应把较小容值的电容更靠近IC, 以提高瞬间电流补偿速度。PCB的整体去耦电容紧靠外接电源线和地线放置。
2.2高速数字电路部分
减小信号的反射和串扰的措施主要有:
(1) 增加高速信号线之间的间距。对于时钟信号电路布线, 其边对边的距离 (S) 至少为布线高度 (H) 的3倍, 即S/H≥3;对于数据电路布线, 其S/H≥1。尽量减小耦合长度, 把敏感信号线布成带状线以减小远端串扰。
(2) 保持信号在整个路径中感受到的瞬态阻抗不变。对于时钟线和高频信号线要根据其特性阻抗要求考虑线宽, 做到阻抗匹配。如果有大量信号线切换参考平面, 须注意这些过孔在参考层上的分布不要形成开槽, 以免切断信号返回路径。
(3) 高速信号线换层走线时, 如果它们的参考平面具有相同电压, 则尽量将信号线过孔与返回路径过孔放置在一起;如果它们的参考平面具有不同电压, 应在信号过孔旁就近放置ESL小的去耦电容。
(4) 确保高速信号线的参考层为完整平面。比如, 对于一个T-G-S1-S2-P-B的六层板 (T为顶层走线层, G为地平面层, S1、S2为内层信号走线层, P为分割电源平面层, B为底层走线层) , 高速信号最好走在T和S1层, 不要走在S2和B层。
(5) 尽量保持差分线等长和等间距, 减小不对称性。
2.3隔离
分割地平面以减小共地阻抗耦合。在PCB中, 将地平面划分成不同的区域, 如模拟小信号地、功率地、数字地、I/O接口地等, 从而使各电路的返回电流只从各自的地参考平面上返回, 两个地在一处通过铜箔、0 Ω电阻或磁阻相连。并且当有信号线需要跨分割走线时, 从两地的桥接处布线通过, 避免由于地参考平面不连续而增加信号的反射和串扰。同时, 数字电源与模拟电源的分割要与其对应的参考平面保持一致, 避免模数电源的噪声耦合。对于A/D或者D/A的数字地和模拟地, 也采用类似的原则, 只需在器件下面把两个地桥接起来。
2.4减小电流环路面积
单/两层板中, 电源、地通常都是以布线方式走线。要保持电源环路面积和信号电流环路面积最小, 应使电源和地、信号和地成对走线, 以降低辐射。对低频电路, 地应尽量采用单点并联接地;高频电路宜采用多点串联接地。
3 工程实践
为提高实践中设计的成功率, 笔者采用PCB设计原则和仿真相结合的方法。电路包括传感器电路、小信号放大电路、A/D转换器、FPGA和DSP数据处理和控制IC、功率输出电路等。仿真工具为Ansoft的SIwave, 这是一款针对PCB整板级的全波电磁场分析工具。在混合电路PCB设计中, SIwave主要作用为[6,7]:
(1) 计算谐振模式:SIwave通过求解齐次Maxwell方程得到电源和地平面之间2D谐振模式, 分析PCB固有结构和RLC分布参数引起的可能发生的风险。
(2) 计算S/Y/Z参数:计算已定义网络的S参数, 然后通过节点电流电压关系转化成阻抗/导纳参数。S参数反映了信号的反射和传输特性, 以及信号之间的耦合。
(3) 计算激励源的作用:通过定义频变源或者恒定源, 分析PCB板上所激发的电场分布情况, 考查传导和辐射效应。
本研究中PCB采用FR4材料, 尺寸为100 mm×80 mm, 板厚1.6 mm, 使用T-G-S1-S2-P-B的六层板叠层结构。电路中ALTERA FPGA的时钟信号上升沿为0.5 ns, 有效带宽700 MHz, TI DSP数据信号有效带宽为500 MHz。主要的设计方法和步骤为:预布局阶段, 按照设计原则进行布局, 避免了高速数字信号 (FPGA与DSP的时钟、地址信号、数据信号、控制信号) 对模拟电路的干扰, 同时要避免PCB结构谐振引起的潜在干扰源。使用SIwave计算由PCB材料、尺寸和叠层确定的电源/地平面的谐振模式, 避免将FPGA和DSP等关键器件放在其工作频率与平面谐振频率相近并且谐振较大的平面之上, 否则, 只能通过在谐振位置添加合适的去耦电容来改变谐振特性, 增加了成本和设计复杂性。仿真结果表明, 在1.5 GHz以下时, PCB存在4个谐振频点, 如表1所示。
