力脉冲发生器

2024-07-29

力脉冲发生器（精选7篇）

力脉冲发生器篇1

0 引言

在机械、航空等领域中存在着各种冲击,产品的抗冲击性能是反映其质量和可靠性的重要指标。随着人们对产品精度可靠性要求的提高,以及航空航天等行业发展的需要,产品的抗冲击性能越来越受到重视,与之相应的冲击机也在不断发展。力脉冲发生器是冲击机的关键部件,力脉冲发生器以冲击脉冲力的形式向被冲击体施加载荷,冲击脉冲力的关键参数是冲击脉冲峰值和冲击脉宽。然而目前广泛使用的力脉冲发生器所能提供的冲击脉冲主要受其冲头内的填充材料决定。一般情况下,冲头采用单一材料填充,如橡胶、毡垫、铅等。由于冲头材料的单一性,从而使冲击脉冲峰值和脉宽调节范围具有局限性。而在对冲击脉冲峰值和脉宽调节范围较大的情况,使用单一材料填充作为冲头的力脉冲发生器很难满足加载条件。本文以组合材料组成的冲头为研究对象,通过实验法确定组合材料冲头对冲击脉冲的调节能力,提出一种增大力脉冲发生器冲击脉冲调节范围的有效方法。

1 冲击实验

在冲头材料和形状及其他加载参数不变的情况下,为实现减小冲击脉冲峰值增大脉宽的要求,将由单一材料制成的冲头更换为由金属材料和高分子材料组成的组合式冲头。为确定该方法的可行性和实现方法,以组合冲头为试件进行了冲击实验。

1.1 实验装置和测量方法

实验目的在于研究两种不同材料组合而成的组合冲头试件所形成的冲击脉冲,以脉冲力峰值、脉宽和冲量3个参数为目标分析冲击脉冲变化情况。冲击实验中,改变高分子材料力学性能及其轴向尺寸,分析这2个因素对冲击脉冲的影响。

实验设备、测量仪器包括SSH-5冲击实验机、9683A力传感器、GX-1高速摄像机、PXI4472B数据卡。实验中,组合冲头与力传感器的安装如图1所示。金属材料与紧固螺钉通过螺纹联接,而高分子材料中间为通孔,其被金属材料压紧在力传感器上。实验时,金属材料受冲击锤作用向下压迫高分子材料,冲击过程中金属材料的变形量极小,且远远小于高分子材料。实验中忽略金属材料的变形量,认为冲击过程中的变形均发生在高分子材料上。

本实验中,金属材料为45钢,其形状为头部球状底部圆柱形。高分子材料分别为3种聚氨酯橡胶,聚氨酯橡胶材料在工程上以标准尺寸条件下的HA硬度表示材料力学特性,文中也以HA硬度表示其材料特性。实验中的聚氨酯橡胶材料HA硬度分别为60、80、90。其形状为圆环状,高度分别为5和10mm。图2所示为聚氨酯橡胶试件,图中从左至右,聚氨酯HA硬度分别为60、80、90。

1.2 实验

对组合冲头试件进行了不同冲击速度条件下的冲击实验,得到冲击脉冲曲线如图3所示。由图可知,脉冲曲线为半正弦波,冲击脉冲峰值与冲击速度成正比。HA60组合试件冲击脉宽与冲击速度成反比。当冲击速度大于1m/s时,厚度10mm硬度HA80的组合试件上的冲击脉宽基本相同,冲击速度对脉宽的影响较小。对HA90组合试件,冲击脉宽与冲击速度成反比。高分子材料硬度增大,脉冲曲线的波动性增大,随高分子材料厚度增大曲线波动性也增大。将组合试件视为一个由高分子材料和金属材料组成的二自由度振动系统,高分子材料与金属材料弹性模量相差越大,该系统的振动幅度越小,表现为脉冲曲线的波动性越小。随着高分子材料硬度的增大其弹性模量增大,组合试件中两元件的弹性模量愈加接近,系统振动幅度增大。由于振幅较大,在冲击过程的恢复阶段,冲击力峰值越小则脉宽也越小。此时,冲击脉宽与冲击脉冲力一样随冲击速度增大而增大,如图3(e)和3(f)。随高分子材料硬度的增大,冲击脉冲峰值增大,冲击脉宽减小。同时,随高分子材料厚度增大,冲击过程中其变形量增加,脉冲峰值减小脉宽增大。

图4给出了冲击速度与冲击冲量的关系,两者间基本呈线性关系变化,冲击冲量与冲击速度成正比。该直线的斜率与高分子元件的材料、厚度有关。随高分子元件厚度增大,其变形量增大冲击作用时间延长,冲击冲量增大。高分子材料硬度从HA60增加到HA80,冲击冲量-冲击速度曲线斜率增长幅度较大,两种曲线较为离散。高分子材料硬度从HA80增大到HA90时,曲线斜率略为减小,HA90的曲线位于HA80曲线下方。其中,10mm的HA90高分子元件对应的冲量-冲击速度曲线与5mm的HA80曲线基本重合。冲击冲量先随高分子材料硬度增大而增大,随后又随其增大而略为减小。通过实验所得的冲量-冲击速度直线,可方便地估算不同冲击速度对应的冲击冲量。

2 冲击脉冲的调节

如图5所示,冲击脉冲峰值-冲击速度曲线近似于直线,脉冲峰值与冲击速度成正比,随高分子材料硬度增大该直线斜率增大。由图6可知,冲击脉宽-冲击速度曲线也近似于直线,随高分子材料硬度的增大脉宽减小,但曲线的变化规律有所不同。材料HA60和5mm的HA80对应的脉宽-冲击速度直线斜率小于零,按单调递减规律变化。而当材料硬度增大时,10mm的HA80和HA90对应的脉宽-冲击速度直线斜率变为略大于零。这与组合冲头试件所形成的二自由度振动系统中材料的特性和尺寸、结构等因素有关。冲击冲量随材料硬度增大而略有减小。

相同冲击速度变化条件下,随着高分子材料硬度的增大,冲击脉冲峰值变化幅度增大。总体上,冲击脉宽随高分子材料硬度增大而减小,其随冲击速度变化的变化幅度相应减小。随高分子材料硬度的增大,由于冲量-速度曲线斜率减小,冲量随速度的变化幅度略为减小。

高分子元件的厚度对冲击脉冲也具有调节作用。随着高分子元件厚度的增加,其在冲击过程中的允许变形量增大,脉冲峰值-冲击速度直线的斜率减小,峰值随厚度的增加而减小。随高分子元件厚度的增加冲击脉宽减小,同时高分子材料硬度越低脉宽对厚度的变化越敏感,在图6中表现为高分子材料相同的5mm和10mm两条脉宽-冲击速度直线相距越远。由图5和图6中脉冲峰值和脉宽的变化规律可认为,相同材料的高分子元件随其厚度的增加硬度减小,即材料相同的10mm高分子元件硬度小于5mm胶垫。随高分子元件厚度增加,相同冲击速度条件下产生的冲击冲量增大。

高分子元件厚度增加,脉冲峰值减小的同时引起冲击速度对冲击脉冲峰值调节范围减小。冲击脉宽随高分子元件厚度增加而增大,冲击速度对其调节范围也相应增大。由冲击冲量-速度曲线可知,高分子元件厚度增加直线斜率基本相等,则冲击速度对冲击冲量的调节范围保持不变。

由以上分析可知,在冲头材料、冲击速度和冲击质量确定的情况下,可通过在冲头底部添加不同硬度和尺寸材料的方法实现冲击脉冲峰值、脉宽和冲量的调节。作者通过其它实验数据已知,在冲击速度为从1m/s增加到2m/s范围时:使用本冲击实验中的钢制试件单独进行冲击实验时,其所得冲击脉冲峰值50-140kN,脉宽0.8-0.7ms;使用与本实验中的钢制试件尺寸形状完全相同的聚氨酯材料进行冲击实验时,其所得冲击脉冲峰值约为3-9kN,脉宽约21-19ms。在使用单一材料作为冲头时,冲击脉冲峰值和脉宽的调节范围较小,而通过使用组合式冲头,可实现冲击脉冲的调节范围3-140 kN,脉宽21-0.7ms,调节范围明显增大。

