微检测系统论文

2024-07-10

微检测系统论文（共12篇）

微检测系统论文篇1

0 引言

由铁磁学可知,铁磁材料的特点之一是自发磁化,当材料均匀时,材料内部的磁畴分布凌乱,整体上对外不显示磁性[1]。金属构件在制造和使用中会产生缺陷,而缺陷的存在又会导致不可逆磁畴固定结点的产生,形成内部磁场,磁畴固定结点的磁场十分微弱,因而称为微磁点,而其检测过程可称为微磁检测。由于缺陷微磁点的磁信号十分微弱,泄漏到材料表面的磁信号就更加微弱,其检测极为困难,为此,常对工件进行磁化,增强缺陷的漏磁信号,以便于检测,这种方法被称为漏磁检测方法;如果磁传感器的灵敏度足够高,就可直接检测缺陷漏磁信号而不必充磁,这种方法被称为微磁检测[2,3]。由于微磁检测不需要外部磁化,从而在实际装备无损检测中得到广泛应用,并逐步向定量化和可视化方向发展[4,5,6]。目前,微磁检测中缺陷检测和缺陷特征识别是从外部检测的磁信号分布特征中进行识别的[7,8,9],对其检测的内部机理还不是很清楚。本文从微磁学角度出发,利用能量最小原理对材料内部磁畴内的磁化矢量进行分析,研究缺陷附近磁畴内磁化强度变化与微磁检测信号特征之间的关系,从而为进一步分析和应用微磁检测提供理论基础。

1 微磁结点内的能量

外磁场的存在会导致铁磁质内磁畴体积发生变化,从而使畴壁发生位移,因而畴壁的位置是外磁场对铁磁物质磁化效果的一种反映。缺陷的存在使得畴壁移动不能跨越缺陷,形成对畴壁的钉扎,在缺陷区形成微磁结点,微磁结点内磁化方向的变化决定了缺陷区的泄漏微磁场特性。一般的微磁学分析中通常考虑[10,11,12]交换能Eex、磁晶各向异性能Ean、退磁能Edem、外磁场能Eapp四种能量。而微磁检测的构件由于受外界强冲击而造成的材料变形会产生纯弹性能Eela、长期受疲劳应力的作用而导致的磁致伸缩引起的磁弹性能Ems和应力能Eσ。这些能量对于功能性材料研究来讲一般是不考虑的,而对于无损检测来讲,主要是检测材料的受损情况对材料磁性能的影响,因此,这些能量就不得不考虑,它们分别代表材料中的不同相互作用,研究这些相互作用是实现微磁检测的基础。由于纯弹性能、磁弹性能和应力能是磁晶各向异性能的一种,外磁场对材料的磁化导致其内部形成退磁场能,退磁场能包含了外磁场对材料的做功,因此这里只考虑缺陷区微磁结点内的交换能、各向异性能、退磁能。

2 基于能量最小的微磁结点内磁化矢量计算

微磁学理论从本质上讲就是一种连续近似,在这个近似中,假设磁极化强度J是时间和空间的函数,即[13]

J(r,t)=Jsu(r,t) (1)

其中,Js为饱和磁极化强度,u为J方向的单位矢量,且∑u2=1。推导出相关能量,将总自由能对磁矩求最小值,就可以得到平衡状态下的磁结构。

在问题的一维方法中,垂直于微磁结点壁的任一位置z处的局部体积能密度f是交换能、各向异性能和退磁能之和:

f=Eex(θ)+Ean(θ)+Edem(θ) (2)

$E_{e x} = A (\frac{d θ}{d z})^{2}$

$\begin{array}{l} E_{a n} = Κ_{0} + Κ_{1} \sin^{2} θ + Κ_{2} \sin^{4} θ + Κ_{3} \sin^{6} θ + \dots + E_{d e m} = \\ μ_{0} \int_{0}^{| Μ |} Ν Μ \cdot d Μ = \frac{1}{2} μ_{0} Ν | Μ |^{2} \end{array}$

式中,A为交换积分常数;θ为磁化方向与易磁化轴方向夹角;K0、K1、K2、K3为磁晶各向异性常数;N为磁化方向退磁因子;M为磁化强度;μ0为真空中磁导率。

对体积能密度从一个磁畴到另一个磁畴的转变区厚度进行积分,可得微磁结点内的总表面能E:

E=∫∞-∞[Eex(θ)+Ean(θ)+Edem(θ)]dz (3)

为计算固定微磁结点内磁化矢量方向随位置变化的函数θ(z),根据能量最小原理,考虑在θ(z)变化δθ时,使微磁结点内的总表面能E的变化为零,并利用δf=(f/θ)δθ和δ(θ/z)=(δθ/z),可得

$\begin{array}{l} δ E = \int_{- \infty}^{\infty} [\frac{\partial E_{a n} (θ)}{\partial θ} δ θ + 2 A (\frac{\partial θ \partial δ θ}{\partial z \partial z}) + \frac{\partial E_{d e m}}{\partial θ} δ θ] d z = \\ \int_{- \infty}^{\infty} [\frac{\partial E_{a n} (θ)}{\partial θ} δ θ - 2 A \frac{\partial^{2} θ}{\partial z^{2}} δ θ + \frac{\partial E_{d e m}}{\partial θ} δ θ] d z + \\ 2 A \frac{\partial θ}{\partial z} δ θ |_{- \infty}^{\infty} = 0 (4) \end{array}$

由于在远离固定微磁结点的地方磁矩取向被磁畴内各向异性易磁化轴固定,故θ/z|∞-∞=0,即式(4)最后一项为零。由于θ(z)是z的任意函数,只有自变量z在结点内的每一点处为零积分才为零,所以有

$\frac{\partial E_{a n} (θ)}{\partial θ} - 2 A (\frac{\partial^{2} θ}{\partial z^{2}}) + \frac{\partial E_{d e m}}{\partial θ} = 0 \Leftrightarrow$

E′an(θ)-2Aθ″+E′dem=0 (5)

式(5)是固定微磁结点内的Euler方程,第一项是每一点上由各向异性梯度产生的自旋上的定域扭矩;第二项是由所研究的自旋处的交换能梯度产生的自旋上的定域扭矩。

对于上述固定为磁结点内的Euler方程,通过两侧同时乘以dθ/dz而进行积分来求解固定微磁结点内的剖面问题:

$\begin{array}{l} \int \frac{\partial θ}{\partial z} [\frac{\partial E_{a n} (θ)}{\partial θ} - 2 A \frac{\partial}{\partial z} \frac{\partial θ}{\partial z} + \frac{\partial E_{d e m}}{\partial θ}] d z \Leftrightarrow \\ \int \frac{\partial E_{a n} (θ)}{\partial z} - 2 A \frac{\partial θ}{\partial z} \frac{\partial}{\partial z} \frac{\partial θ}{\partial z} + \frac{\partial E_{d e m}}{\partial z} = 0 (6) \end{array}$

因此, $E_{a n} (θ) - A (\frac{\partial θ}{\partial z})^{2} + E_{d e m} = C$ ,积分常数C允许为零,因为在远离固定微磁结点时,θ′=0,Ean(θ=-∞)=0,所以C=0,由此得

$E_{a n} (θ) - A (\frac{\partial θ}{\partial z})^{2} + E_{d e m} = 0 (7)$

式(7)表示了固定微磁结点内的一个性质,即固定微磁结点内任一点的交换能与该点的磁晶各向异性能和退磁能之和相等,由于磁晶各向异性的存在,铁磁晶体内磁化强度Ms在不受外磁场作用时总是停留在易磁化轴的方向,因此在磁晶各向异性能较大的地方,磁矩的方向变化也较快。对式(7)进行积分可得一定的交换能、各向异性能和退磁能在固定微磁结点内的对应位置:

$z - z_{0} = \int_{0}^{θ_{0}} (\frac{A}{E_{a n} + E_{d e m}})^{1 / 2} d θ (8)$

对单轴试样,各向异性能可表示为

Ean=Kusin2θ

退磁能密度Edem可以简化表示为|Ms|sin2θ。这时可以得到:

$z - z_{0} = \int_{0}^{θ_{0}} (\frac{A}{Κ_{u} \sin^{2} θ + | Μ_{s} | \sin^{2} θ})^{1 / 2} d θ (9)$

式(9)把固定微磁结点内的位置与该点上磁化强度的取向相关起来。

3 微磁结点内磁化矢量分布特性

针对一种特定材料,其交换积分常数A、各向异性常数Ku、饱和磁化强度Ms为常量。式(9)可表示为

$z - z_{0} = a \int_{0}^{θ_{0}} \frac{1}{\sin θ} d θ = a \ln \frac{1 - \cos θ}{\sin θ} (10)$

其中,a针对一种特定材料而言是一常数。为了定性了解固定微磁结点内磁场强度的变化规律,在式(10)中令z0=0,a=1/4。饱和磁化强度Ms模值为1时,sinθ就是微磁结点内磁化强度的水平分量,cosθ就是微磁结点内磁化强度的垂直分量。针对式(10),令sinθ=|Mx|,可解得水平磁化强度分量Mx与位置z的关系式:

$| Μ_{x} | = \frac{2 e^{4 z}}{1 + (e^{4 z})^{2}} (11)$

垂直磁化强度分量My是水平磁化强度的导数。根据式(11),采用MATLAB软件画出固定微磁结点内位置与磁化强度的水平和垂直分量的关系分布,如图1所示。

从图1可见固定微磁结点内磁化强度的水平分量具有最大值,垂直分量具有正峰和负峰,即存在过零点,峰—峰间的变化梯度大。

(b)垂直分量

4 缺陷微磁检测实验

微磁检测是结合微磁学理论提出来的一种新的磁性无损检测方法。根据微磁检测理论,缺陷存在的地方就一定存在磁畴固定结点,就一定会出现磁状态不可逆,形成材料内部磁场。由于微磁检测的构件受外界强冲击造成的材料变形而产生的纯弹性能以及长期受疲劳应力的作用导致磁致伸缩而引起的磁弹性能和应力能是磁晶各向异性能的一种,因此,缺陷附近的微磁场分布应该与上述基于最小能量分布得出的磁化强度分布具有相似的特征,换句话说,缺陷附近的微磁场是内部磁化强度对外的一种表现形式。图2是采用JLY-1B智能微磁裂纹检测仪在不加外部磁化状态下[14],对受损的在役飞机螺栓杆进行检测得到的缺陷水平和垂直磁场的波形。将实际检测波形与图1计算的微磁结点内磁化矢量分布特性相比较,发现两者具有相似的特性,即水平磁场具有最大值,垂直磁场具有正负峰,存在过零点,因此,在微磁检测中,可通过检测水平磁场判断最大峰值或检测垂直磁场分量判断过零点进行缺陷检测和识别。