由电磁场分布图 (如图3所示) 可见, PCB在低频时, 中心位置不存在谐振。所以, 布局时应把高速IC放在PCB的中间位置。
根据上述分析的设计原则对该混合PCB进行布局、布线和平面分割, 完成后, 再进行谐振分析, 进一步考查PCB上分布RLC元件对谐振模式的影响, 避免PCB因为谐振存在的潜在干扰源。仿真结果如图4 (a) 所示, 笔者发现在577 MHz时, 3.3 V电源在分割平面上呈现严重谐振, 谐振电压大于8 V。
SIwave中, 在谐振处添加3对陶瓷贴片电容, C1～C3的参数为:C=0.1 μF, ESL=1.5 nH, ESR=0.2 Ω;C4～C6的参数为:C=0.01 μF, ESL=1.5 nH, ESR=0.2 Ω, 消除此处的谐振模式, 如图4 (b) 所示。
计算关键信号的S参数, 考查信号的反射和串扰, 以减小EMI干扰源和感应耦合。在要检测的信号线上添加端口 (PORT) , 然后用SIwave计算S参数。所计算的一个时钟信号与一个数据信号端口的S参数如图5 (a) 所示, 反映了CLK信号的反射和CLK与DATA3之间的串扰。波形表明, 按照上述设计原则的布线能满足设计要求 (串扰小于5%) 。数字电源+3.3 VD与模拟电源-5 VA之间的隔离度 (即串扰) 如图5 (b) 所示, 亦满足设计要求。
笔者进行了传导干扰分析和电压噪声检测。在SIwave中, 某个信号网络的源端添加电压源激励, 末端添加电压探针Probe, 对该信号进行频率扫描, 考查信号在探针处的电压摆幅, 还可以观察在PCB板上激发的电场分布情况。如果某些频点上出现尖峰, 说明加在该网络末端的电压探针探测到这些频点处由于信号 (用激励源代替) 激发了PCB谐振, 造成信号线上电压的较大摆幅。对该PCB中模拟电路+5 VA电源模块与前置运算放大器电源脚之间进行传导干扰分析时测得的波形如图6所示, 该电压源会在360 MHz时激发PCB谐振, 电压达到20 V, 产生EMI辐射。但本电压源的实际工作频率为125 kHz, 远小于激发谐振的频率, 所以PCB上不用改动。
最后, 本研究对PCB进行了远场辐射分析。为防止数字信号产生较强EMI辐射干扰临近的模拟电路模块, 笔者对有效带宽500 MHz的DATA7信号线进行了远场辐射分析。SIwave中, 在DSP的DATA7 PIN脚上添加扫频源, 进行远场解析, 为模拟3米法测试的结果, 可将无穷远处的dB (MaxETotal) 仿真结果进行近似折算, 改为B (MaxETotal/3) +120。仿真波形如图7所示, 在2 GHz频带以下, 辐射小于80 dBuV/m, 基本满足设计要求。
4 结束语
数模混合电路PCB的EMI抑制不是一个简单的流程, 只有掌握了EMI干扰的源头和路径, 通过对PCB的精心设计来控制分布参数、瞬态电压和电流路径, 才能做出正确的对策。尽管相关技术的研究不断取得进展, 但如何将它们有效应用于工程实践仍有很多问题需要进一步研究。本研究中讨论的设计原则与方法对混合电路PCB的设计具有一定的指导作用。
参考文献
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[2]黄盛林, 姜海勋.高速混合PCB板的电磁兼容设计[J].船电技术, 2005, 25 (3) :14-17.
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[5]何宏, 张宝峰, 张大建, 等.电磁兼容与电磁干扰[M].北京:国防工业出版社, 2007.