3 组合冲头式力脉冲发生器

在冲击速度和质量确定的情况下,冲击脉冲力主要靠力脉冲发生器进行调节。根据组合冲头试件的冲击实验结果,在冲头材料和冲击速度和冲击质量等条件确定的情况下,为增大冲击脉冲的调节范围,可将力脉冲发生器中单一材料的冲头更改为组合式冲头。

在冲击速度确定且较大的条件下,如要求冲击脉冲峰值较小,脉宽较大时,可令组合式冲头中的高分子材料硬度较小。相同条件下,如需脉冲峰值进一步减小、脉宽继续增大时,可使用厚度较大的相同高分子材料。当要求脉冲峰值减小幅度较小,脉宽增长幅度较小时,可使高分子材料硬度、厚度均取较小值。反之,当冲击速度较低,却要求脉冲峰值较大、脉宽较小时,取高分子材料硬度大、厚度小,甚至可不使用高分子材料,直接使用金属冲头。

4 结论

本文进行了组合式冲头的冲击实验,组合冲头由金属材料和高分子材料组成。由实验结果可知,通过在力脉冲发生器中使用由金属和高分子材料构成的组合式冲头,可大幅度增大力脉冲发生器对冲击脉冲力的调节范围,为提高力脉冲发生器对冲击脉冲的调节能力提出了一种切实可行的方法。实验发现:

1)高分子材料对冲击脉冲的影响:高分子材料硬度(聚氨酯材料工程上一般以标准尺寸材料的硬度表征其力学特性)正比于冲击脉冲力峰值,反比于冲击脉冲宽度;冲击脉冲力峰值-冲击速度曲线近似于直线,其斜率正比于高分子材料硬度;冲击冲量随高分子材料硬度增大略为减小。

2)高分子元件厚度对冲击脉冲的影响:高分子元件厚度增加,引起冲击脉冲力峰值减小,冲击脉宽和冲击冲量增大。

3)金属材料形状对冲击脉冲的影响:金属材料形状从球状变为圆柱状,冲击脉冲力峰值力增大,冲击脉宽略为减小,冲击冲量小幅增大。

参考文献

[1]吴嵩.冲击试验机的力脉冲发生器应用现状与发展[J].机械工程师,2004,2:11-14.

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[5]S.R.斯旺森.疲劳实验[M].上海:上海科学技术出版社,1981.

程控200kV脉冲发生器的研制篇2

随着脉冲功率技术的研究与应用工作的深入开展, 对高压脉冲发生器的自动化及相关技术提出了更高的要求。在脉冲功率技术的应用研究过程中, 需要一种200 kV的高压脉冲发生器, 其高压脉冲输出幅度和频率连续可调, 并能进行脉冲“+/-”极性及限流电阻的自动转换。

为满足脉冲功率技术应用研究的需要, 在“200 kV脉冲发生器”[1]研制成果的基础上, 采用计算机控制技术对高压脉冲的产生、输出幅度、“+/-”极性和限流电阻转换进行自动控制。在“程控200 kV脉冲发生器”工作时, 因贮能放电产生数十千安培的脉冲电流, 同时, 仪器还处于各种电器频繁启动停止的环境中, 因此, 仪器的各种功能、技术指标和可靠性取决于控制过程、高压绝缘、抗强电磁干扰等技术的设计。

1 程控高压脉冲发生器的组成和工作原理

程控200 kV脉冲发生器主要由可调直流高压电源、储能器、高压脉冲变压器、高压开关、触发器、控制器、工业控制计算机、打印机、存贮示波器、限流电阻箱、极性转换器、电流测试环、高压脉冲分压器和可调直流电源等构成, 其原理方框图如图1所示。

程控200 kV脉冲发生器的工作原理是采用高压电容器贮能通过高压开关瞬间放电[2], 由高压脉冲变压器产生60～200 kV的高压脉冲, 该高压脉冲经“限流电阻转换箱”加载到“负载”上, “高压脉冲分压器”与“负载”并联, “存贮示波器”监测脉冲电压/电流波形。计算机根据技术要求控制“可调直流电源”的输出电压即可得到不同的脉冲高压输出幅度;计算机输出触发脉冲便可调节高压脉冲输出的频率;通过“示波器”采集电压和电流波形的变化, 分析负载的工作状况, 由此来决定电压幅度和限流电阻的增加或减少。计算机通过控制“控制器”实现高压脉冲“+/-”极性和限流电阻的自动转换。

在整个程控过程中, 计算机进行状态检测, 一旦出现故障, 立即声光报警, 保存信息, 并停止控制进程, 等排除故障后可重新进入程控。

2 关键技术

程控高压脉冲发生器的输出电压高达200 kV, 在工作时, 贮能放电产生数十千安培的脉冲电流, 因此, 发生器的各种功能、技术指针和可靠性取决于高压脉冲的产生、控制、高压绝缘、抗强电磁干扰等技术, 其中绝缘耐压和抗干扰是高压脉冲发生器的关键问题。高压绝缘决定了高压脉冲发生器、高压脉冲“+/-”极性和限流电阻自动转换的可靠性和寿命, 因此, 在重点设计高压绝缘的同时, 需选用抗电磁干扰能力强的元器件 (如:低压继电器、真空高压继电器、牵引电磁铁和隔离变压器等) 构成特殊的功能单元电路, 以提高系统的抗干扰能力。

2.1 高压脉冲产生器

高压脉冲产生器由可调直流高压电源、储能器、高压脉冲变压器、高压开关、触发器和直流电源组成[3,4], 如图1所示。计算机根据技术要求输出数码, 由D/A转换及放大后控制“可调直流电源”的电压输出, 该电压经DC/AC变换后产生的高频高压, 由倍压整流滤波后得直流高压;直流高压为“储能器”充电;“储能器”所储存的能量由“触发器”使“高压开关 (K) ”导通, “储能器”、“高压开关 (K) ”和“高压脉冲变压器”的初级构成的回路放电, 在“高压脉冲变压器”的次级输出60～200 kV的高压脉冲。

2.2 高压脉冲“+/-”极性的转换

为保证高压脉冲正负波形的一致, 在设计的转换时, 应不改变脉冲变压器的初级回路参数而影响脉冲变压器的输出幅度和脉冲宽度。采用真空高压继电器设计一种新型的“+/-”极性转换控制器, 计算机根据技术控制真空高压继电器实现脉冲高压“+/-”极性的自动转换, 其原理示意图如图2所示。

2.3 限流电阻的自动转换

限流电阻是工作在高压脉冲变压器的输出端和“负载”之间, 因此, 需对限流电阻的功率、耐压绝缘进行设计, 以确保其功能的可靠性。

采用低压继电器和牵引电磁铁组成限流电阻的自动转换控制器, 其原理示意图如图3所示。绝缘结构的设计是根据牵引电磁铁的行程、绝缘介质、工作电压以及限流电阻的触点和移动触头良好接触进行综合设计, 采用有机玻璃箱, 将限流电阻、移动触头、触点浸在变压器油中, 以保证其耐压强度。

3 软件设计

VB语言具有人机界面简单明了, 易于编写的特点, 故该程序采用VB语言编写[5]。为降低编程的难度, 便于程序的编制和调试, 软件设计采用模块化[6]。

人机界面采用两个窗体:一个用于输入参数, 一个用于运行控制 (实现参数输入、运行、暂停、打印以及关机等功能) , 输入的参数以文件的方式保存。

在运行窗体上采用串行口通信控件来实现示波器的脉冲电压和电流数值的采集, 在程序运行过程中, 以“时间”控件作为脉冲频率控制, 其电压数值的输出采用数码输出, 经D/A转换去控制高压电源的高压值, 而电压值的升降和限流电阻转换决定于负载的工作状况, 用条件判断语句即可。

4 抗干扰技术

程控高压脉冲发生器在工作过程中将产生60～200 kV的高压脉冲, 数千安培的脉冲电流, 同时, 高压脉冲“+/-”极性和限流电阻的自动转换使得各种电器频繁启动或停止。因此, 设备的各种功能、技术指标和可靠性都取决于系统特别是计算机抗强电磁干扰的能力。