(b)垂直分量

5 结语

通过上述基于能量最小原理的微磁结点内磁化矢量分布计算可以看到,结点内的磁化矢量变化与外部检测的缺陷微磁场具有相似的特征,由于结点内的磁化矢量变化特征只与交换积分常数、各向异性常数、饱和磁化强度有关,因此,对微磁检测的机理分析可以通过内部能量分布来进行,这就为缺陷微磁无损检测机理研究从理论上提供了一种方法,同时为进一步分析缺陷微磁现象的生成以及实现缺陷定量化提供了磁学理论基础。

摘要：缺陷对铁磁材料内部磁畴壁的钉扎使得缺陷附近出现不依赖于外部磁场变化的微磁固定结点。针对该现象,从微磁学理论计算出发,通过能量最小原理分析了缺陷附近内部能量的变化,得出了缺陷附近微磁固定结点内磁化场的奇异分布,根据其分布特征实现了缺陷检测。

关键词：磁畴,微磁结点,磁化矢量,微磁检测

微检测系统论文篇2

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微电网系统架构与求解方法篇3

关键词：微电网系统架构方法

中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（b）-0043-01

1 微型电网发展现况

微型电网整合分布式发电系统与储能组件于配电系统所形成之新的电力系统型态，可以并入大型电力系统运转或独里自主运转。目前，欧美与日本等先进国家，在微型电网的发展上皆属领先的地位，兹就其发展现况详述如下：

对于发展微型电网的概念与微型电网电源控制和建置示范系统之研究计划与论文，如微型电网系统架构概念[1]，在文献中，也对于实功率与虚功率之控制、电压调整策略、电力电子式之电源转换器接口设计、微型电源间功率分担、和应用静态开关（StaticSwitch）做运转模式切换等研究不管在理论上或实务上都有许多的贡献。

另外，由N.Hatziargyriou，H.Asano等人所发表之“MicroGrids”中[1]，将目前在欧美、日本和加拿大正进行的微型电网的研究、发展及示范系统做一综合探讨，在文中提到欧盟所资助的微型电网的两个主要研究计划。

第一个的计划（1998-2002）主题为“MicroGrids：LargeScaleIntegrationofMicro-GenerationtoLowVoltageGrids”，该计划已顺利完成相关研究工作，如ISET参与此研究所建构的微型电网实验室[1]。

第二个计划（2002-2006）主题为“MoreMicroGrids：AdvancedArchitecturesandControlConceptsforMoreMicrogrids”，该计划主要以实务性质为主，并分别在欧盟各示范点建置示范系统，的微型电网。

综观以上各国对微型电网的研究可使该文了解目前所要面对的问题与未来极需解决的问题及对环境所造成的影响。

2 系统架构

该文的研究乃以低压微型电网为主，首要的任务为系统架构的规划与设计，由于各国电力系统基础设施不尽相同，因此既有的配电系统型态再经整合分布式资源后自然形成各种不同型态的微型电网系统架构，综观相关文献所提的系统架构后决定以欧盟微型电网计划“ENK5-CT-2002-00610”设计的交流低压400 V微型电网作为模拟、分析的标的系统。

分布式资源并入微型电网前后的系统架构是由一台额定容量400 kVA、高压侧电压20 kV、低压侧电压0.4 kV、频率50 Hz的配电变压器，以及包括太阳能电池、燃料电池、蓄电池、风力发电机、微涡轮机等分散型资源所组成，因此非常适合本论文所欲研究探讨的议题「低压微型电网稳态运转研究」，是故，该文将以此系统为基础进行相关模拟与分析。

3 系统参数

本节主要的目的在介绍微型电网执行连续三相电力潮流程序时必须准备的相关资源与系统参数的设定，经整理后可得微型电网系统单线图，该系统包含高低压侧共有14个母线，线路长度最长处为345 m（自Bus1至Bus10），其中Bus1设定为摇摆母线（SwingBus），其余Bus8（住宅类）、Bus9（住宅类）、Bus10（工业类）、Bus12（商业类）及Bus13（住宅类）为负载母线；另外，分布式资源并入的母线分别为Bus14（30 kW蓄电池组储能系统）、Bus9（10 kW太阳能发电系统、10 kW风力发电系统）、Bus10（10 kW燃料电池发电系统）、Bus12（30 kW微涡轮机发电系统）及Bus13（3 kW太阳能发电系统）。

（1）配电变压器资料。

该系统的配电变压器相关参数资料，其额定容量为400 kVA、高低压侧额定电压分别为20 kV/0.4 kV、标么电抗及电阻值分别为0.04pu及0.01pu。

（2）负载资源。

各负载母线上的住宅类、工业类与商业类典型日负载曲线，各负载母线的尖峰（最大）负载量，将上述各类负载曲线及其尖峰负载量二者结合，即可绘制出各负载母线的实功及虚功日负载曲线[2]。

（3）线路阻抗资料。

导线规格及其对应的单位长度阻抗资源，所列的阻抗奥姆值将在系统统一基准值条件下标么化。

4 组件数学模型

举凡组成微型电网的分布式资源、导线、配电变压器、电电容器与负载等设施均为执行电力潮流所需的电路元件，上述组件在电力潮流分析过程中皆必须以适合的数学模型表示方可反应该组件的实际物理特性。兹就相关组件模型分述如下：

（1）分布式资源模型。

该文所探讨的低压微型电网中共整合微型发电系统及储能系统二大类，其中蓄电池组储能系统仅作为系统转态时支撑系统电压的用，亦即系统由并网运转状态转。为维持瞬时电压稳定的功能，因此，在稳态运转分析时不纳入电力调度输出功率的考量中，是故，执行电力潮流分析时仅就微型发电系统部分进行电力调度。一般而言，此一微型发电系统可依其特性与控制方式将其设定为输出固定功率因数与功率，因此，部分文献中将其视为定实功率-虚功率模型和定实功率-电压模型，就分析技术层面而言，各有其优缺点，本论文将其视为定实功率-虚功率模型[3]。

（2）导线模型。

该文的导线模型皆以型等效电力模型表示[3]。其中，对串联阻抗而言，原始三相四线式线路模型所示，将原始串联阻抗矩阵以克隆降阶法降阶，即可求得隐含中性线或接地线效应的三相线路等效模型，其原始导纳矩阵，降阶后的三相线路等效模型的母线组件关联矩阵，并利用推导公式[3]求出将三相线路解耦合后，即可得到的三相线路解耦合等效模型.

参考文献

[1]黄莉，卫志农，韦延方，等.智能用电互动体系和运营模式研究[J].电网技术，2013（8）：2230-2237.

[2]易锦，罗峋，凹建勋，等.基于马尔科夫链的软件故障分类预测模型[J]. 中国科学院大学学报，2013（4）：562-567.

微检测系统论文篇4

如图1所示，四象限探测器置于准确聚焦情况下光斑为圆形的位置，且其两垂直分割线分别与水平坐标轴和垂直坐标轴交错成45°。若被测点正处焦点上，则四象限上成像光斑为圆形，如图1(b)所示;若被测点处于焦点以外，则四象限上成像光斑为椭圆，且其长轴在水平轴方向，如图1(c)所示;如果被测点在焦点以内，四象限上成像光斑虽然亦为椭圆，但其长轴将变成了垂直轴方向，如图1(a)所示。其中光电流大小与各象限所占光斑面积大小成正比，由式(1)知，当被测点恰巧在焦点上时FES为零;当被测点在焦点以内时FES为正;反之在焦点以外时则FES为负。

本文设计开发的光电探测器硬件电路由微单片机系统采集处理，其可对微位移检测系统中四象限探测器上的光斑产生的光电流进行I/V转换、比较放大，并通过串口通信传给PC机保存及生成图像。

1 电路设计

光电探测器电路由三部分组成：光电转换、I/V转换电路;仪表放大器差动比较放大、A/D转换电路;采集处理电路、串口通信电路。其硬件结构框图如图2所示。

1.1 光电转换、I/V转换

在光电转换过程中，因为四象限光电探测器由四个光敏面组成，每个象限的光敏面都是一个大面积的光电二极管，光照在上面后对应的象限会有与光照强度成正比的光电流输出，通过串连采样电阻光电流可转换为电压信号输出，即I/V转换，将电压信号接入到后面的仪表放大器进行比较放大，如图3所示，R1、R2为负载电阻，其均是精密电阻，V01、V02为转换输出电压，其中，V01为四象限探测器b、d对角象限输出之和，V02为a、c对角象限输出之和。图4所示为光电转换实体电路板。

1.2 差动放大、A/D转换电路

四象限光电探测器的四个象限转换的电压信号通过差动放大[6]电路比较放大后接入A/D转换电路，如图5所示。放大器采用高精度仪表放大器INA118，其中，V01、V02分别为探测器a、c象限和b、d象限转换过来的电压信号;V03为仪表放大器比较放大输出的电压;RG采用50kΩ精密电阻，由

知仪表放大器的放大倍数是2，即输出电压

在本系统中，A/D转换采用的是12位A/D转换芯片AD7892，低耗能、低噪声、高转换速度，其原理图如图6所示。

1.3 采集处理电路、串口通信电路

采集处理电路中采用STC微单片机[7]作为控制器,用其来采集AD7892转换的数字信号,进行算法处理,并通过串口通信电路模块[8]把数据传给PC机保存和生成曲线。微单片机系统实体电路如图7所示。

2 性能测试及分析

2.1 测试装置

本系统采用的GT112四象限光电探测器是中电科技集团第44研究所生产的一款PIN结构的硅四象限光电探测器，探测光谱范围0.4～1.1μm，光敏面直径为6mm。

实验采用632.8nm的GY11B型He-Ne激光器作为实验光源，采用集成光学离焦像散仪器作为本实验的装置，测试试件为标准试件，将12V反偏置电压加于四象限光电探测器上，其中采样点间距为0.1mm。实验装置和检测电路如图8所示。

2.1 静态特性分析

光电探测器检测电路的静态性能，即检测过程中，其同一点的检测数据稳定和相等，决定了微位移检测的精度和稳定性。性能测试时，每个采样点测量10次，取平均值作为表1中聚焦误差信号FES的值。

图9(a)中的点为实测的FES值，曲线为试件标准FES值曲线，从图上可以读出，所测点的FES值都贴靠标准曲线，说明实测数据与试件的标准值几近相符;图9(b)为实测值和标准值的相对误差曲线，从图上可以看出最大相对误差<8%，平均相对误差小于5%，检测电路的精度较高，曲线凹凸弯曲体现样件表面凹凸形貌。

3 结论

通过对微位移检测系统的性能特性和要求的研究所开发设计的本四象限光电探测器电路设计紧凑、体积小，便于微位移光学测头的集成。对电路整体进行了性能测试，电路运行稳定、可靠，由表1数据和图9测试曲线知，微位移测量光电探测器电路静态特性好，精度高，满足微位移光学测头所需的性能和精度要求。

参考文献

[1]陈海清.现代实用光学系统[M].武汉:华中科技大学出版社,2003.