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数模研究 篇8
光伏电池的输出特性为非线性,具有最大功率点(MPP)[1],因此光伏电池变流器通常采用MPPT算法提高能量利用率[2]。若直接用光伏电池来调试MPPT算法,一方面安装成本高、占地面积大,且做实验时需进行串、并联调整,耗费人力物力;另一方面光伏电池的输出特性与光照强度、环境温度等相关,因而实验结果可复现性差[3]。故有必要研发设计一种光伏模拟器模拟光伏电池特性,加速光伏变流器的研发工作。
光伏模拟器不仅应具有与光伏电池足够相近的静态特性,还应具备合理的响应速度,因为在配合后级MPPT算法调试时,只有在MPPT的两次扰动时间间隔内输出达到稳态,才能不影响后级变流器的MPPT动作。近年来为获得更快的最大功率点跟踪速度,提高MPPT总效率[4],MPPT算法的扰动频率越来越高[5-6],如NI公司的SM3320-1A1 型号光伏电源优化器其扰动频率就在1 k Hz左右。大多数对光伏模拟器的研究都忽视了响应速度的保证[7-8],响应时间在50 ms~1 s之间,因此不能适应高扰动频率MPPT算法的调试。
本研究设计一种基于数模混合控制的快速光伏模拟器。数字控制部分采用四段折线拟合法建立光伏数学模型,采样输出电压、电流计算负载阻抗,并利用负载阻抗定位法求取光伏模拟器的静态工作点;模拟部分快速跟踪数字控制给定的静态工作点,使得主功率电路输出具有光伏特性。理论分析、仿真和实验结果表明,该装置的单次扰动动态调整时间在0.22 ms,证明所设计的模拟器能够适用于快速MPPT算法和产品的辅助研究测试。
1 系统方案及动态响应时间分析
光伏模拟器设计方案示意图如图1 所示,光伏模拟器系统主要包括数字算法、数模转换电路、模拟算法和主功率电路4 个部分,这4 个部分共同决定了系统的响应时间。
数字算法部分采用DSP实现,采样当前周期主功率电路的输出电压vo以及输出电流io,根据光伏特性数学模型计算出模拟器下个周期的输出电压参考值,并在经过数/模转换电路后输入模拟算法部分。模拟算法部分采用峰值电流控制,调节主功率BUCK电路输出电压,该输出电压调节到稳态值后,模拟器的输出vo和io即位于所模拟的光伏特性曲线上。
1.1数字控制算法设计
数字控制算法包括两方面内容,一是光伏电池输出I - V特性的拟合;二是计算出模拟器的主功率静态工作点[9]。
为了缩短软件运算时间,该设计采用四段折线法拟合光伏电池数学模型[10]。定义Vmpp,Impp分别为光伏特性曲线最大功率点的电压和电流,Voc,Isc分别为开路电压和短路电流。
四段折线拟合的光伏数学模型如图2 所示,本研究在光伏特性曲线上选择5个点,分别为(0,Isc)、(0.9Vmpp,I1)、(Vmpp,Impp)、(1.1Vmpp,I2)、(Voc,0),相邻点之间以直线段相连。构成的四段折线可用于拟合真实的光伏特性曲线,并且拟合的曲线与原曲线在0.9Vmpp和1.1Vmpp区间的最大误差不超过3%。因模拟器主要工作在最大功率点附近,拟合的特性曲线满足对光伏模拟器的精度要求。
拟合后的光伏特性曲线方程见公式(1):
式中:Vso,Iso—曲线上电压和电流。
拟合的曲线电压和电流在各段中为线性关系,有利于减少DSP的计算量,提高系统响应速度。
该设计使用阻性负载模拟光伏模拟器负载[11-13],阻性负载的伏安特性是一条经过原点的直线,负载阻抗值决定了直线的斜率,并与光伏特性曲线有不同的、单一的交点。负载阻抗-光伏参考电压关系图如图3 所示,图3 中RL1、RL2与曲线的交点分别为A 、B ,对应这个负载条件下光伏模拟器的静态工作点。折线法选择的5 个点对应阻值由小到大分别为0、0.9Vmpp/I1、Vmpp/Impp、1.1Vmpp/I2和无穷大,将光伏特性曲线分成了4个阻抗区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ,DSP利用这个4个区域与公式(1)快速定位模拟器工作点。
如图3所示,假设某个时刻模拟器负载由RL1变成RL2,此时模拟器输出电压保持不变,模拟器的工作点为C ;DSP采样到当前负载电压vo和电流io后,计算出负载阻抗,通过查表确定C点位于区间Ⅳ,并根据公式(1)找到负载伏安特性与所拟合光伏特性曲线的交点B ;将B点电压输入到模拟控制电路,当主功率电路跟踪该电压值并达到稳态后,光伏模拟器的输出电压电流即位于光伏特性曲线上。这种算法简称为负载阻抗定位法,其优势是:对于每一次MPPT扰动后导致的模拟器输出电压电流偏离光伏特性曲线现象,只需一次动态过程,即可调整正确。