为保证系统的性能和工作的可靠性, 采用光电、电磁和变压器等隔离技术, 优化系统设计, 设计好安全接地 (大地) 和工作接地, 提高系统的抗干扰能力[7,8,9,10], 系统抗干扰的示意图如图4所示。

4.1 系统的优化设计

为提高系统的抗干扰能力和工作的可靠性, 根据技术要求确定合理的、科学的控制程序的同时, 首先优化系统的配置, 选用适合于工业生产环境、抗干扰能力强的设备仪器, 如工业控制计算机、直流电源和继电器 (真空高压继电器、牵引电磁铁) 等, 其次是设置合理控制量, 以避免程序进入死循环。

4.2 隔离技术

用带屏蔽的隔离变压器 (1∶1) 来抑制交流电源的高频噪声, 并且屏蔽层可靠接地, 以提高抗共模干扰能力。采用光电隔离实现计算机总线与被控制对象 (真空高压继电器、牵引电磁铁和低压继电器) 测之间完全的电隔离, 并消除公共地线和电源的干扰, 从而保证计算机系统可靠工作。

采用继电器用作系统信号传递、电路切换以及功能的执行等, 可以提高抗外部环境对系统的电磁干扰能力, 但它本身又是噪声源。因此, 对继电器线圈应采取相应的“瞬态抑制电路”和触点消弧电路。

4.3 程序加固

在软件设计时, 采用软件陷井和指令冗余技术对程序进行加固, 使程序受到某种干扰, 进程号被改变, 密码不对, 从而程序进入出错处理, 减少了干扰情况下弹飞的程序造成的不良后果的机会, 以提高程序运行的可靠性。

5 样机与结论

程控高压脉冲发生器采用计算机控制技术, 实现了输出幅度为±60～200 kV连续可调、高压脉冲“+/-极性”及“限流电阻2～17 kΩ”转换器的自动控制, 其输出波形图如图5所示。

6 结语

采用计算机控制由低压继电器、真空高压继电器和牵引电磁铁等特殊器件构成具有特殊功能的“控制器”实现高压脉冲“+/-”极性和限流电阻的程控转换。采用隔离变压器、光电耦合和电磁屏蔽等抗干扰技术, 提高了程控系统的抗强电磁干扰能力, 其性能稳定可靠、操作简单和安全。

参考文献

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[8]阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社, 1983.

[9]秦曾衍.高压强流脉冲放电及应用[M].北京:北京工业大学出版社, 2000.

力脉冲发生器篇3

片上可编程系统(System on Programmable Chip,SoPC)是Altera公司提出的一种灵活、高效的SoC解决方案,将处理器、缓存、存储器、I/O口、高速总线等系统设计需要的功能模块集成到一个FPGA器件上,构成一个可编程的片上系统[1]。采用SoPC技术可以大大提高系统运行速度,缩小尺寸,降低总体系统成本,克服多芯片集成系统设计所产生的一些困难,通过提高芯片集成的系统功能以获得更高的系统性能,减少电路板面积,降低制造成本。本文采用的方法充分利用了SoPC的特性和优势,合理地选择所需处理器和外设接口控制模块,既保证了处理速度,又最大程度地降低了系统成本。

1 工作原理

本文采用基于大规模FPGA的嵌入式系统设计,硬件上主要由控制计算机、USB接口单元、FPGA和外围接口电路等部分组成。软件上,Nios II主控制软件采用C语言设计,部分外围逻辑模块使用VHDL程序设计,该设计的模块功能划分清楚明确,并且各个功能模块之间的耦合性极小,因此模块可以实现切割测试,整个系统整合后可以达到较高的可靠性,缩短了开发周期。系统的结构框图如图1所示。

系统主控器件为一个基于FPGA的32位嵌入式CPU系统,由Altera公司的EP2C35和SRAM等芯片构成,各功能模块在它的控制下协同工作。其中嵌入式CPU是一个Nios II内核,它与外设控制接口、核外逻辑单元构成一个完整的SoPC系统,处理器根据需要添加各种嵌入式外设,可以较为容易地在硬件方面实现对系统外设的管理,控制计算机与脉冲发生器之间的数据通信则由一个USB接口单元实现。

2 系统实现

本文包括硬件电路设计、SoPC系统搭建和Nios II软件设计3个层次。

2.1 硬件实现

系统主要由EP2C35,SRAM,EPCS等芯片和相应的外围接口电路构成。

2.1.1 主机与各功能部分之间的通信

脉冲发生器由USB接口单元与主机连接,以FPGA作为控制中心,通过USB接口单元实现FPGA与计算机之间的数据通信。USB接口单元采用FT245芯片,可以实现计算机与FPGA芯片之间的并行通信,最大传输速度可达到1 Mbyte/s。

2.1.2 脉冲信号模拟模块

脉冲信号模拟部分主要产生各种特定的数字脉冲信号,包括4种脉冲波形:第1种为72位不归零码,共1路,它在中断信号和移位脉冲信号的时序控制下按位输出固定数码,可以手动设置输出,默认状态为01,23,45,67,89,AB,CD,EF,0F,其中中断信号频率为40 Hz,脉宽为7 ms,移位脉冲是周期为12μs,8位一组,每组间隔96μs的信号;第2种为特定频率的规则脉冲信号,共1路,频率为256 kHz,占空比50%,需产生的脉冲个数范围为0~216个;第3种为特定频率的不规则脉冲信号,共2路,每路均包括两通道脉冲信号,频率为500 Hz,脉冲宽度为6μs,两通道脉冲信号间时间间隔为0.5μs的整数倍,最大为1 ms,发送脉冲的个数范围为0~216个;第4种为可变频率的不规则脉冲信号,共6路,频率为1~75 kHz,平均分为6挡,脉冲宽度为2μs,发送脉冲个数范围为0~224个。可以通过计算机软件实时修改各种输出脉冲信号的路数、频率和个数。图2为脉冲信号模拟模块原理框图。

计算机软件根据设置产生相应个数和频率参数的各路脉冲信号,并通过以下步骤实现脉冲信号输出:1)通过USB接口单元向脉冲信号模拟模块发送复位指令,复位FPGA;2)计算机通过USB接口单元发送脉冲参数,FPGA接收并暂存入一数组中,经校验无误后,通过Nios II内核相应的I/O口输出脉冲参数给相应的脉冲产生模块,各数字量脉冲产生模块输出相应的脉冲信号。如果与发送的参数不一致,则需要向上位机返回重发命令请求,重新执行步骤1)~2)。

2.2 SoPC系统搭建

Nios II嵌入式内核是系统的核心模块,包括CPU核、JTAG控制接口、EPCS控制接口以及与外围模块进行数据通信的I/O控制接口,为了满足程序代码存储特性的需求,存储器采用EPCS16和SRAM芯片。图3是CPU模块的部分截图,其中包括部分芯片与FT245通信的I/O控制接口和SRAM控制接口。

2.3 Nios II主程序

系统的主程序采用C语言设计。相比VHDL语言来说,代码更优化、系统更方便维护和升级。主程序的流程是:上电后系统进行初始化,在上位机界面设置好各参数值后,参数值以数据包的形式下发至FT245,并暂时存储至FT245内部的缓存器中。程序进入等中断请求的状态,如果没有中断请求信号到来则继续等待,如果有中断请求到来则读FT245中的数据并将其存储至一数组中进行数据校验、解包,解包后的数据如正确无误则下发至CPU核各I/O端口,从而控制其相应的数字脉冲产生模块产生所需数字脉冲信号。数据分发完成后再次进入等待命令的状态,如此循环进行。流程如图4所示。

3 上位机控制软件

上位机软件是数字信号发生器的主控软件及数据处理软件。该软件主要实现地面计算机与信号发生器之间的通信、数据传输、实时显示、接口检测、信号发生器工作状态检测及数据处理等功能,是实现人机对话的中间媒介。本软件采用VB进行设计,可以在Windows 7/XP操作系统上运行。图5是上位机软件的功能模块图。

4 系统测试结果

本系统经过实际测试后,各项功能指标均满足任务要求。图6为脉冲信号模拟模块产生的1路特定频率规则脉冲信号,其中上位机软件中的个数设置为8个。图7为可变频率不规则脉冲信号,其中个数设置为5个,频率为1 kHz。图8为特定频率不规则脉冲信号,两脉冲信号的时间间隔设置为1.5μs,个数为2个。图9为不归零码测试波形,其中CH1为中断信号,CH2为移位脉冲信号,CH3不归零码信号。