[2]匡萃芳,玛其波.基于激光准直直线度测量方法的研究[J].光学技术,2003,29(6):699-329.

[3]Tiziani H J,Wegner M,Steudie D.Confocal principel for macro-and micro scopic surface and defect analysis[J].OptEng,2000,39(1):32-39.

[4]Fan K C,Lin C Y,Shyu L H.The development of a low cost focusing probe for profilefile measuremen[tJ].MeasSciTechnol,2000,11:1-7.

[5]Akira Hira baya shi,Hidemitsu,Kitagawa.Fast surface profile by white-light interferometry by use of a new algorithm based on sampling theor[yJ].Appl Opt,2002,41(23):4876-4883.

[6]张立勋,王立权,杨勇.机械电子学[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2005.

微检测系统论文篇5

一、微服务架构模式

1.1 模式描述 1.2 模式拓扑 1.3 避免依赖与调度 1.4 注意事项 1.5 模式分析二、Android中的微服务架构三、结语

前段时间我们翻译的《软件架构模式》( 完整书籍的地址 ) 对外发布之后得到了大家的一致好评，书中讲述了五种经典、流行的软件架构模式，同时分析了五种模式的实现、优缺点等，为我们的开发工作提供了很有价值的指导，但是《软件架构模式》的问题在于没有结合具体的示例来让这些理论知识更易于吸收，因此有些同学在我的开发群反馈: 书看起来是挺好的，但是没有具体的示例感觉看得迷迷糊糊的。因此在下打算写一些结合Android源码或者开发的文章来更深入的讲述这些架构模式，理论与实践相结合，让大家更深刻、更具体的学习到这些架构的魅力所在。

缪旻微系统让信息集成不再困难篇6

记者：首先，请您简单介绍一下什么是微系统，它的主要功能是什么?

缪曼：微系统技术是以微米量级内的设计和制造技术为基础，研究开发微传感器、微制动器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。微系统可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性提高到一个新的水平，具有广阔的应用前景。

记者：目前，您相关研究的应用主要体现在哪些方面?

缪旻：我目前主要研究的是微纳器件系统的封装集成。例如，开发将CPU、内存、DSP和微波芯片与天线集成为一体的多芯片模块，从而让手机的体积缩小到目前的1/4。如果让CPU+内存+外设芯片构成的大型并行计算机处理单元，通过三维堆叠的方法集成为单一模块，其内部的互联以及外部各模块的互联就可以缩短为原来的1/4，各单元的通信速度、带宽将成倍提升，而计算机总体的处理能力也會相应地提升。

记者：能不能再介绍一下您入选新星计划时所依托的项目。通过新星计划的支持，该项目取得了哪些成果，是否得到了实际应用?

缪旻：我入选新星计划时依托的是国家自然科学基金面上项目“基于体硅工艺的微机械可调微波滤波器”，研究对象是面向高度集成化的微波电路系统，研制微波性能出色和可靠性好的微机械器件。

通过新星计划的支持，我们在器件结构动力学、机械/电磁场耦合的理论建模与仿真、新工艺、新结构和相应的方面都重点开展了研究，最终突破了这些关键点，为新一代可支持高集成的微机械微波器件设计与工程打下了坚实的技术基础。同时，我个人的综合素质和能力得到了提升。现在各相关的设计理论和技术都运用于未来高集成度的三维微系统封装的研发之中，其应用对象包括武器装备和手机等。

记者：为什么会选择微系统技术作为自己的研究方向，微系统技术在我们未来的生活中还将起到哪些重要的作用?

缪旻：微系统技术的研究对我们的生产、生活乃至医疗的方方面面已经产生而且正在产生重要的影响，非常吸引人。如今，逐渐普及的内含各种处理芯片和微传感器的智能手机和智能汽车就是这些技术的成功范例。我一直对该领域抱有浓厚的兴趣，2000年以来，先后依托北京大学微米/纳米加工技术国家重点实验室以及北京信息科技大学信息微系统研究所的科研硬件对相关的工艺、器件开发、系统集成和应用开展了工作。在此过程中，我学习和运用了大量的微波、无线通信技术，后来对无线、微波通信和高速信号完整性问题也发生了浓厚兴趣，现在成为我的另外一个研究方向。

运用微系统技术不仅可以解决各种微波、高速信号传输问题，还可以克服现有芯片/封装互联和天线方面的诸多影响未来通信发展的瓶颈问题，如带宽和损耗，从而促成现有的大型计算机、通信机柜的性能进一步升级。

微检测系统论文篇7

微型课程这个术语最初出现在美国教育文献中, 是由美国依阿华大学附属学校于1960年提出的。从其内涵及其实践的发展来看, 它最初主要是作为学科课程的“补丁”在中、高等教育阶段发挥其独特作用的, 但随着课程多样化趋势的日益彰显, 特别是随着信息技术的日益普及, 它已冲破学科微型课程的局限, 并以基于信息技术的、更加多样化的内容与形式广泛运用于从初等教育到高等教育乃至教师培训的各个阶段与各个领域, 成为现代课程体系中的一种新的课程形态。

我们主张开发和实施的微课程是一种在线教学视频文件, 主要针对教师专业发展, 内容直接指向具体问题, 关注“小现象、小故事、小策略”, 主题突出, 一课一事, 层层剖析。由文字、音乐、画面三部分组成, 它没有解说的声音, 在优美的轻音乐中, 静静地阅读文字, 欣赏画面, 进而引发思考。一集微课程长度在5分钟左右, 所谓“5分钟完成一次学习, 300秒经历一次思考”, 可最大限度地利用零碎时间学习。微课程利用了网络传送的便捷与录影重复利用成本低的特性, 同时它的使用方便, 除了网上学习, 还可利用手机、微博等方式学习, 也可以用于学校例会、研讨会观看或讨论。微课程每一集内容相对独立, 它可独立使用, 也可嵌入学校任何课题, 还可以独立成系统, 综合使用。微课程是以主题模块组织起来的相对独立与完整的小规模课程, 主要包括策略方法类、故事类、现象类和影视类等。

●“三微”研究模式——基于微问题的教师成长新范式

1.“三微”研究模式的内涵和特征

一般认为“科研引领、自我反思”是促进教师专业成长的有效途径, 但对于大多数一线教师而言, 课题研究门槛太高, 自我反思缺少载体。为了真正促进教师专业发展, 我们在教师培训中, 创造性地提出了“三微”研究模式——针对微问题, 开展微研究, 形成微成果, 以此来促进教师的成长。微问题是指在研究内容上强调教育教学过程中的有价值的细小问题;微研究不需要高深的理论作支撑, 而是遵循发现小问题—想办法—解决—梳理的过程, 寻求解决问题的办法;微成果则以微课程为主要表现形式。

2.“三微”研究模式的实践与解析

一节美术课, 老师布置完绘画任务后, 要求学生30分钟完成。当时间到了的时候, 教师让学生上台展示自己小组的作品, 于是便出现了问题:展示的同学在上面讲, 下面却没有多少人在认真听讲, 他们为什么没听讲?怎么办?

这种课堂现象是典型的“微问题”。

在教师培训时, 针对刚才提出的美术课堂上出现的现象, 许多老师指出了其中存在的问题:学生不注意倾听、发言学生声音小、讲课的人语言不生动不吸引人、听讲的人没有参与进来等。随着实践和研究的深入, 老师们思考问题也变得有深度起来, 就有许多老师提出了新问题:学生没有按时画完, 说明时间管理还不行, 缺少时间概念, 做事前松后紧, 教师没有注意这个问题, 把问题推给学生是不对的, 教师要培养学生的时间管理意识。研究不能只关注表问题, 而且更要注重背后的真问题!感觉又深了一步, 老师们继续在实践中研究。当再次把这个问题拿出来讨论时, 老师们有了更高层次的认识:学生缺乏时间管理, 教师要教会学生管理时间。

微研究正经历着“研究—实践—反思—再研究—再实践—再反思”的循序渐进、螺旋上升的过程。教师们的研究水平和能力也在不断地成长。同时, 做微研究不但要“做得好”, 还要“写得好”, 如何把老师们在实践中提炼出的好经验、好策略进行归纳、汇总和传播, 让更多的教师受益?显然, 作为“草根化”研究, 成果表现形式不能让老师们写长篇的报告和专业论文, 利用PPT, 把教师们的微策略、微故事以叙述分析、配以音乐的方式呈现出来, 将这些成果“课程化”, “微课程”就产生了。

微课程是一种供教师学习的“课程”, 一个借以成长的工具, 更是一种教师自发的“草根”的教研方式, 因为, 微课程的提供者正是一线教师自己, 这里没有多少高深的理论, 不用依靠“专家”, 每个教师都是学习的主人, 都可以通过简单的培训而转变为微课程的开发者, 让自己的作品为同行提供借鉴和启发。

●构建微学习生态系统——基于微课程的教师培训新模式

有效的培训应该是双方互动式的, 要符合信息化时代成人的学习方式。在培训过程中, 要满足教师学习的碎片性和交互性, 就要构建即时互动的学习社区, 方便学员实时在线交流, 实现信息沟通, 构建学习共同体。因此, 我们在“三微”研究的基础上构建了“微学习生态系统”。

1.微学习生态系统的构成

微学习生态系统主要是通过项目合作, 由我们区教师进修学校建设起一个“微课程远程学习平台”, 通过专家团队的引领, 使教师既是微课程的消费者, 也是生产者, 形成了生产与消费双向循环、开放性发展的“微学习生态系统” (如下图) 。

在微学习生态系统中, 学习者 (全区教师) 受惠于微课程远程学习平台上的学习资源, 获得知识增长——学习者获取、吸纳、内化学习资源中的知识营养, 作为学习资源的消费者, 从而形成自身的知识能力和学习体验。学习者 (全区教师) 通过参加相关培训活动逐渐成长为骨干教师, 他们在引领者 (专家团队) 的指导下, 结合自身教学实践, 开发出有针对性的微课程, 不断创新和丰富微课程远程学习平台上的学习资源。在这个过程中, 学习者成为知识资源的生产者, 众多学习者共同反哺学习资源, 从而优化学习资源。

2. 微学习生态系统的特征

第一, 互动性。我们建立的微学习生态系统为参与学习共同体的教师们提供了一个自我表达的空间, 一个和专家获得连接的空间, 一个讨论和对话的空间, 营造了相互尊重、信任、民主的互动环境, 从而建构了一个能够激发、保护学习者自主性、能动性的学习氛围。通过交互使全区教师获得自己兴趣领域里更多的资源连接、人际连接, 使他们反思和确认自己对知识、对教学的理解, 从而使学习更有效的发生。