本研究利用四段折线拟合法和负载阻抗定位法结合的算法,简化了DSP求取模拟器静态工作点的过程,减少了软件延迟时间。实验选用的DSP主频率为60 MHz,程序使用了IQmath库进行乘除法运算,每个求解周期包括1次定点乘法运算,2次定点除法运算,以及6次定、浮点之间的转换运算。经测试,DSP完成一次采样和求解新静态参考工作点的运算时间仅为0.02 ms。
1.2主功率电路及其控制算法
对主功率电路及其控制算法的要求是快速跟踪数字算法部分给出的参考电压。同时考虑到成本和实用性,模拟器采用传统的电压外环和电流内环的峰值电流控制同步BUCK,如图1 所示。该主功率电路拓扑具有结构简单、可靠性高、输出电压纹波小等优点;而峰值电流控制算法暂态响应快,控制电路容易设计,且其逐周期限峰值电流功能能够可靠保护模拟器电路和负载。
为了分析主功率电路及其控制算法的时间开销,须建立其小信号模型。首先忽略电感电流纹波的影响,可推导出电流内环传递函数如下式所示:
式中:v0(s) —输出电压;vc(s) —内环电流参考;Af—电感电流采样比例;C ,RL—输出电容和负载电阻。
接着加入电压外环,获得峰值控制BUCK的传递函数如下式所示:
式中:vref(s) —电压外环参考电压,KP—PI的比例系数,KI—积分系数,Avs—输出电压采样比例系数。
1.3数/模转换和响应时间
为了提高DSP的型号可选择性和简化系统设计,数字和模拟电路接口数/模转换电路实现方法如图1所示,本研究利用DSP的PWM引脚将数字参考电压vdr变成占空比与之成正比的PWM信号vPWM,并输入二阶低通滤波器变成平直的电压,其中vdr转换为PWM信号的响应时间可以忽略。
二阶低通滤波器如图4 所示,传递函数表达式见式(4),为简化设计,令R1、R2、R3相等,C1和C2相等。 vPWM频率为200 k Hz,选择二阶滤波器的截止频率fn= 1/(2πR1C1) 为10 k Hz,保证模拟算法部分参考电压vref纹波足够小。
根据公式(3,4),可写出从DSP参考电压vdr到主功率输出电压vo的传递函数如下式所示:
本研究定义Gh(s) 的响应时间为参考电压vdr发生阶跃变化后,vo达到其新稳定值的95%所需要的时间。光伏模拟器各参数如表1 所示,通过Matlab仿真测试出最大功率点对应电阻RL=2.78 Ω时Gh(s) 的响应时间约为0.2 ms。结合1.1节分析结果,计算出模拟器系统的响应时间为0.22 ms,即负载发生突变后,光伏模拟器需要0.22 ms才能重新将其输出调整到光伏特性曲线上。 这个时间已经能够满足NI公司SM3320-1A1型号光伏电源优化器的要求。
2 仿真与实验验证
为了验证理论分析的正确性,本研究使用Matlab对整个光伏模拟器进行仿真验证,相关仿真参数如表1所示。
仿真电路如图5 所示,图5 中,SW开关模拟负载突变;DSP模块输出后的0.02 ms延时环节代表数字算法部分延时。
负载阻抗由1.2 Ω突变至3.2 Ω的仿真波形图如图6(a)所示,对应光伏特性曲线电压分别为6 V和13.6 V,模拟器响应时间约为0.22 ms,与理论分析一致。负载阻抗由2.3 Ω突变至6.3 Ω的仿真波形图如图6(b)所示,对应光伏特性曲线电压分别为10.8 V和15.2 V,模拟器响应时间约为0.16 ms,与理论分析的0.22 ms有差距,原因在于负载阻抗变化改变了Gh(s)的响应时间。在2.3 Ω和6.3 Ω之间取RL=4 Ω,仿真出Gh(s) 的响应时间为0.13 ms,则系统总响应时间为0.15 ms,与仿真结果一致。
系统仿真响应时间与前述理论分析结果接近,证明所提出模拟器的可行性和理论分析的正确性。
笔者搭建实际电路验证理论分析和仿真的准确性,实验参数如表1所示,首先验证光伏模拟器的静态输出特性,接着测试其响应时间。
通过设置不同的负载,可测得模拟器一系列的静态输出工作点。光伏模拟器实验测量工作点如图7所示,菱形散点表示实验所得的光伏模拟器输出工作点,实线则代表利用四段折线法拟合得到的理论光伏数学模型,两者的充分拟合表明所设计的光伏模拟器能够较精确地模拟光伏电池的静态工作特性。
负载阻抗跳变时光伏模拟器的输出动态实验波形如图8所示,负载阻抗由1.2 Ω突变至3.2 Ω,整个动态过程耗时约0.23 ms(如图8(a)所示)。负载阻抗由2.3 Ω突变至6.3 Ω(如图8(b)所示),整个动态过程耗时约0.17 ms。
比较仿真和实验的动态响应波形可见,两者的过渡过程和恢复时间一致,证明了理论分析和仿真结果的准确性,以及所设计的模拟器的可行性。
3 结束语
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