经过测试和试验,完全满足各项指标要求。各脉冲信号精度要求以及达标情况见表1。

5 小结

本系统采用SoPC技术,利用Nios II嵌入式软核CPU软硬件系统可编程及可在线调试的优点,将所需模块控制接口集成至Nios II处理器系统中。根据上位机下发的不同命令来产生不同频率和个数的数字脉冲信号,通过示波器观察所产生的各种脉冲信号,满足了系统设计要求,实现了可选通道、可变频率和个数可控数字脉冲信号的产生。

摘要：介绍了一种采用SoPC技术实现多通道数字信号发生器的方法,系统由FPGA及相应接口电路组成,将Nios Ⅱ嵌入式软核CPU集成到FPGA中,构成片上系统(SoC),可以产生多种特定的数字脉冲信号,能够通过上位机软件控制实现不同通道、个数和频率脉冲信号的输出。经验证,介绍的方案稳定精确,能够提供通道、频率和个数可控的数字脉冲信号。

关键词：多通道,片上可编程系统,现场可编程门阵列,Nios Ⅱ

参考文献

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基于单片机的低压脉冲发生器研制篇4

准确快速地确定电力电缆故障点,能够提高供电可靠性,减少因停电而带来的损失[1,2]。近年也有研究提出了新的故障定位方法[3]。低压脉冲法是目前广泛采用的一种电力电缆低阻、短路和断路故障测距法,其基本原理是在电缆始端施加一个发射脉冲,该脉冲传播到故障点会发生反射,反射脉冲往回传播,检测发射脉冲和反射脉冲之间的时间间隔即可判断故障点距测试端的距离[1]。

目前已有多种产生脉冲的方法[4,5,6,7],主要是基于晶体振荡器和分频器来控制电路或者利用 LC 振荡电路和延时线产生脉冲。其缺点是产生较窄宽度的、形状较好的脉冲比较难,有些方法产生的脉冲还有拖尾和反冲,实际测试时会和反射脉冲重叠影响故障探测。也有的脉冲发生器的控制脉冲由时钟产生芯片产生,其缺点是脉冲宽度和频率不易调节。本文介绍的低压脉冲发生器基于单片机和电力电子技术,可以方便地控制脉冲的宽度和频率,并且通过脉冲变压器耦合,再加上阻抗匹配网络、调压装置等,可以解决上述问题。

1设计思想与原理

文献[8]提出了利用 MOS 管的高速开关特性产生窄脉冲的方法,但是控制方法不够灵活。本文的主要思想是用单片机的 I/O 口和脉冲变压器的灵活性来产生和控制脉冲。主要分控制电路和脉冲产生电路2部分,整体构造如图1所示。

控制电路主要是 5 V 的低压电子电路系统,由以下部分组成:

a. 单片机,产生 5 V 的窄脉冲,并对整个装置进行控制;

b. 按键输入,作为人机交互界面,根据按键的输入信息可以调节脉冲宽度和频率;

c. LED 显示,当前脉冲参数信息通过 LED 指示输出;

d. 控制脉冲输出,编写程序使单片机的某一 I/O 执行清零、置一、清零操作,产生方波脉冲输出;

e. MOSFET 触发电路,由单片机产生的方波控制信号较微弱且控制回路不能混入高压信号,所以该触发电路起到了信号放大和隔离作用。

脉冲发生电路工作于几百伏的电压等级,由以下部分组成:

a. MOSFET,它的显著特点是驱动电路简单、所需驱动功率小,并且开关速度快、工作频率高,能够很好地对触发信号作出反应[9],用 MOSFET 的通断来控制脉冲变压器的通断;

b. 脉冲变压器,在 MOSFET 的控制下导通,又在很短的时间宽度内随着 MOSFET 的关断而截止,以此产生一个脉冲,并耦合到次边输出;

c. 调压装置,调节变压器线圈的接入匝数可以调节输出脉冲的电压幅值;

d. 阻抗匹配网络,阻抗匹配主要是由脉冲变压器完成,该环节起到了微调作用以适应不同场合。

低压脉冲发生器的主要部分原理图如图2所示。

1.1 单片机控制的优势及选型

利用单片机的 I/O 口可以很方便地产生脉冲,脉冲宽度和频率可以随意调整,脉冲形状好。此处用到的单片机要有足够的 I/O 口用于接收命令、发送当前状态指示和产生触发信号;有较快的 I/O 操作速度,以产生较窄的脉冲;有较强的 I/O 驱动能力,否则脉冲信号容易畸变。要实现 0.1 μs 级别的脉冲,要求单片机的 I/O 操作速度为 10 MHz。目前,51系列单片机的时钟能达到 40 MHz,但是内部经过12分频(12时钟周期),I/O 的操作周期为一个系统周期(单指令周期),实际 I/O 的操作速度还不到 4 MHz。因此,应选择时钟周期和指令周期短的精简指令集(RISC)的单片机。具体选型可参考文献[10]。

1.2MOSFET 触发电路

MOSFET 是电压控制型电力电子元件,在栅极和漏极之间施加一定的电压能使源极和漏极导通,该电压低于一定值则关断。MOSFET 是目前导通和关断速度最快的电力电子元件,利用其快速通断性可以实现窄脉冲的产生。但是,其栅极存在吸收电容,开通时要吸收电荷,关断时放电,所以要求触发脉冲有一定的驱动能力并在关断时能吸收电荷。理想的 MOSFET 触发脉冲应该是陡升陡降的,并且在降到零以后有个负电压以吸收电荷[9]。

参考文献[11]的有关电路,本文采用如图3所示的触发电路,这里也用到了一个 MOSFET 和一个脉冲变压器,它们工作在 5 V 电压级别。单片机的 I/O 口产生 5 V 的脉冲,触发 MOSFET,它的通断控制脉冲变压器的通断而产生一个脉冲,该脉冲作为主 MOSFET 的触发脉冲。其工作过程类似于主电路中的脉冲发生回路。

触发电路产生的触发脉冲 UC 的波形如图4所示。该波形是采用泰克 TDS3032B 示波器采集,在虚拟仪器上再现的波形。可以看出,这种方法实现的触发脉冲上升和下降都很快,并有一个反冲电压,可以很好地满足要求。

1.3 脉冲变压器

在低压脉冲法电缆故障测距中,习惯用负脉冲作为测试信号,测试电路和电缆要隔离并且要求阻抗匹配才能得到较好的测试效果,电路的主要部分工作在脉冲方式。脉冲变压器可以方便地用来变换脉冲电压或电流,改变脉冲极性、阻抗,并实现电气隔离[12]。因此采用脉冲变压器是很好的方法。

1.3.1 等效电路

脉冲变压器的等效电路如图5所示。图中,Lμ′ 为励磁电感;LS1′ 、LS2为线圈漏感;R1′、R2为线圈电阻;RB′为磁芯磁滞作用和涡流作用的等效电阻;C1、C2、C12分别表示初级线圈电容、次级线圈电容和线圈间电容。

1.3.2 磁芯选择

不同工作状态的脉冲变压器需要考虑的参数也不同。此处脉冲变压器工作在很短的脉冲,瞬时频率约为 10 MHz,要求脉冲前沿上升和后沿下降快,平顶过冲和降落小。因此,漏感和分布电容起着决定性作用,损耗可以不用考虑。本文中磁芯采用耦合系数较高的铁氧体磁环,磁环尺寸选择如下:

$S_{1} \cdot S_{2} = \frac{Ρ_{Τ} \times 10^{6}}{2 η B_{m} f δ Κ_{Μ} Κ_{C}}$

其中,S1为磁芯截面积;S2为磁芯窗口面积;PT 为变压器标称功率,按脉冲幅度 300 V,等效负载 100 Ω 计算,PT 为 900 W;η 为变压器效率,取0.9;Bm 为最大磁感应密度;δ 为绕组中电流密度;f 为工作频率,取瞬时频率 10 MHz;KM 为窗口铜填充系数;KC 为磁芯填充系数。对于铁氧体磁环,KC=1,Bm=0.15 T,KM=0.2。据此可计算出磁环尺寸。