第二, 开放性。我们创建的微学习生态系统同生物生态系统一样都是开放系统, 这个系统与外界每天都进行着信息的输入和输出。在微学习生态系统中, 知识创新不是教育专家或者研究者的专利, 而是一种学习方式, 我们区的每位老师都是知识的创造者。

自“三微”研究和微学习生态系统的概念提出以来, 我们建立了学习共同体下的微学习:一是教育教学小策略飞信共享平台, 每天由一名学员自主奉献出一条比较有效的教育教学策略通过飞信发给全体学员共享学习;二是专题小组QQ群研讨平台, 不同的班级、不同的案例组、不同的学科组组建不同的专题QQ群研讨平台;三是网络专题式研讨平台, 新教师开展每月一个主题的网络自主研修。主题是根据新教师走上岗位后的适应情况来设计的, 每月由一名学员提供案例, 全体学员进行跟帖, 探讨解决策略和方法, 结束后每个学员就研究的情况做一个案例作业上交到区教师进修学校, 进修学校派专家进行指导点评。这种“三微”研究模式, 让教师从习惯的细节中寻找追问、思考、发现、变革, 由学习者变为开发者和创造者, 在简单、有趣、好玩中享受成长, 成为基于微问题的教师成长新范式。“微学习生态系统”的建构, 有效推动了我区教师的专业发展, 可以说是一种基于微课程的教师培训新模式。

微检测系统论文篇8

在对激光三角法位移检测理论进行研究的基础上, 本文提出了基于线阵CCD的微位移检测系统设计方案。该系统具有检测精度高、抗环境干扰能力强、测量实时性好及复杂环境适应能力强等优点, 可实现对被测端面微位移信息的在线实时测量。

2 系统位移检测原理

2.1 系统检测原理

检测系统的位移检测基于激光三角法原理[2]。激光三角法的应用基本形式有直射式和斜射式, 这两种应用形式区别主要在于光源光束是否与被测端面的法线重合, 采用直射式时要求光源光束与被测端面法线重合, 而采用斜射式时二者之间呈一定角度。

无论采用哪种应用形式, 激光三角法都是利用光的漫反射原理来检测位移变化。采用直射式测量位移, 对被测面的表面粗糙度要求不高, 但对光源的要求较高, 同时成像清晰度不高, 测量的精度一般较低, 适用于对检测精度要求不高的应用场合下;相比之下, 斜射式测量具有更高的检测精度, 所以在本系统的设计中采用了斜射式的激光三角法结构来实现对位移的检测。

2.2 斜射式激光三角法位移检测原理

斜射式激光三角法位移检测的实现如图1所示。图中由光源发出的光束在被测端面发生光的漫反射, 漫反射后部分光束会被与光源相对的另外一侧的成像透镜汇聚, 在CCD上形成光斑成像, 通过对光斑在CCD上的相对位置移动进行分析, 根据系统检测模型进行换算即可获得被测端面的位移信息。

图中, 坠为成像点位移量;l1为成像透镜中心点至成像点的距离;l2为被测点至成像透镜中心点距离;D为被测物面位移量;θ1为入射光束与被测物面法线的夹角;θ2为成像透镜中心线与被测物面法线的夹角;准为成像透镜中心线与线阵CCD成像面的夹角。

为了在CCD上的成像清晰, CCD的成像面与成像透镜中心轴间的角度须满足沙尔定律, 即成像面、透镜主面与被测面必须交于一点, 其关系如式1。

物像间关系如式2。

式2中, l1、l2、θ1、θ2、准的值在光学系统搭建完成后即为固定值, 所以通过计算光斑在CCD上的移动经过了多少个成像单元, 再根据成像单元的宽度 (本系统中为8μm) , 即可计算出坠的值, 最终通过式2获得端面的位移值D。

在本系统中, l1为40mm, l2为60mm, θ1为50°, θ2为30°, 线阵CCD使用TCD1304AP, 并且在成像透镜与CCD间加入了滤光片来减少环境光对检测的干扰。

3 CCD成像位置的确定算法

由式2可知, 如何精确地找出成像光斑在CCD上的位置是实现整个系统精确微位移测量的关键。在确定CCD上光斑位置时, 常采用的方法有曲线拟合法、灰度质心法和极值法等。在本系统中, 采用了一种改进后的灰度质心法, 在上位机中通过对CCD上的成像信息进行分析来确定光斑的位置。

3.1 灰度质心法

光斑如果精确地成像在某一成像单元上时, 其位置的确定是十分容易的, 但在实际工作过程中, 光斑的像是以弥散斑的形式落在若干个成像单元上的, 这时一般会通过计算确定此光斑的质心, 以质心位置作为像在CCD上的位置, 质心位置可通过式3获得。

式中, m为CCD感光单元的个数, x为光斑质心的坐标值, N为正态分布的起始像素坐标, xi为第N+1个像素位置, f (xi) 为第N+1个像素位置上的灰度值大小。

利用灰度质心法计算像的位置时, 需要对每个感光单元的成像进行灰度变换, 同时m值的选择比较复杂, 计算也比较复杂。所以在本系统中, 采用了一种改进后的灰度质心法[3]。

3.2 改进后的灰度质心法

首先, 利用极值法来找到光斑覆盖光敏面的大致区域, 可以得到光斑的极大值像素点然后以此像素点向前选取K个像素点, 向后选取K个像素点设定为光斑覆盖光敏面的区域。然后在利用灰度质心法求出光斑具体位置, 根据设定可得, 改进后的灰度质心法质心的确定如式4所示。

式中, x为光斑质心的坐标值, n为极值法获得的像素点的坐标值, f (xi) 为i个像素位置上的灰度值大小, 根据实验本系统进行数据处理时选取K为50。

4 检测系统的设计

4.1 检测系统组成

检测系统由光源、光学成像系统、线阵CCD传感单元及其驱动电路、USB接口及上位机软件组成[1]。根据设计需要选用中心工作波长为650nm的激光光源, 选用TCD1304AP线阵CCD作为光斑位置检测器件, 同时根据需要在光学系统中设置了滤光片、偏振片及透镜组以保证成像清晰。

部分经过被测端面漫反射后的光束被成像透镜收集, 并在CCD的感光面上某一位置上形成光斑, 这样被测端面的位移即可通过对成像光斑在CCD感光面上的移动获知。所以, 通过USB接口将CCD的成像信息送入PC机中, 在基于LABVIEW平台的监控程序中, 根据系统检测模型, 对被测端面的位移信息进行监测和显示。

4.2 监控程序设计

PC监控程序主要需要完成三部分功能, 对通过USB接口发送来的CCD成像信息进行接收, 确定成像光斑中心位置, 计算被测端面位移, 在本系统中采用LABVIEW平台进行了监控程序的设计。其运行情况如图2所示, 可实现位移的实时监测、历史数据存储、变化趋势曲线绘制及通信接口设置等功能。

5 结论

经测试本位移测量系统在±5mm量程范围内, 具有不低于50μm的分辨能力, 具有较高的测量精度及良好的环境适应能力, 可广泛应用于微小位移的测量应用中。

摘要：本文提出的基于线阵CCD的微位移检测系统, 是将检测对象的微位移信息转换为线阵CCD上的成像光斑的位移, 在上位机中通过对由USB接口传送来的CCD成像信息进行分析、处理, 获得成像光斑的相对位移, 根据系统检测模型进行换算最终实现对检测对象的微位移测量。

关键词：线阵CCD,激光三角法,微位移测量,非接触检测

参考文献

[1]张旭.高速线阵CCD数据采集、传输与处理技术的研究[D].长春理工大学理工, 2007.

[2]万瑾, 黄元庆.激光三角法测量的研究[J].三明学院学报, 2006.

交流微电网系统并网保护分析篇9

进入21世纪以来,微电网(以下简称微网)以其具备灵活的运行方式、高可靠性的供电能力以及优质的电能质量等诸多优点成为电力工业发展的重要方向之一[1,2]。相比于传统配电网,微网具有正常情况下并网运行和外网供电出现扰动时孤岛运行2种状态[3]。系统保护是保证微网安全、稳定运行的基础,其一方面可切断微网内外的故障穿越,另一方面与控制、通信等单元共同作用减小故障对微网及配电网稳定运行的冲击。微网系统保护按其功能可分为并网保护(interconnection protection)和微网内部保护(inner microgrid protection)[4]。目前对微网系统保护的研究主要集中于微网内部保护,对并网保护的研究一直比较薄弱。IEEE P1547.4对公共连接点(point of common connection,PCC)处电能质量以及微网运行方式切换提出明确要求,文献[5-6]对PCC处保护动作于电能质量及开关动作特性进行了研究和分析,文献[7]提出了并网保护配置位置及应该动作的故障类型。上述文献虽然对并网保护提出了一定的技术要求,但缺少对并网保护系统性分析及配置策略的研究。

本文首先分析了系统级、区域级以及单元级交流微网的结构与特性,并参照微网类型对微网并网保护进行分类。基于并网保护的动作要求,通过分析微网内外扰动时PCC处相关电气量的故障特点,提出3种类型并网保护的配置策略。考虑到较大规模微网(系统微网、区域微网)结构层次的复杂性,不同级别微网之间可能存在相互包含,分析了3种类型并网保护之间的配合。最后通过PSCAD/EMTDC对并网保护的配置方案进行仿真,验证了方案的可行性。

1 基于微网结构特性的并网保护分类

1.1 微网结构及特性

交流微网是微网的主要形式,不同类型的交流微网基本结构相似,大多采用辐射状网架,分布式电源(distributed generator,DG)、储能系统以及负荷等直接或经换流装置接入系统。微网通过PCC与外网连接,使其具有并网和孤岛2种稳态运行方式,且可在稳态运行方式间进行双向切换。根据微网内部负荷类型、设备运行特点以及微网结构的不同,可将交流微网分为3种类型:系统级微网(system microgrid,SMG)、区域级微网(district microgrid,DMG)和单元级微网(unit microgrid,UMG)[8]。如图1所示为IEEE P1547.4定义的典型微网结构,图示结构属系统级微网,并网母线经分段开关Brk分段,两段母线分别通过PCC_S1和PCC_S2与配电变电站的降压变压器T1和T2相连。系统级微网结构复杂,包括区域级微网和单元级微网,运行方式灵活[9]。

系统级微网由母线和多条馈线呈辐射状构成,每条馈线可分层接入子微网、DG或就地负荷。系统级微网可根据微网并网需要经多个PCC接入外网,如图1中PCC_S1和PCC_S2。区域级微网按负荷对电能质量要求确定其结构,重要负荷及稳定性强的DG一般接入同一条馈线,通过单个PCC与外网连接,如图1中PCC_D。单元级微网由稳定性能较好的DG和敏感(重要)负荷构成,也可根据需要接入少量普通负荷。单元级微网结构较为简单,经单个PCC接入外网,如图1中PCC_U。3种类型微网的结构及特性如表1所示。

1.2 并网保护分类

PCC是微网与外网电气连接的节点,为防止其两侧故障穿越,一般在PCC处配置微网并网保护。当外网发生扰动时,并网保护根据微网内部负荷及电气设备运行要求与外网解列,微网进入孤岛运行状态;当微网内部出现故障或不正常运行状态时,并网保护与微网内部保护配合切除故障,在必要情况下可优先动作将微网切除以保证外网的稳定运行。

根据交流微网的分类,将并网保护分为系统并网保护(system interconnection protection,SIP)、区域并网保护(district interconnection protection,DIP)和单元并网保护(unit interconnection protection,UIP)。由于每种微网类型的结构与特性不同,对并网保护的动作要求也各有差异,表2所示为3种并网保护在图1中对应位置及其动作特性。考虑到微网中部分DG供电具有随机性和波动性,PCC处并网保护除表2中所列动作类型外应可靠不动作,确保微网与外网的电气连接。

2 并网保护配置策略

2.1 微网电源故障特性

微网电源按其并网形式可分为3类:同步型电源、异步型电源以及逆变型电源[1]。同步电机故障后输出的短路电流较大,在故障初期达5~10倍额定电流;异步电机在故障初始阶段短路电流值也可达5~10倍额定电流,但与同步电机不同的是,短路电流会很快衰减到很小值;而对于逆变型电源,其短路电流值除与故障类型及故障点相关外,还取决于过流能力和控制方式[10,11]。

逆变型电源由电力电子元件构成,热稳定性较差,因此过流及过压能力较弱。在外电路短路故障时,逆变器承受的故障电流不能超过2倍额定电流。当逆变型电源输出电流达到限值后,为保护逆变器安全,有2种处理方法:一种是电力电子元件自身的保护动作使故障电流消失;另一种方法是在控制模块中增设饱和环节将输出电流限制在1.2~2倍额定电流[10]。本文选择后一种方法。

逆变型电源的控制方式主要有3种:恒功率(PQ)控制、恒频恒压(v/f)控制以及下垂(droop)控制,3种控制方式各有应用场合,本文逆变器控制方式选择为PQ控制及v/f控制。PQ控制时,发生三相短路,在输出电流未达到限值前,逆变电源表现为恒功率源,达到限值后表现为恒电流源;不对称故障时,输出功率不变,输出正序电流增大,且出现负序电流。v/f控制时,发生三相短路,在输出电流未达到限值前,逆变电源表现为恒压源,达到限值后表现为恒电流源;不对称故障时,输出功率不变,输出正序电流增大,且出现明显负序电流[12]。

2.2 单元并网保护配置策略

单元级微网规模较小,由少量DG及负荷组成,当负荷主要由敏感(重要)类型组成时,由于敏感负荷对电能质量要求较高,当电网扰动造成供电质量下降至负荷正常运行限值时,并网保护动作将单元级微网与外网分离;当负荷为普通类型时,UIP与DIP类似,如2.2节分析。本文主要考虑UMG的负荷为敏感类型的情况,此时单元并网保护动作于以下2类事件[1]:

1)电能质量下降到负荷允许的最低水平。

2)与单元级微网相连的出线故障,单元级微网持续向故障点提供短路电流。

UIP与负荷对电能质量的要求紧密相关,根据敏感负荷性质,电能质量主要包括电压、频率和电流谐波含量。不论是微网内部故障还是微网与上级电网连接线故障,都会导致电能质量的下降。此外,当系统中其他点发生故障影响敏感负荷正常运行时,UIP也必须动作将单元级微网与上级电网分离。需要注意的是,UIP保护的配置需要根据具体负荷对电能质量的要求来确定,本文以电压、频率及电流谐波含量作为判据。

如图2所示为单元并网保护逻辑图。

UIP的电压、频率和谐波整定如下式所示:

式中:Um,fm,Im.h.i,Im.h.THD分别为电压、频率、i次谐波以及谐波总含量的测量值;Us.max.1,Us.max.2,…,Us.max.n,tu1,tu2,…,tun,fs.max.1,fs.max.2,…,fs.max.n,tf1,tf2,…,tfn,Is.h.i,th.i,Is.h.THD,th.THD分别为电压、频率和i次谐波、总谐波含量及相应动作时间的整定值,整定值可由负载对电能质量要求来确定。

半导体生产设备等重要负荷对电源切换时间有严格规定,则当故障时继电保护和断路器动作时间之和大于规定时间时,可配置静态切换开关,以确保切换速度[6]。

2.3 区域并网保护配置策略

区域级微网由多种类型的DG和负荷组成,一般为较复杂的网络拓扑。区域并网保护不但要满足内部敏感负荷的供电质量,还应具备不间断供电能力,保证普通负荷的持续供电。区域级微网容量较大,相对于单元级微网,PCC上功率的双向性更加明显,这也就要求区域并网保护在两个功率方向上均能与相应保护配合切除故障。

区域级微网内部故障、DIP的配置策略需要综合考虑区域级微网结构、负荷、电压等级以及馈线距离等因素。除此之外,DIP的选择还需要兼顾区域级微网在系统级微网中的作用,防止在系统级微网孤岛运行模式下微网内部故障时,保护动作不当导致孤岛系统失稳,表3为微网内部故障时DIP可选择的主保护方案及应用情况。

除上述主保护方案外,DIP还须配置后备保护,由于外网容量较大,提供的短路电流值要远大于正常负荷电流值。设PCC处电流从相邻母线流出为正向,则微网内部故障并网保护的判据为:

式中:和为测量电压和电流的相量;Um和Im分别为其有效值;krel为可靠系数;ILoad.max为最大负荷电流值;Iset为电流值整定值;为微网运行阻抗角。

当外网故障时,若故障点处于并网保护范围内,则必须由并网保护切断故障电流;若故障点处于并网保护范围外,则并网保护作为后备与相应保护配合动作。外网故障时,系统级微网内部的单元级微网可能迅速离网,其他DG的运行也处于动态变化中,因此只有部分DG提供短路电流;同时考虑到系统级微网含大量逆变器并网DG,外网故障时DG提供的短路电流较小[13,14],因此电流保护和电压保护的可靠性均非常有限。针对以上问题,可使用差动保护,并网保护判据为:

式中:n为区域级微网接入母线出线条数;为第i条出线电流相量;为进线电流相量;Iset为差动保护整定电流值。式(5)构成了区域级并网保护反向判据。

与区域级微网相连的母线通常有较多馈线,因此,在反方向上DIP构成了其他馈线的后备保护。DIP作为后备保护的配置策略需要结合其他馈线功率方向及相应保护状态确定,如图3所示。当第k条出线正方向故障时,故障相功率方向Strip.k为真,此时连接在该母线上的其他线路故障相功率方向全为负,经一定延时后跳闸,第i条线路的负向后备保护判据如下:

式中:,为DIPi处电压和电流相量。

式(4)—式(6)构成了区域并网保护的判据;由于区域并网保护处于系统并网保护及单元并网保护之间,三者之间的配合主要体现在保护的动作时限。

2.4 系统并网保护配置策略

系统级微网结构层次复杂,PCC通常连接上一级变电站变压器的低压侧和下一级微网系统母线。考虑到PCC处潮流的双向性,SIP必须按2个方向分别配置。

当系统级微网内部故障时,若故障点位于微网系统母线区域,与母线相连的所有进线及馈线均跳开,此类故障对系统的影响较大,通常由进线及出线共同构成的差动保护切除故障,差动保护判据如式(5)所示。若故障点位于微网系统母线下游,则由过电流保护作为故障元件的远后备,同时过电流保护也可作为系统母线故障的近后备,过电流保护判据如式(4)所示。因此,SIP配置电流差动保护及过电流保护实现对微网内部故障的可靠切除。

对于外网故障,由于系统级微网通常与保护配置完备的变电站连接,如图1所示,当变电站内部发生故障时,微网必须在短时间内由并网运行切换至孤岛运行,跳开并网断路器,切断系统级微网向短路点提供短路电流。SIP与变压器进线保护共同构成变压器差动保护。考虑到SIP作为变电站其他非直接连接元件的后备保护,而电流保护和电压保护的可靠性非常有限,可采用距离保护作为外网相邻设备的远后备保护。距离保护可使用四边形特性或准四边形特性来躲过过渡电阻的影响[15]。

系统级微网与公网的电气连接十分重要,除连接线和母线故障外,系统并网保护一般不宜作为远后备保护动作切除公网或微网内部故障[6]。但在连接线或母线故障时,系统并网保护必须以足够快的速度切断微网与外电网的联系,一方面降低外网振荡的风险,另一方面防止微网系统运行方式切换失败。因此,系统级微网对并网保护及其进出线的保护可靠性要求较高。

3 并网保护的配合

如图1所示,单元级微网是区域级微网的组成单元,区域级微网又是系统级微网的一部分。各级微网间连接开关的动作情况对微网安全、稳定运行影响较大。因此,并网保护除合理的配置策略外,相互配合也十分重要。有选择性地断开连接开关,不仅可以有效切除故障,保护故障元件不受损坏,而且有利于微网运行方式切换、缩短过渡过程[16]。

微网经PCC并入外网,网络潮流出现双向性,并网保护需要适应这种变化,在两个功率方向上都必须具有可靠性[17]。因此,并网保护不仅需要设置不同的保护策略,同时也需要在不同方向上进行保护的配合。与传统保护相同,并网保护的配合主要体现在其后备保护的动作整定值以及动作时间。

如图4所示,潮流流出母线方向为正向,流入母线方向为负向。单元并网保护动作于故障和电能质量下降,在正方向上为系统的最末级;反方向上,故障或扰动同样会导致电能质量不满足敏感(重要)负荷的要求,因此UIP只按单元级微网内部负荷性质及要求进行整定。DIP处于SIP及UIP之间,正方向上与单元并网保护配合,反方向上与系统并网保护以及其他馈线正方向保护进行配合。系统级微网与变电站相连,SIP正方向为微网与变电站保护配合,反方向上与微网内部元件保护配合。

表4为图4中3级并网保护的后备保护动作时间整定值,其中DG4,UIP,UIP2和UIP3的正方向和反方向动作时间相同,分别为tDG4,tUIP,tUIP2和tUIP3,负载L1的保护只有在正方向故障时才动作,其正方向动作时间为tL1。

DIP,DIP2及SIP在正反两个方向故障时的动作时间分别为td.pos,td.neg,td2.pos,td2.neg,ts.pos,ts.neg,其与DG、负载保护、UIP配合后的整定时间如下式所示:

式中:Δt为上、下级保护配合延时时限。

可以看出,td.pos,td2.neg及ts.neg值可能较大,这对于主保护拒动需要后备保护切除故障的情况十分不利,随着微网技术的发展,基于通信的保护方案可以解决这类问题[18]。