1.3.3 线圈选择

初级线圈匝数计算:

$Ν_{1} = \frac{U_{\max} \times 0.5 \times 10^{3}}{4 B_{m} f S_{Ρ}}$

其中,Umax 为最高瞬时电压;Bm、f 同上;SP 为磁芯面积乘积,SP=S1×S2。

次级线圈:

$Ν_{2} = n Ν_{1}$

其中,n 为变压器变比。

计算步骤详见文献[12,13],这里不再赘述。

1.4 阻抗匹配网络和调压装置

阻抗匹配得好才能使脉冲发生器带负载能力强,接上电缆后发射脉冲幅值不至于衰减太大。接收反射波的时候,故障点相当于激励源而发生器本身相当于负载,此时阻抗匹配性能也影响到反射波的幅值和形状。阻抗匹配最主要是在脉冲变压器的设计中进行,但是在输出电路加上阻抗匹配调节网络,可以在一定范围内调节阻抗值和输出脉冲的幅值,以适应不同的测试条件。文中采用的是电阻网络匹配形式。

当故障点离电缆出口较远时,脉冲经过路径较长,衰减较大,采集的信号微弱,增大脉冲电压幅值可以解决这个问题。调压装置可以设置不同的电压幅值,以适应不同长度的电缆。

2实际测试

研究制作完成后进行了实际测试,用泰克 TDS3032B 示波器观察和采集波形,波形在虚拟仪器上再现。当电缆为断路故障时,反射脉冲和发射脉冲同极性,测试波形如图6所示。此时脉冲宽度置于 0.14 μs 档,脉冲较尖,发射脉冲波形幅值较大,波形良好。

短路故障时,反射脉冲和发射脉冲反极性,短路故障波形则如图7所示。此时脉冲宽度置于 0.5 μs 档,发射脉冲基本为方波。

3总结

有研究提出了小波变换在行波检测式电缆测距中的应用[14]和电力电缆故障低压脉冲自动测距方法[15]。这些方法都是基于测距仪器的良好波形的基础上进行的。笔者研制的低压脉冲发生器产生的波形能很好地进行以上各种方法的后续处理。

把单片机的高速和可编程性、电力电子元件的快速通断性和脉冲变压器对脉冲波形的良好变换性能相结合,组成了一个数字电路控制模拟电路的混合系统。该低压脉冲发生器用于实际测试中性能良好、控制方便。按键输入变换脉冲宽度,发光管指示当前状态,有较好的人机交互界面。设计思想有一定参考价值。

该脉冲发生器产生的脉冲,最窄宽度可以达到 0.14 μs,频率采用常用的 100 Hz 即每秒发100次脉冲,也可灵活调整;电压幅值可达 300 V 以上,可根据不同情况调整电压幅值;阻抗可调节。经实际测试效果良好。基于单片机来研制脉冲发生器,在提高波形质量的同时也提高了装置的智能化和易操作性。随着单片机技术和电力电子技术进步,基于此设计方法实现的脉冲发生器性能将更加优良。

力脉冲发生器篇5

在碰撞或冲击试验中,无论是按预先给定的还是任意的加速度曲线对运动负载实施缓冲制动,都需要通过缓冲装置来逐渐消耗动能。缓冲装置中的气液缓冲器在大位移缓冲制动场合应用较多[1,2,3]。在汽车碰撞试验、跌落试验、运载工具制动等场合,缓冲或制动需要按预先设定的加速度曲线完成,以符合规范或设计要求。通过改变缓冲器的流体通流面积,使通流面积按一定规律减小并切换,可实现制动加速度波形的有级调节[4]。在冲击试验设备中,为了实现缓冲加速度波形的任意调节,通流面积随时间的变化过程需要进行强制调节。对于冲击脉宽较大而流量要求较小的冲击,可以利用高速伺服阀进行阻尼控制,实现冲击波形的任意调节[5]。然而在一些特殊的冲击试验(如模拟水下爆炸冲击环境的冲击试验)中,冲击脉冲发生器[6]需要在非常短的时间消耗试件的动能。针对此情况,文献[7]采用一种成型阀口阻尼器实现了冲击波形的调节。目前还没有一种伺服阀能够实现这种大流量、高速制动过程的控制。

本文提出了一种锥形间隙液压脉冲发生器,该脉冲发生器与传统的只用于制动而不考虑制动加速度波形的液压缓冲器不同,可实现大流量的缓冲制动,而且能够对制动脉冲的峰值与脉宽进行大范围调节。

1 液压脉冲发生器的机理分析

1.1 工作机理

图1所示的液压脉冲发生器主要由活塞杆、锥形活塞、节流环、调节器、油腔和回油通道构成。节流环和锥形活塞是两个重要的部件,它们之间的径向间隙对阻尼特性影响很大。脉冲发生器通过间隙和小孔组合节流产生油液阻尼力对运动负载实施紧急制动,吸收和消耗运动负载的动能,从而使运动负载获得一个制动加速度脉冲。该结构的特点是负载运动速度越高,脉冲发生器吸收消耗负载动能的能力越强。脉冲发生器可以很方便地通过调节器调节波形器的阻尼特性,实现对制动波形的调节。

冲击脉冲发生器的动作过程如下:运动负载以一定的速度推动活塞杆和活塞来挤压阻尼腔的油液;活塞进入节流环之前,阻尼腔的油液主要通过图2a所示的锐缘阀口和可调节流口排出;活塞进入节流环后,图2a中的锐缘阀口消失,阻尼腔中的油液由锥形间隙和可调节流口同时排出(图2b);活塞锥形段完全进入节流阀后(图2c),阻尼腔中的油液由锥形间隙-环形间隙组成的通道和可调节流口排出。活塞在节流环中运动的过程中,油液通流面积的改变使运动负载在阻尼腔高压油液的制动下获得一个冲击脉冲。由于阻尼力大小可以通过阻尼腔油液的等效通流面积来调节,所以冲击脉冲的幅值和脉宽调节可以通过控制可调节流口的通流面积来实现。

1.2 脉冲发生器力学模型

液压脉冲发生器的数学模型是基于以下假设建立的:①试件的制动持续时间大于10ms(这符合实际使用情况);②缸体、活塞杆、活塞和节流环为刚体;③油液的黏性系数为常数;④流体的沿程压力损失相对于局部压力很小,故只考虑流体的局部压力损失。

锥形活塞的结构如图3所示,活塞与节流环之间的缝隙将油腔分为两部分,阀芯锥体母线y(xt)和半径差h(xt)分别为

c≤xt≤H+c

式中,H为圆锥高度;xt为活塞位移;d2为节流环直径;c为锥形活塞到节流环的初始距离;h1为活塞大端与节流环的径向间隙;h2为活塞小端与节流环的径向间隙。

在进行冲击试验之前,先调整好锥形阀芯与节流环的初始距离c及可调节流口的通流面积;在冲击试验过程中,运动负载推动活塞向节流环中运动,锥形活塞和节流环之间相对位置的不断变化引起流体通流面积的变化,从而导致节流阻尼力不断变化。脉冲发生器整个节流制动过程分可分为3个阶段进行分析,如图2所示。

(1)第一阶段。

当锥形活塞小端距离节流环c-xt,即锥形活塞未进入节流环时,流体由锐缘阀口和可调节流口排到回油腔,如图2a所示。流体惯性引起的阻尼力与其他力比较起来很小,可以忽略不计。则锐缘阀口的流量:

$q_{r} = C_{1} A_{1} \sqrt{2 (p_{1} - p_{2}) / ρ}$ (3)

$A_{1} = π d_{2} \sqrt{(c - x_{t})^{2} + (h_{2} - h (x_{t}))^{2}}$

式中,ρ为流体密度;C1为锐缘节流口的流量系数;p1为阻尼腔的压力;p2为回油腔的压力,等于当地大气压。

可调节流口的流量:

$q_{d} = n C_{d} A_{d} \sqrt{2 (p_{1} - p_{2}) / ρ}$ (4)

Ad=π d2d/4

式中,Cd为可调节流口的流量系数;n为可调节流口的个数;dd为可调节流口的直径。

此阶段系统总流量:

$q_{1} = q_{r} + q_{d} = (n C_{d} A_{d} + C_{1} A_{1}) \sqrt{2 (p_{1} - p_{2}) / ρ} (5)$