4 并网保护仿真

4.1 仿真系统及参数

在PSCAD/EMTDC中建立典型微网拓扑结构如图4所示,仿真系统由40 MVA的35kV/10kV变电站和系统级微网通过PCC_S连接组成。系统级微网电压等级为10kV,包含3条馈线和DG4(同步电机),馈线1和馈线2连接区域级微网,馈线3连接普通负载L1,L1有功功率为2 MW、无功功率为1 Mvar,DG4容量为1 MVA。系统级微网内部包含区域级微网和单元级微网,单元级微网由DG1(逆变电源)和0.5 MW的敏感负载组成,DG1额定容量为1MVA,仿真时调节输出为P=0.6MW,与区域级微网的公共连接点为PCC_U。区域级微网包含单元级微网、DG2(同步电机)、DG3(同步电机)及普通负载,DG2和DG3的容量分别为0.1 MW和0.5 MW,T1变压器变比为10kV/0.4kV,与外网的公共连接点为PCC_D。微网系统采用主从控制,系统级微网中DG4为主电源,区域级微网中DG3为主电源,单元级微网中DG1为主电源。

在PCC_S,PCC_D和PCC_U处分别配置保护SIP,DIP和UIP,按照第2、第3节对3种并网保护的配置整定如附录A表A1所示。在图4中设置5个故障点,分别为f1,f2,…,f5,每个故障点均设置多个类型的短路故障。对表2中3种保护,除DIP和SIP的过电流保护动作速度受微网并网状态影响外,其他保护判据受其影响较小,故本文以微网并网运行时发生故障进行验证。

4.2 仿真结果

对图4所示的仿真系统按故障点位置分别进行仿真,分析发生各种类型故障(AB相间故障f(2)、AB接地故障f(1,1)以及三相接地故障f(3),由于仿真系统不直接接地,单相接地短路不予以考虑)时并网保护动作情况。

1)f1点故障

f1处故障,PCC_U,PCC_D,PCC_S处相应测量值(故障后0.04s)如附录A表A2所示(表中每组电气量含ABC三相,用“/”隔开,下同)。三相短路时PCC_U处测量值及并网保护动作波形如附录A图A1所示,图中左侧虚线为故障开始时刻,右侧虚线为保护动作故障切除时刻(下同)。由附录A表A2和图A1可知,当单元级微网内部发生故障时,并网保护均起动,由于并网保护间通过时间进行配合,最终由单元并网保护切断微网与外网的电气联系,切除故障。

2)f2点故障

f2处故障时,PCC_U,PCC_D,PCC_S处测量值(故障后0.04s)如附录A表A3所示,并网保护动作情况如附录A图A2(a)所示。从附录A表A3、图A2(a)可以看出,当f2发生3种类型故障时,并网保护均起动,由DIP和UIP动作将故障切除。

微网和外电网正常工作时,电力电子装置为主要谐波源。由于滤波器的作用,谐波含量通常在标准之内。当系统出现故障或不正常运行状态时,谐波含量可能增加,影响敏感负载的运行。为检验UIP是否能正确动作于电流谐波含量超标,在f2处注入谐波电流,假设该敏感负荷允许的电流最大谐波含量为2%。PCC_U处检测到的电流谐波含量及UIP动作情况分别如附录A图A2(a)和(b)所示,谐波含量超过2%的限值,因此UIP正确动作。

3)f3点故障

f3处故障时,PCC_U,PCC_D,PCC_S处测量值(故障后0.04s)如附录A表A4所示,并网保护动作情况如附录A图A3(a)所示。从附录A表A4和图A3(a)可以看出,当f3发生3种类型故障时,并网保护均起动,且出口动作。

4)f4点故障

f4处故障时,PCC_U,PCC_D,PCC_S处测量值(故障后0.04s)如附录A表A5所示,并网保护动作情况如附录A图A3(b)所示。从附录A表A5、图A3(b)可以看出,当f4发生3种类型故障时,由于微网主连接线故障对微网系统影响较大,单元并网保护与系统、区域并网保护一起动作,最终系统并网保护将系统级微网与外网分离;单元并网保护动作,保证负载供电质量。

5)f5点故障

f5处故障时,PCC_U,PCC_D,PCC_S处测量值(故障后0.04s)如附录A表A6所示,并网保护动作情况如附录A图A4所示。当BRK3保护正常工作时,并网保护动作情况如附录A图A4(a)所示;当BRK3保护拒动或断路器拒动时,与馈线2相连的母线所有出线必须解列,并网保护的动作情况如附录A图A4(b)所示。

综上所述,在仿真系统的不同位置发生各种类型故障时所配置的并网保护均能正确动作,与相应保护配合在最短的时间内切除故障,满足负荷对电能质量的不同要求。

5 结语

目前,微网保护的研究主要集中于微网内部线路及元件,对微网与上一级电网接口保护(并网保护)的研究较少。本文以交流微网的结构及特点为基础,将微网并网保护分为系统并网保护、区域并网保护及单元并网保护。通过分析不同级别微网负荷、运行方式的特点,结合其功能、并网保护动作要求,提出并网保护的配置策略及相互间的配合方式。最后通过PSCAD/EMTDC建立微网仿真系统,对并网保护的配置方案进行验证,仿真结果表明,本文提出的并网保护方案可行、有效。

摘要：交流微电网系统保护按其功能可分为并网保护和微电网内部保护。文中以交流微电网的结构和特点为基础,重点分析不同规模微电网并网保护,参照微电网类型将其分为系统并网保护、区域并网保护及单元并网保护。通过对不同级别微电网负荷、运行方式进行分析,结合各级微电网的功能,提出3种类型并网保护的配置策略。考虑到大型微电网结构复杂,不同级别微电网之间可能存在包含关系,分析了发生区内、区外故障时3种类型并网保护之间动作时间的配合。最后在PSCAD/EMTDC中建立IEEE P1547.4典型微电网拓扑,仿真验证了并网保护配置方案的有效性与可行性。

智能红外遥控微系统的设计篇10

随着科学技术的不断进步和人民生活水平的提高, 各类家电产品陆续进入各个家庭, 作为家电部件之一的红外遥控器也凸显了其重要性, 目前由于各家电产品的遥控器不能相互兼容, 使得生活中遥控器的数目随家电数量的增多而增多, 使用时易于混淆, 给使用者带来诸多不便。另外若遥控器丢失, 要找到配套的遥控器很困难。目前市场上常见的万能遥控器只能对某几种产品进行控制, 不是真正的“万能”, 对所有家电使用单一遥控器进行分别控制成为必然发展趋势。本文以成本低廉的AT89S52单片机为核心, 设计并实现了一种自学习型智能红外遥控系统。该系统采用测量脉冲宽度的方法, 利用红外线传感器进行信号的采集、分析、存储与转发, 采用硬件法对红外信号进行解调, 使遥控系统具有对信号解码的能力, 实现了遥控的智能化。由于只关心发射信号波形中的高低电平的宽度, 而不管其如何编码, 实现了真正的“万能”。

(二) 红外遥控系统简介

红外遥控器是一种用户可以在几米甚至十几米外就能对各种电器进行操作控制的装置, 具有功能强、微功耗、体积小、成本低等特点。一般的红外遥控系统是由红外遥控编码发送器、载波振荡器、红外遥控信号接收器和编码器及其他外围电路等组成。通用红外遥控器由发射和接收两大部分组成, 应用编/译码专用集成电路芯片进行控制操作。

不同的红外遥控器之间的主要区别在于拥有不同的遥控发射集成芯片和编码的调制方式。经过大量的研究分析发现, 绝大多数的遥控器具有相同的载波频率。

(三) 智能红外遥控微系统的设计及分析

本文所设计的智能遥控微系统具有学习、预存编码、模拟发射编码、显示和欠压指示等功能, 与传统遥控器相比, 增加了接收与信号处理部分, 能将接收到的信号解调, 然后通过测量其脉冲宽度对信号进行解码并存储于EEPROM中供发射指令时调用, 体现了真正的智能和“万能”, 具体组成如框图1所示。

1. 控制器。

单片机最小控制系统是整个软硬件控制系统的核心, 主要包括单片机AT89S52 (内含8K程序存储器) 、12MHZ时钟电路, 开关复位电路。单片机负责接收遥控器的发射码, 找出规律并将其记忆存储, 即完成学习功能, 同时有按键按下时判断键值, 将相应的模拟编码发射出去, 执行遥控功能或实现译码预存功能。

2. 键盘接口电路。

在本系统中键盘作为人机对话的重要组成部分, 用户可以对键盘进行自定义以符合个性的要求。系统扩展了32只按键, 有学习键、确定键、预存键、音量键、定时键等功能键, 基本可以满足所有电器的功能要求。学习时先按下学习键, 然后将家用电器设备自带的遥控器对准智能遥控系统接收头, 再按下要学习的相应功能键, 该键即被定义为对应功能, 按下此键后可验证正确与否。编码预存时按下预存键, 再按数字增减键可将相应编码进行存储。经学习或预存后, 各功能键即可代替诸多遥控器实施遥控。

系统采用8155接口芯片构成8*4键盘接口电路, 其中A口为输出, 作为行线;C口为输入线, 作为列线。系统采用行扫描法进行键盘扫描。

3. 存储器接口。

系统采用两种存储器, 一种利用程序存储器2864可电擦除特性;一种直接扩展一片静态RAM6264。当使用6264时只要设置相应的跳线即可。因2864和6264完全兼容, 如果需要高速通信, 可以应用双口RAM实现。系统在使用6264作为数据存储器时必须为之配备一组掉电保护电路, 采用6264的CE2脚可以实现这一功能。通常正常工作时应保持高电平, 当把该引脚拉至小于或等于0.2V时RAM进入保护状态, 可利用CE2引脚进行掉电保护。

4. 红外接收与解码电路。

红外遥控系统采用SM0038接收器件, 其输出可以直接由微处理器解码。本电路的主要特点是体积小、可靠性好、抗干扰能力强, 并可以防止非控制信号的输出脉冲出现。在实际使用过程中由于微处理器的不同, 建议最好用一级传输门电路进行缓冲作为MCU的中断信号。所有红外遥控器的输出都是用编码后串行数据对38~40kHz的方波进行脉冲幅度调制而产生的, 如果直接对已调波进行测量会产生很大的误差, 因此先要对已调波进行解调, 然后对解调后的波形进行测量。红外接收头解调出的遥控编码脉冲直接连入AT89S52单片机的INT0, 定时器T0和T1都初始化为定时器工作方式1, T0的GATE位置位。每次外部中断首先停止定时, 记录T0, 、T1的计数值, 然后将T0、T1计数值清零, 并重新启动定时, T0的值即为高电平脉宽, T1-T0的值为低电平脉宽。红外发射电路采用遥控脉冲信号调制38KHz方波, 然后将已调波放大, 驱动红外发光二极管, 就可以得到遥控发射信号。调制用一个与门实现, 38KHz用AT89S52的定时器T1产生。