(2)第二阶段。

当活塞的锥形段进入节流环长度为xt-c时,如图2b所示,流体经过通道I和锥形缝隙,环形间隙减缩引起局部压力损失:

$Δ p_{1} = p - p_{2} = \frac{6 μ (x_{t} - c)}{π d_{1}} \frac{2 h_{2} - h (x_{t})}{h_{2}^{2} (h_{2} - h (x_{t}))^{2}} q_{2}$ (6)

式中,q2为该阶段系统总流量;d1为活塞直径。

通流截面突缩引起的局部压力损失:

$Δ p_{2} = \frac{ζ_{1} ρ}{2} (\frac{q_{2}}{A_{2}})^{2}$ (7)

$A_{2} = \frac{π [d_{2}^{2} - (d_{2} - 2 h_{2})^{2}]}{4} ζ_{1} = 0.5 (1 - \frac{π d_{2}^{2}}{4 A_{2}})$

通道Ⅰ引起的流体总的压力损失为

ΔpL=Δp1+Δp2=p1-p2 (8)

由式(4)～式(8)得到此阶段通道Ⅰ的流量:

$q_{g 1} = \frac{\sqrt{R_{1}^{2} + 4 R_{2} (p_{1} - p_{2})} - R_{1}}{2 R_{2}}$ (9)

$R_{1} = \frac{6 μ (x_{t} - c)}{π d_{1}} \frac{2 h_{2} - h (x_{t})}{h_{2}^{2} (h_{2} - h (x_{t}))^{2}} R_{2} = \frac{ρ ζ_{1}}{2 A_{2}^{2}}$

式中,ζ1为局部压力损失系数;μ为流体动力黏度。

此阶段系统总流量为

$\begin{array}{l} q_{2} = q_{g 1} + q_{d} = \frac{\sqrt{R_{1}^{2} + 4 R_{2} (p_{1} - p_{2})} - R_{1}}{2 R_{2}} + \\ n C_{d} A_{d} \sqrt{\frac{2 (p_{1} - p_{2})}{ρ}} (10) \end{array}$

(3)第三阶段。

当锥形活塞进入节流环中的长度为xt-H-c,即活塞的圆柱面进入节流环(图2c)时,流体由通道Ⅰ和通道Ⅱ排到回油腔。通流截面突缩引起的局部压力损失为

$Δ p_{1} = \frac{ζ_{1} ρ}{2} (\frac{q_{3}}{A_{2}})^{2}$ (11)

圆锥间隙渐缩的局部压力损失为

$Δ p_{2} = \frac{6 μ (x_{t} - c)}{π d_{1}} \frac{2 h_{2} - h_{1}}{h_{2}^{2} (h_{2} - h_{1})^{2}} q_{3}$ (12)

圆柱缝隙的节流局部压力损失为

$Δ p_{3} = \frac{12 μ (x_{t} - Η - c)}{π d_{1} h_{1}^{3}} q$ (13)

通道Ⅰ引起的流体总压力损失为

ΔpL=p1-p2=Δp1+Δp2+Δp3 (14)

由式(14)得到此阶段通道Ⅰ的流量:

$q_{g 2} = \frac{\sqrt{(R_{3} + R_{4})^{2} + 4 R_{2} (p_{1} - p_{2})} - (R_{3} + R_{4})}{2 R_{2}} (15)$

$\begin{array}{l} R_{3} = \frac{6 μ (x_{t} - c)}{π d_{1}} \frac{2 h_{2} - h_{1}}{h_{2}^{2} (h_{2} - h_{1})^{2}} \\ R_{4} = \frac{12 μ (x_{t} - Η - c)}{π d_{1} h_{1}^{3}} \end{array}$

此阶段系统的总流量为

$\begin{array}{l} q_{3} = q_{g 2} + q_{d} = \frac{\sqrt{(R_{3} + R_{4})^{2} + 4 R_{2} (p_{1} - p_{2})}}{2 R_{2}} - \\ \frac{R_{3} + R_{4}}{2 R_{2}} + n C_{d} A_{d} \sqrt{\frac{2 (p_{1} - p_{2})}{ρ}} (16) \end{array}$

综上所述,脉冲发生器阻尼腔和回油腔之间流量平衡方程为

$Δ q = - \frac{V}{β_{e}} \dot{p}_{1} = - \frac{π d_{2}^{2} (f - x_{t})}{4 β_{e}} \dot{p}_{1}$ (18)

式中,Δq为流体的压缩流量;βe为流体体积弹性模量;f为活塞与阻尼孔底部的距离。

活塞的运动方程为

$m_{t} \ddot{x}_{t} = p_{2} A_{3} - p_{1} A_{1} - β_{c} \dot{x}_{t} - F_{f}$ (19)

$β_{c} = 2 ζ \sqrt{m A_{1} β_{e} / (f - x)} A_{3} = π d_{3}^{2} / 4$

式中,βc为脉冲发生器的阻尼系数;d3为活塞杆直径;mt为折算到活塞杆上的等效质量;ζ为液压缸阻尼系数比;Ff为液压缸摩擦阻力,与其他的力相比很小,可以忽略不计。

联立式(1)～式(19)得到的数学方程组完整地描述了脉冲发生器的工作机理,可以依据设计参数进行波形器设计。这些非线性微分方程包含复杂的边界条件,要获得解析解是非常困难甚至是不可能的,本文借助4阶Runge-Kutta数值计算方法获得其数值解,探讨脉冲发生器机械特性。

2 脉冲发生器机械特性分析

上述数学模型可以准确地描述波形器的动态特性,其中,负载的速度、流体的黏度、可调节流口的直径、锥形活塞与节流环之间的间隙是影响波形器性能的几组关键参数,为了考察波形发生器各物理参数对性能的影响,确定合理的结构参数,在Simulink环境中采用4阶Runge-Kutta数值算法对上述数学模型进行计算。主要的参数如下:d2=0.20m,f=0.30m,mt=2500kg,μ=0.1Pa·s,βe=700MPa,ζ=0.05,C1=0.61,Cd=0.61。

2.1 脉冲发生器对外载的自适应特性

图4所示为运动负载以不同的速度vt撞击脉冲发生器活塞杆产生的加速度脉冲曲线。可以看出,运动负载的撞击速度越大,冲击脉冲的幅值就越大,冲击脉冲的脉宽越小。运动负载的速度分别为3.3m/s、4.0m/s和5.0m/s时,对应的脉冲峰值分别约为-28g、-38g和-54g,对应的脉宽分别为22ms、20ms和18ms。

图5表明,节流阻尼力阻碍运动负载运动,使得运动负载在约25ms的时间内由最高速度减速并趋近于零。在整个制动过程中,运动负载的位移约为50～70mm。结果表明,脉冲发生器各物理参数设定后,冲击试验的冲击强度水平取决于试件的动量变化率。此外,由于脉冲发生器的锥形活塞开始未进入节流环,油液阻尼力很小,因此发生器对运动负载的制动力很小,导致运动负载的加速度也很小,如图4所示的初始水平段的加速度曲线。图5中,速度曲线在低速区有很长的“尾巴”,这表明脉冲发生器在运动负载的高速区具有很好的耗能制动效果,而在运动负载的低速区制动性能较差,与之相对应的位移比高速区位移大,如图6所示。

2.2 脉冲波形调节特性

图7～图11给出的运动负载的加速度脉冲曲线表明,通过改变可调节流口直径dd、活塞的大端直径间隙h1、活塞的小端直径间隙h2、活塞锥形段的长度H、活塞与节流环的初始距离c的值可以达到调节脉冲波形的目的。

图7所示为可调节流口不同的直径dd所对应的运动负载加速度脉冲,可以看出,阻尼孔通流面积的变化对冲击波形影响非常显著,可调节流口的直径dd减小10mm,脉冲的幅值就会增加10g,同时脉冲宽度就会减小2～3ms。

图8表明,负载脉冲的幅值和脉宽对径向间隙h1的变化非常敏感,后者有微小变化,波形变化就非常大,h1改变0.1mm,运动负载加速度脉冲幅值和脉宽就会分别变化10g和5ms。