5. LCD显示电路。

系统采用字符型液晶显示模块1602型, 其特点就是RS信号和R/W信号可以同步操作, 关键控制信号是E信号。本系统采用间接控制方法, 以AT89S52的P1口和P3口接口为并行接口与字符型液晶显示模块连接。

(四) 软件设计

1. 红外遥控信号的自学习。

红外遥控信号编码、发射原理是红外遥控器将遥控信号 (二进制脉冲码) 调制在38KHz的载波上, 经缓冲放大后送至红外发光二极管, 转化为红外信号发射出去的。二进制脉冲码的形式有多种, 其中最为常用的是PWM码 (脉冲宽度调制码) 和PPM码 (脉冲位置调制码) , 本系统采用PPM码。遥控信号的解码过程应是去除38/40KHz载波信号后识别出二进制脉冲码中的0和1。遥控信号识别、存储、还原的硬件电路由单片机AT89S52、一体化红外接收头、存储器、还原调制与红外发光管驱动电路组成。

2. 软件流程。

单片机上电复位后, 首先对其内部定时器、进行初始化, 然后监测键盘, 是否有键按下, 当学习键按下后, 进入自学习状态时, 采用定时器定时、软件计数的方法, 测量INT0引脚上输入脉冲的高、低电平的宽度。INT0引脚平时为高电平, 当接收到红外遥控信号时, 由于一体化红外接收头的反向作用, INT0引脚下跳至低电平, 此为引导码。将测得的高低电平的宽度保存在存储器中, 并将每次测得的低电平的宽度与引导码低电平宽度比较, 若相等则表示一遥控命令码识别、存储 (自学习) 结束。再次监测P3口该引脚, 若学习键没有按下则退出自学习状态, 进入工作状态。否则, 进一步自学习下一红外遥控命令码。部分软件流程图如下所示:图2为总流程图。图3红外接收中断服务程序流程图, 完成信号高低电平测量工作, 保存信号于外存储器中。由于篇幅有限, 其他图略。

(五) 功能测试

1. 硬件测试:

(1) 线路图正确性测试:按原理图的接线采用数字万用表测试通断档测试由厂商制作的线路板接线是否有接线错误。 (2) 信号完整性分析 (Signal integrity) :包括阻抗限制、上升/下降沿过冲、下降沿/上升沿延迟时间、信号下降/上升时间、下降沿/上升沿振铃等。

2. 软件测试:

(1) 检查语法错误。 (2) 数据结构错误。 (3) 响应外部信号逻辑错误。

3. 软硬件综合测试:

包括接收、存储、转发数据测试, 键盘测试, 显示测试, 微处理器ALE及复位电路等测试。转发数据测试程序如下:

(六) 结束语

单片机代替编码芯片的思路简化了硬件, 降低了成本。该系统软件采用模块化、状态转移控制思想, 结构清晰, 逻辑功能较强;采用了一系列软、硬件抗干扰措施, 提高了整个系统的可靠性;采用软件节能控制方法, 使系统用电降到最小功耗状态。利用该系统对电视机、空调、VCD、功放等几种常见家用电器进行了实际测试, 均实现了准确的接收和转发, 且操作简单方便, 达到了自学习智能遥控功能, 实现了真正的“万能”。

摘要：文章提出以单片机AT89S52为核心的智能红外遥控微系统的设计方案。系统采用测量脉冲宽度的原理, 利用红外线传感器进行信号的采集、分析、存储与转发, 采用硬件法对红外信号进行解调, 实现了真正的自学习智能遥控功能。同时, 系统采用了一系列软、硬件抗干扰措施提高整个系统的可靠性, 适用于大多数电子产品的控制。

关键词：单片机,硬件解码,红外遥控,抗干扰

参考文献

[1]芦健, 等.自学习型智能红外遥控器设计口[J].国外电子测量技术, 2006, 25 (8) :63-66.

[2]吴鹏, 许雪梅, 黄帅, 等.基于AT89S52的智能遥控设计[J].液晶与显示, 2009, 24 (1) :87-91.

[3]安颖, 刘丽娜.具有学习功能的智能遥控器[J].微计算机信息, 2005, 21 (3) :23-26.

[4]李迟生.智能遥控器的设计[J].电子技术应用, 1997, (3) :38-40.

微检测系统论文篇11

打造思路是利用Windows ADK打造出WinPE 5.0，然后在其基础上通过添加Win 8.1 Updqte补丁将其直接升级为WinPE 5.1。由于目前最新版本的Windows ADK虽然在核心部分已经升级，但实际上它所能打造的WinPE环境仍然是5.0，这就导致我们虽然可以用WinPE 5.0完美地在传统的BIOS和新型的UFEI模式下引导系统，但如果要以WIMBoot方式安装系统，就会发现其内置的DISM命令根本不支持 WIMBoot 参数，最终导致安装失败。

下载并安装Windows ADK

第一步：进入http：//www.microsoft.com/zh-cn/download/details.aspx？id=39982网站，下载Windows ADK在线安装工具，运行后，在出现的如图1所示的对话框中选择“将Windows评估和部署工具包for Windows 8.1安装到计算机”，同时单击“浏览”按钮，设置程序的安装路径（建议使用默认值，即安装到系统分区），单击“下一步”按钮。

第二步：在出现的如图2的对话框中勾选“部署工具”和“Windows 预安装环境”两项。单击“安装”按钮，程序会自动下载并安装Windows ADK，由于文件体积较大，下载及安装过程可能会较长，请耐心等待。安装完毕，启动程序。

下载Win 8.1 Update补丁

Windows 8.1 Update是一组累积的系统更新，包括六个补丁文件，分别为KB2919442、KB2919355、KB2932046、KB2937592、KB2938439、KB2939087，一般情况下，打造WinPE 5.1映像我们只需用到前三个即可，当然，如果你目前拥有的Win 8.1安装光盘或镜像文件并非Update版，不妨将这六个补丁全部下载回来，以便以后可利用Windows ADK将其集成到Win 8.1安装镜像文件中，自行打造Windows 8.1 Update安装光盘，从而免去要重新下载Windows 8.1 Update镜像文件的麻烦。

六个补丁中的后五个的下载地址为http：//www.microsoft.com/zh-cn/download/details.aspx？id=42335（如图3），下载时，请注意根据当前所用的系统版本（是64位还是32位）下载对应的补丁。

KB2919442的下载地址为http：//www.microsoft.com/zh-cn/download/details.aspx？id=42135，它是其他补丁的安装基础，如果没有该补丁，我们将无法完成WinPE 5.1的打造工作。

生成WinPE5.1光盘镜像文件

假设Win8.1 Update补丁保存在“I：＼Update”目录。

第一步：启动“部署和映像工具环境”命令。按“Win”键进入Windows 8风格界面，右击“部署和映像工具环境”磁贴，在弹出的右键菜单中选择“以管理员身份运行”（如图4）。打开“部署和映像工具环境”命令窗口。

第二步：提取旧版的Win PE5.0文件。在“部署和映像工具环境”窗口中输入copype amd64 C：＼WinPE_amd64（其中C为系统分区，amd64为64位系统，如果你使用的是32位系统，可将amd64改为x86），回车后，相应的文件将被复制到“C：＼WinPE_amd64”目录中（如图5）。

第三步：挂载 Windows PE 映像。在“部署和映像工具环境”窗口中继续输入以下命令并回车。

Dism /Mount-Image /ImageFile："C：＼WinPE_amd64＼media＼sources＼boot.wim" /index：1 /MountDir："C：＼WinPE_amd64＼mount"

挂载成功，窗口中会出现“操作成功完成”的字样（如图6）。

第四步：将Win8.1 Update补丁集成到 WinPE 映像中。在“部署和映像工具环境”窗口中依次输入如下命令（注意：每输入一行都要回车。如图7）：

Dism /Add-Package /PackagePath：I：＼UPDATE＼Windows8.1-KB2919442-x64.msu /Image：C：＼WinPE_amd64＼mount /LogPath：AddPackage.log

Dism /Add-Package /PackagePath：I：＼UPDATE＼Windows8.1-KB2919355-x64.msu /Image：C：＼WinPE_amd64＼mount /LogPath：AddPackage.log

Dism /Add-Package /PackagePath：I：＼UPDATE＼Windows8.1-KB2932046-x64.msu /Image：C：＼WinPE_amd64＼mount /LogPath：AddPackage.log

第四步：优化、卸载WinPE 映像，最终生成ISO光盘映像文件。继续在窗口中输入以下命令（其中括号中的内容为命令行注释，无需输入）：

Dism /image：c：＼WinPE_amd64＼mount /Cleanup-Image /StartComponentCleanup /ResetBase （优化当前WinPE映像）

Dism /Unmount-Image /MountDir："C：＼WinPE_amd64＼mount" /commit （卸载当前WinPE映像）

Dism /Export-Image /SourceImageFile：C：＼WinPE_amd64＼media＼sources＼boot.wim /SourceIndex：1 /DestinationImageFile：C：＼WinPE_amd64＼media＼sources＼boot2.wim （压缩映像体积，生成新的boot.wim文件）

Del C：＼WinPE_amd64＼media＼sources＼ boot.wim（删除旧版映像中的boot.wim文件）

rename C：＼WinPE_amd64＼media＼sources＼boot2.wim boot.wim（将boot2.wim重命名为boot.wim）

MakeWinPEMedia /ISO C：＼WinPE_amd64 C：＼WinPE_amd64＼WinPE_amd64.iso（生成ISO镜像，以便刻录。如图8）。

打造WinPE 5.1维护光盘和U盘

至此，WinPE 5.1 映像的打造工作就已完成，接下来我们只需用UltraISO虚拟光驱工具（下载地址：http：//www.upantool.com/qidong/2011/UltraISO_v9.5.0.2800.html），将WinPE_amd64.iso文件刻录成维护光盘或U盘即可。

第一步：下载安装后运行程序，在出现的主界面中单击菜单“文件＼打开”，打开相应的对话框，选择刚才生成的WinPE_amd64.iso文件，确认后，文件及其内容将会出现在程序主界面中（如图9）。

微检测系统论文篇12

电磁步进电机的最小步距角可以做到124μrad,电磁伺服电机的最小步距角可以做到43μrad。获得更小的步距角一直为各国学者孜孜以求的目标,各种功能驱动元件几乎都曾被用来尝试精密旋转定位。超声电机是一种具有全新原理、全新结构的新型驱动器,它突破了传统的电磁电机的概念,无电枢绕组和磁路,不依靠电磁的相互作用来转换能量,而是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来获得驱动力,通过摩擦耦合转换成转子或滑块的运动[1]。与传统的电磁电机相比,具有惯性小,响应快,控制特性好,噪声小,断电自锁,不受磁场影响,本身不产生磁场,低速大转矩及可直接驱动负载等特性。超声电机作为一种全新的电机,其步进控制目前还处于探索发展阶段。浙江大学纪科辉等从具体实验中表明纵扭复合型超声电机具有高分辨率和步进特性,并证实在结构上无需作特别处理,超声电机的最小步距可以做到0. 005°[2]。南京航空航天大学孙志峻等的研究表明,行波型超声电机在适当的驱动信号作用且开环状态下,最小步距可以做到1. 2μrad( 此时转速为100 r/min)[3],但目前还难以保持运行的稳定性。

目前控制系统大多采用PC机与控制器相结合,使用通用操作系统,如windows操作系统。其优点在于能将PC机的开放性和信息处理能力与电机控制器的运转控制特性相结合,但整个控制系统成本高、硬件资源浪费严重、功耗大,而且windows系统存在延时性。本研究上位机的设计抛弃了传统的PC机,搭建了以触摸屏为人机交互工具的嵌入式上位机系统,以嵌入式技术为平台,利用其软硬件资源可定制的特性,开发了高可靠性、低功耗、高性价比的嵌入式微步距控制系统。

1 控制系统总体设计

采用了Cypress Microsystems公司的PSo C混合信号阵列芯片CYC28466作为电机主控制器。它抛弃了使用分立元件搭建驱动及控制电路,将频率发生、分频分相、死区和占空比设置、功率放大电路以及部分控制电路等整合到PSo C中,极大地缩小了驱动控制器的体积,提高了驱动控制器的稳定性、可靠性[4]。嵌入式上位机系统采用三星公司的S3C2440微控制器为核心,以Linux为上位机操作系统,选用Qt/Embedded为上位机软件开发工具。上位机的作用是发送控制命令到电机控制器、运行算法、接收微步距检测信号并生成相应图形。上位机与电机控制器的通讯采用的是UART。电机微步距检测,传统的做法是采用光电编码器加数字示波器组成的系统。本文采用了KEYENCE公司LK - H020型高速高精度CCD激光位移传感器作为超声电机微步距的检测装置。该传感器具有最快的采样速度 ( 50 k Hz) ,业界最高的精确度( ±0. 002% ) ,同类中最高的分辨率( 0. 01μm) ,有多功能控制器和简单易用的菜单式软件; 传感器探头的投光部配置了柱面镜头,从而实现了尖锐线束,将线束直径尖锐到极限( 25μm) ,从而实现了以往不能实现的高稳定检测;通过识别因目标工件表面状态的变化而产生的CMOS入光波形的不同,自动进行最佳的波形处理。类似金属细线以及树脂、橡胶等过去难以检测的工件,也可以无调谐的实现稳定检测。传感器检测反馈的信号通过上位机的处理,可生成相应的波形。总体设计如图1所示。

整个系统的工作过程为: 在触摸屏上点击相应按钮和输入参数,发送给嵌入式上位机,再通过上位机发送到PSo C控制器,控制器收到命令后,调用相应函数,控制电机执行相应动作; 与此同时,CCD激光位移传感器检测电机的运转数据,然后将数据反馈到嵌入式上位机,上位机经过相应处理,将步距波形显示到触摸屏上面,并且会根据一定算法智能的调整步距的大小。

2 系统硬件设计

将嵌入式技术应用到超声电机微步距控制系统设计的一大特点就是应用其灵活的软硬件可裁剪、可定制性,针对不同的对象,可设计与其性能要求相匹配的嵌入式系统硬件。

综合超声电机微步距控制的各项因素,系统的设计应实现以下要求:

1) 超声电机的步距角调整、电机运转频率调节、电机电压调节以及传感检测数据的处理都应该由嵌入式上位机统一处理;

2) 上位机应具有一款功能强大的嵌入式CPU,能够搭载合适的嵌入式系统,满足系统多任务和实时性的要求;

3) 能够提供友好的人机交互接口,支持触摸屏和操作面板,最人性化的实现操作者对超声电机的控制;

4) 能够提供丰富的接口资源,如串口、USB、网络接口以及各种标准总线接口,方便对外通信和系统开发初期调试;

5) 能对传感器反馈回来的数据进行高速处理,并实时的显示出来。

综合以上考虑对系统硬件进行了合理的选择和设计,系统硬件设计如图2所示。

2. 1 基于 PSo C 的超声电机控制器

电机控制器部分的驱动信号是由主控芯片PSo C内部的两个带死区发生16位可编程数字脉宽调制( PWM) 模块直接产生4路相位互差90°的功率方波信号,取代了原来驱动器中众多分立元件搭建而成的信号发生电路。该方波信号的高电平为5 V,管脚驱动电流为25 m A,可直接驱动MOS管完成直流逆变,最终产生超声电机所需要的驱动信号。驱动电压、频率等可在上位机软件中进行设置。孤极电压反馈电路用于实现电机的自动调频。

2. 2嵌入式上位机系统和传感检测反馈系统

嵌入式上位机和微步距检测部分根据硬件需要可自行定制。上位机与控制器的通讯采用的是串口,用一根交叉串口线将上位机的UART接口和控制器的UART接口连接起来。激光位移传感器与上位机之间用的是USB连接,一方面传感器通过USB将检测数据传递给上位机,由上位机进行数据处理,并将数据存入NAND FLASH中; 另一方面,上位机可发送相关配置信息到传感器,以便调节传感器的检测参数。如图2,上位机系统中扩展了网络接口,便于实现一对多( 一个上位机控制多个电机控制器)的控制模式。对于触摸屏,S3C2440提供了触摸检测模块、触摸控制模块和A/D转换模块,满足触摸控制的所有条件。

3 系统软件设计

嵌入式超声电机微步距控制系统的软件设计主要涉及两个部分,基于PSo C的超声电机步进控制程序设计和嵌入式操作系统搭建。

3. 1 基于 PSo C 的超声电机步进控制程序

PSo C Designer( TM) 是PSo C的传统软件开发环境,它是一款功能全面的基于图形用户接口( GUI) 的设计工具套件,使用户能以简单的点击对设计中的硅技术进行配置( 图3) 。在PSo C Designer的帮助下,用户可以采用C语言或汇编语言编写MCU的代码,还可用事件触发器和多断点等先进的特性对设计进行调试,同时还可以采用C语言、汇编语言或二者的结合,通过代码实现单步进。

PSo C芯片集成有8位和16位的通用PWM模块,根据超声电机的工作频段及频率分辨率的需要,采用16位的PWM模块并采用48MHz的系统主振频率作为模块的时钟源。由于采用推挽逆变电路,不允许两个串联的开关管同时导通的情况出现,这样会损坏开关管,因此不能使用50% 占空比的方波信号进行驱动[5],必须为两路驱动信号设置死区。出于以上情况的考虑,在PSo C芯片的内部分别利用3个数字模块配制了两个带死区的16位的PWM模块,它可直接产生4路互差90°的方波信号。通过对各个模块函数参数的调节,即可完成对PWM信号的频率、死区、占空比、相位差及电机启停的调节。

超声电机的步进是在超声电机的连续运转的基础上进行的: 将PWM模块产生的PWM波形按一定时间间隔分为n段,每段的脉冲波数一定,将每段的脉冲个数称为超声电机步进的单步波数。而且单步波数和时间间隔可人为调整,这样便可实现超声电机的步进。电机控制器与上位机的底层通讯协议程序是按照图4的通讯规约编写的,使用是PSo C中的UART模块,只需在程序中设定接收某个字符或数据便可调用相应的电机运转和设置程序,实现上位机对控制器的控制。通讯规约如图4。

完成以上代码编写,便可实现超声电机的正反转、步进、自动调频、与上位机通信等工作模式。

3. 2 嵌入式操作系统搭建

嵌入式系统软件层面的搭建流程( 由底层到应用层)如图5所示。

简单的说,bootloader是一段程序,它的作用就是加载操作系统,boot Loader( 引导加载程序) 是系统加电后运行的第一段软件代码。通过这段代码实现硬件的初始化,建立内存空间的映射图,为操作系统内核准备好硬件环境并引导内核的启动[6]。在设备的启动过程中,bootloader位于最底层,首先被运行来引导操作系统运行,很容易可以看出bootloader是底层程序所以它的实现严重地依赖于硬件,特别是在嵌入式系统。文中采用的是嵌入式系统中常用的U_boot,移植U _ boot时以S3C2410为模板。

Linux内核配置与编译的步骤为: 清除临时文件、中间文件和配置文件; 确定目标系统的软硬件配置情况,如CPU类型、网卡类型; 使用make menuconfig命令配置内核; 使用make z Image命令编译内核; 编译内核模块; 安装内核模块[7]。

根文件系统采用的是Busybox,直接使用的已编译好的根文件系统,安装到Linux系统上。

Linux设备驱动程序开发是一个很大的工程。本文编写了LED、按键、中断、定时、串口、触摸屏、网卡等设备的驱动程序。由于在开发阶段,这些设备的驱动程序还不稳定,所以将这些驱动程序以内核模块的方式安装到内核。

上位机控制界面的开发环境为Linux环境下的Qt/Embedded。与其他开发环境相比,其特点是: 良好的平台移植性[8]、良好的封装机制、丰富的API、信号与槽通信机制等。主要的界面模块有: 串口选择模块( 下拉框) ,按钮,文本输入模块,波形显示插件,其中波形显示插件使用的是第三方插件qwt_plot。界面如图6所示。

4 系统测试实验

实验使用南京航空航天大学大学自主研制的60型行波超声电机作为对象,对整个嵌入式超声电机微步距控制检测系统进行了测试实验。单步波数为20个,电机频率为38. 506 k Hz,外接电源电压为5 V,得到超声电机步进波形如图7所示。

横坐标为时间,纵坐标为电机步进位移。可以看出,系统不仅可以实现步距角较为稳定且单步时间较为均匀的超声电机的步进,还可以对超声电机的微步距进行精确的检测与显示。

5 结语

设计了一个嵌入式超声电机微步距控制检测系统,具有功能完善、软硬件可裁剪、实时性高、运行稳定、检测精确、操作简单、人机交互友好等优点。与传统的微步距控制检测系统相比,增加了嵌入式的应用,提高了检测精度。在后续的研究中,可进一步完善微步距的控制算法,提高波形显示的实时性。

摘要：设计了一种行波超声电机的嵌入式微步距控制检测系统,该系统分为三大部分:嵌入式上位机、电机控制器和检测系统。以ARM9微控制器作为主控芯片,将Linux系统和Qtopia图形界面移植到ARM微控制器上,作为整个控制系统的上位机和人机交互的工具;电机控制器使用PSo C芯片,上位机与电机控制器之间用UART进行通信;以基恩士激光位移传感器为核心搭建了微步距检测系统,对整个系统进行了测试。实验结果表明,此系统能实现超声电机精确的微步距控制和检测。

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