由图9可知,改变参数h2会影响加速度峰值在时间轴上的位置,其值增大,加速度峰值出现的时间右移,但对脉冲的脉宽影响不大。

图10表明,锥形段的高度H对脉冲波形的影响很大,增大H的值就会导致运动负载加速度脉冲的峰值减小,脉宽增大。

图11说明,冲击脉冲在时间轴上的位置可通过调节参数c来调整,c增大,脉冲峰值在时间轴上就会出现时间延迟。

由上述分析结果可知,虽然改变上述参数可以达到调整脉冲波形的目的,但对于几何和物理结构已定的脉冲发生器,通过更换锥形活塞来调节运动负载的脉冲无论在加工工艺还是调节手段方面都非常不方便。此外,冲击脉冲的频率很高,阻尼器瞬间流量大,采用常规的基于反馈控制的伺服阀频响速度太慢,无法满足波形的调节要求。所以为了克服上述困难,在实际操作中通过改变可调节流口的通流面积来调节脉冲发生器的阻尼特性,从而调节冲击脉冲的脉冲波形是行之有效的措施。

3 结论

(1)本文中的液压脉冲发生器对高速重载运动负载的缓冲制动效果好;通过对运动负载动能的吸收和消耗,它能使高速运动负载在30ms内迅速降速,特别适用于动量变化率大、无法用主动方式或反馈控制阻尼特性的工程场合;该结构对低速运动物体的缓冲效果较差,不适合对制动位移有严格要求的场合。

(2)阻尼特性与结构环形间隙的通流面积、锥形结构尺寸及可调阻尼孔的尺寸有关,冲击波形的幅值和脉宽的调节可以通过改变可调阻尼孔的通流面积来实现。

摘要：提出了一种具有非线性刚度特性的液压冲击脉冲发生器,该发生器采用缝隙和小孔组合节流产生的阻尼来吸收消耗高速运动负载的动能,以获得设定的脉冲波形;建立了脉冲发生器工作机理的力学模型,并对其机械特性进行了数值仿真分析预测。分析结果表明脉冲发生器具有如下特性:负载自适应性好,瞬间耗能和缓冲制动效果显著;冲击脉冲的脉宽和幅值调节方便;适用于重载高速紧急制动并对制动过程有控制要求的场合。

关键词：碰撞试验,冲击脉冲发生器,冲击脉冲,缓冲器

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力脉冲发生器篇6

关于研究利用频响法实现在线测量电力变压器绕组变形的方法, 国内外学者进行了大量研究, 有的利用电力系统暂态过程中的过电压作为激励信号注入变压器, 有的则是利用高频脉冲信号实现频率响应法的在线应用[1,2,3,4,5,6,7,8]。

根据研究, 实现频响法在线测量电力变压器绕组变形, 必须有脉冲激励源, 基于FPGA的全固态纳秒级脉冲发生器可产生脉冲电压幅值, 宽度, 频率可调的稳定脉冲波形, 此种脉冲发生器可以在频响法在线测量电力变压器绕组故障中作为脉冲激励源。

基于FPGA控制的全固态纳秒级脉冲发生器主要是由直流电源, 固态电路以及FPGA控制电路构成, 在脉冲波形产生的过程中, 上述三个部分均起到至关重要的作用, 因此在设计脉冲发生器时应重点考虑上述三者, 本文从直流电源的选取, 固态电路分析, 以及FPGA控制电路设计着手对脉冲发生器进行设计[3]。

1 FPGA脉冲发生器及固态Marx电路

基于FPGA控制的全固态纳秒脉冲发生器的原理如图1所示。该发生器主要由直流电源、Marx电路 (脉冲主电路) 、FPGA控制保护电路和负载等组成。

从图1可以看出直流电源主要是脉冲波形产生的关键部件, 其对FPGA与固态Marx电路供电, 同时FPGA接收外部参数控制指令, 同时向直流电源与固态Marx电路发送控制指令, 此时直流电源通过保护电阻向固态电路充电至设定电压, FPGA控制电路通过控制同步触发电路触发固态开关, 以此产生波形幅值与脉冲宽度, 频率为设定值的波形[2]。同时设置保护控制, 当系统出现过电流时, FPGA控制电路控制直流电源与固态电路断电, 以此保护脉冲发生装置的安全。

1.1 固态Marx电路工作过程分析

Marx电路由多个模块组成, 每个模块由二极管、固态开关、储能电容等组成[5,7]。四级固态Marx电路如图2所示:

在并联充电阶段, 固态开关S1~S4处于关断状态, 二极管D1~D8处于导通状态, 储能电容器C1~C4并联, 直流电源通过限流保护电阻RC和二极管对等效并联电容充电至充电电压VI。并联放电过程中, 所有固态开关同时导通, 储能电容将二极管反向截止。四级等效串联储能电容电压迅速加到负载上, 此时负载瞬间获得全部串联电容电压V0。

2 脉冲发生器设计

2.1 直流电源的设计

为了减小整个发生器装置的体积和重量, 选用DW-P102-100F0F直流电源, 其原理结构图如图3所示, 交流电经过整流得到直流电压。然后经过半桥逆变电路, 逆变成高频交流, 通过高频脉冲变压器将电压升高到所需的电压, 再经过高频整流滤波输出电压:DC 0~1 000 V;输出电流:100 m A。

2.2 固态Marx电路参数选择

因为脉冲发生器参数之间彼此关联, 所以需要对所有参数进行计算.

2.2.1 固态开关选择

在设计参数确定后需要对Marx电路的器件进行选择, 因为固态开关对脉冲的上升沿与下降沿以及幅值都会产生重要影响, 因此需在选择固态开关时应该考虑一下几方面因素:器件容量, 开关速度, 导通压降, 运行频率, 耐冲击能力, 可靠性。

IGBT与MOSFET开关速度快, 易于驱动, 工作频率高。二者的差别主要在开关速度上IGBT开通速度目前可达几百ns, 而MOSFET开工速度最快可达到几个ns[4,6]。

2.2.2 储能电容的选择

为使储能电容的耐压值不低于每级MOSFET开关的工作电压, 因此储能电压的耐压值不能低于1.2 k V。在最大脉冲宽度和频率下允许输出方波脉冲有10%的电压降落, 根据文献, 储能电容器的最小电容量需要满足下式:

式中CN为等效串联电容, τ为最大脉冲宽度, V0输出脉冲电压幅值, ΔVd为输出脉冲电压允许降落幅值, RL为负载电阻, N为开关单元的级数。依据上式的计算选取Rock公司生产的0.47μF、工作电压1 200 V的电容器作为Marx电路的储能电容。

2.2.3 快速恢复二极管的选择

在固态Marx电路充电过程中, 所有快恢复隔离二极管处于正向导通状态, 此时二极管流过的电流最大, 因此最大正向导通电流应满足公式 (1)

固态Marx电路放电过程中, 此时储能电容器上的电压达到最大值, 最高反向击穿电压应满足公式 (2)

选取快恢复二极管, 型号为DSEI60-12 A, 其反向击穿电压1 200 V, 正向导通电流52 A。

2.2.4 限流保护电阻选择

在充电过程中, 充电回路可等效为一个电容。对电容充电的快慢取决于充电时间常数RCCN, 当电容的充电时间为时, 基本可认为电容上的电压可以达到充电电压值, 则限流保护电阻需要满足式 (3) :限流保护电阻见图5。

2.2.5 MOSFET驱动电路

触发电路产生的一定频率和宽度的脉冲信号, 还须经过驱动电路放大后才能控制MOSFET开关的通断, 专用驱动芯片具有宽电压输出、低输出阻抗、低热电阻、高峰值输出电流和支持TTL/CMOS电平输入等优点。为使开关波形具有足够的上升和下降速度, 驱动电流要足够大。计算公式如式 (4) 所示:

式中Ciss表示栅极电荷, 可从IXFK20N120的数据手册中查得7 400 p F, Vg表示栅极电压, 取为15 V, Tc表示导通/截止时间, 取为30 ns, 代入实际参数可计算得到峰值驱动电流至少为3.7 A。另一个需要考虑的重要指标是平均功率, 计算公式如式 (5) 所示:

式中Qg表示MOSFET开关的栅极电容, 可从IXFK20N120的数据手册中的栅极电压与栅极电荷曲线查得220 n C, Vg表示栅极电压, 取为15 V, f表示重复频率, 最大值取为1k Hz, 代入实际参数可计算得到平均功率至少为3.3 m W。选用IXYS公司生产的IXDN 609专用驱动芯片, 该驱动芯片的峰值驱动电流可达9 A, 前沿小于22 ns, 传输延迟时间为40 ns, 输出阻抗仅为0.4Ω。其内部结构见图4。

对于纳秒级高压快脉冲放电, 需要考虑驱动控制回路和固态Marx电路之间的电气绝缘问题。同时, 固态Marx电路由多个MOSFET开关组成, 因此触发脉冲信号通过光纤隔离电路后需要保证触发脉冲信号的同步性。光纤具有隔离电压高、抗干扰能力强、响应速度快和光信号传输同步性好的特点, 能够实现完全电气隔离和同步触发的要求, 因此设计了一种光纤隔离电路用于将触发脉冲信号与MOSFET开关电路隔离开来。隔离电路图如5所示:

2.3 FPGA控制电路设计

FPGA是一种可由用户自行定义配置的高密度专用集成电路, 是在掩膜可编程门阵列和可编程逻辑器件的基础上发展而来的, 所以既具有比门阵列器件更好的集成性, 又有比可编程器件更强大的逻辑实现能力。具体结构见图6。

2.3.1 触发控制设计

采用FPGA来实现同步触发控制电路的设计。将晶振的基准信号进行分频、并进行脉宽调节, 得到频率可调、脉冲宽度为晶振基准信号周期整数倍的触发信号。在PC机的用户控制界面设置的同步触发脉冲参数信息经过串口通信数据线传递给单片机, 单片机运算后发送命令给FPGA, FPGA通过内置的寄存器、频率计数器、脉宽计数器和脉冲个数计数器对基准时钟信号的频率、脉宽和脉冲个数进行调整, 并实时产生多个通道同时输出的初始脉冲信号。

从FPGA输出的多路初始脉冲信号电平为+3.3 V, 因此需要通过电平转换电路将其电平转换成+5 V的触发脉冲信号。图7为电平转换电路中的电平转换通过芯片SN74ALVC164245DGG完成, 通过电平转换芯片后, 可获得多路输入多路同步输出的触发脉冲信号。

2.3.2 电压控制设计

直流电源的电压调节方式具有外控和内控两种调压方式。采用外控方式进行电压调节, 即通过外部输入0~5 V低压直流信号来线性调节高压输出0~1 000 V。通过用户控制界面输入预定的充电电压, 单片机程序接收PC的命令, 处理后传送给FPGA, 通过FPGA运算并经过比例及隔离电路后产生0~5 V的直流电压来调节直流电源的高压输出。

2.3.3 保护控制设计

为使装置能够安全可靠运行, FPGA控制电路除保证发送的控制信号准确无误外, 还需其能实时接收并处理来自固态Marx电路的反馈信号, 以准确判断装置的运行状态并对可能出现的极端状况进行及时处理。因此, 需要设计保护电路来实现此功能。

3 输出波形测试

设定脉宽600 ns、重复频率1 Hz不变, 不同充电电压时发生器装置的典型输出电压波形, 从图中可以明显看出, 在输出极限范围内, 脉冲电压幅值可实现任意幅值输出。 (图7。设定充电电压1 000 V、重复频率1 Hz不变, 不同脉宽条件时发生器装置输出的电压波形, 由于采用数字控制方式, 脉宽可实现从最小200 ns到1 000 ns连续可调 (图8) 。

4 结束语

文中重点分析了基于FPGA的脉冲发生器, 针对脉冲参数调整的需要设计了控制电路部分, 设计了直流电源, 固态电路与FPGA控制电路最后通过实验测试说明在控制电路作用下, 脉冲发在控制电路作用下, 可产生脉冲宽度为200~1 000 ns, 最大脉冲电压幅值8 kv, 脉冲频率从1~1 000 hz, 前沿脉冲0~35 ns, 脉冲个数从1~20 000的参数可调的脉冲波形, 完全可以满足使用频响法对电力变压器绕组变形时对激励源的要求。同时脉冲发生器装置的驱动电路采用光栅隔离进行电气隔离以及脉冲发生器专门针对故障时设计了保护电路, 极大地提高了脉冲发生器的稳定性。

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力脉冲发生器篇7

自上世纪60年代出现高功率脉冲技术以来,高压脉冲发生器得到了迅速发展,其利用也十分的广泛。利用高压脉冲对固体进行选择性分离会降低生产成本, 减小损耗。此外这种选择性的破碎方法还有很多优点,例如:容易清洗, 没有交叉污染; 破碎在水中或者油中进行, 没有粉尘; 没有噪声污染; 选择性破碎, 保持物质的完整度。目前由瑞士生产的高压脉冲破碎仪已应用在地球科学中用于从岩石中挑选矿物。不仅如此,它还可以应用在电子设备的废物回收方面。本文重点介绍高压脉冲放电技术在对同一物体中不同材料的分离。

1实验系统设计

实验中使用的高压脉冲发生器为5级Marx发生器,马克斯发生器要满足两个基本要求:即输出一定幅度的电压和具有一定时间宽度的波形。结构如图1所示。发生器的主要设计参数如下:标称电压为75kV, 冲击电容为0.1微法,标称能量为281焦耳,负荷电容为2纳法,波前时间0.35微秒,波尾时间2.9微秒。发生器的设计采用高效回路以达到理想的实验效果。

图1中所示的R为保护电阻;R1为充电电阻;Rf为波前电阻;Rt为放电电阻; G1—G5为球间隙。在这种设计中,分布放置的波前电阻Rf同时有阻尼电阻的作用, 输出电压相对较高。根据验证充电电阻取值的合理性的公式:

代入相应数据得到α=0.091,为了减小充电电阻对波形的影响,系数的取值范围限制在0.05~0.1的范围内较好,因此,各个电阻的取值合理。

2仿真分析

Comsol Multiphysics所包含的AC/DC模块中的静电场、麦克斯韦方程组及边值关系对实验原理进行仿真分析。通过边界条件的设定、求解域的设定、网格的生成、求解以及后处理,最后我们得到图2中的仿真结果。由于固体电介质破坏并非取决于电场,而是取决于试样上的外加电压。图中看到在混凝土试品内部的小球周围电场较为密集,这证明在两物质的交界面处电场发生了变化。这种变化会引起导致两种物质的交界面处产生放电通道,其产生的能量进一步的释放给放电通道,最后导致试品的破碎和选择性分离的完成。

3实验结果及分析

经由前期的准备我们用马克斯发生器对实验样品进行实验。由破坏实验样品所产生的电压和电流的波形图用泰克的DPO4104B示波器采集存储。马克斯发生器的充电电压选为12kv ,电容器的电容为100nF,球隙约为0.3cm。实验样品为水泥与细沙按照一定配比混合成的长宽均为5cm,厚度为2至10mm不等的混凝土块。

负载被击穿时的电压和电流波形如图3所示,从图中我们可以看到击穿时电压实际值约为37kv,电流实际最大达到335A。且由图中我们可以看到电压和电流并不是同时起作用而是电流会比电压延迟一段时间,在图中这段时间约为1.2μs。电压的波前时间约为0.2μs。此时电压,电流均发生突变,证明在样品中形成了放电通道。并非每次放电都会形成放电通道, 也不是形成放电通道就一定会毁坏样品, 需要达到破坏样品所需的能量才能将样品打破。

冲击电压破碎样品是消耗的能量E可表示为:

根据图中所测得的数据,我们由计算得到在一次放电过程中产生的能量约为0.05J,而对一个样品若想彻底破碎需要进行4至6次放电,因此,彻底破碎一个样品需要的能量大约为0.2J,所以,可知通过高压放电对物质进行提取分离非常节约能源,而且实验时大多在水中或者变压器油中进行实验,不会有过多的粉尘在空气中,也非常的环保。

图4显示的是经过几次放电击穿后明显看出样品表面出现裂纹和少量的破坏,我们预计会在裂纹集中的地方产生破坏,经过高压放电后,可以看到在预计的地方出现了有效的破坏,混凝土块中的弹珠被完整的分离了出来。

4结论

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