扩展模块论文（精选4篇）
扩展模块论文 篇1
1. mysqli扩展
在早期的版本中, PHP的mysql扩展提供了一个面向过程的接口来实现PHP与My SQL数据库的对接, 但mysql扩展并不支持后期My SQL服务端提供的一些新特性。
mysqli扩展, i代表Improvement, 也称为mysql增强扩展, 可用于配合My SQL 4.1.13或更新的服务端版本工作。mysqli扩展只能在PHP5和My SQL4.1 (或更高的版本) 环境中使用。mysqli扩展有一系列的优势, 相对于mysql扩展的提升主要有面向对象接口、prepared语句支持、多语句执行支持、事务支持、增强的调试能力、嵌入式服务支持等方面。
由于mysqli扩展的种种优势, 以及强大的面向对象开发技术, 在最新的PHP官方手册中, 推荐使用mysqli或者PDO_My SQL扩展来代替mysql扩展。
mysqli扩展模块包括mysqli、mysqli_result和mysqli_stmt三个类, 通过这三个类的搭配使用, 就可以连接My SQL数据库服务器和选择数据库、查询和获取数据, 以及使用预处理语句简化了重复执行的查询语句。[1]
2. 连接My SQL服务器
PHP程序与My SQL服务器进行交互前, 必须正确的连接。使用面向对象接口与My SQL服务器进行连接, 可通过mysqli类的构造方法实例化对象, 其构造方法的原型为:
class mysqli{
__construct ([string host[, string username[, string passwd[, string dbname
[, int port[, string socket]]]]]]) }
此构造函数与mysql_connect () 函数相似, 可接收同样的参数, 也全都是可选参数。参数分别为My SQL服务器主机名、My SQL登陆用户名、My SQL登陆密码、默认使用的数据库名称、My SQL服务器端口号、套接字文件, 后两个参数很少使用, 一般不进行设置。若不提供所有参数, 则需要调用mysqli对象中的connect () 方法和select_db () 方法去连接My SQL服务器以及选择默认数据库, 该构造函数返回一个mysqli对象。
3. 执行SQL命令
3.1 query () 方法
对于PHP程序与My SQL数据库的交互, 最常用的方法将SQL语句传递给是mysqli类中的query () 方法, 对于INSERT (插入) , UPDATE (更新) , DELETE (删除) 等不会产生返回值的SQL命令, query () 方法在执行成功后, 会返回TURE。而通过mysqli对象中的affected_rows属性可以获取有多少行数据受到影响, 以及通过insert_id属性可获取最后一条插入语句的行号。
而对于selece (查询) 命令, query () 方法会返回一个结果集, 常使用mysqli_result类的对象的成员方法fetch_assoc () 和fetch_row () 是来接收结果集。
3.2 multi_query () 方法
在mysqli扩展模块中, mysqli对象的成员方法multi_query () 方法可以一次性执行多条SQL命令。实现方法是将多条SQL命令写在同一条字符串中 (命令之间用分号隔开) , 作为参数传递给multi_query () 方法, 如果第一条SQL命令执行成功, 则multi_query () 函数返回TRUE, 否则返回FALSE。通过store_result ()
函数获取multi_query () 函数执行查询的记录。一次只能获取一个SQL语句的执行结果。通过next_result () 函数判断下一个SQL语句的结果是否存在, 如果存在, 返回TRUE, 否则返回FALSE。
3.3 预处理语句
在与数据库进行交互式时, 经常需要重复执行除参数以外, 其他部分完全相同的SQL语句, 针对这种情况, My SQL从4.1版本开始提供了一种名为预处理语句 (prepared statement) 的机制。它将结构相同的SQL语句向My SQL服务器发送一次, 服务器对该命令只分析一次, 之后, 可以用不同的参数, 多次执行。这种方法不仅减少了传输的数据量, 而且还提高SQL语句的处理效率。。
4.“校宿购”后台系统的功能及设计
4.1 后台系统功能介绍
后台系统的功能分为新增商品、订单管理、商品推荐、删除商品、留言回复等。为了防止非法用户访问后台系统, 本系统中在后台管理的每个文件中都设置用户的判断, 如果不是管理员用户则无权访问管理页面。这样就避免了非法用户通过直接输入管理页面网址进行访问的情况, 提高了系统的安全性。
4.2 业务流程图
4.3 数据库交互技术介绍
在后台系统中, 几乎所有的功能基于对数据库的访问。本系统使用的数据库是My SQL数据库, 而利用mysqli扩展模块可以非常方便的与My SQL数据库进行交互, 特别是其中的mysqli_stmt类, 在进行重复性的添加商品时, 能减少相当的传输数据量。mysqli_stmt类的prepare () 方法可在创建mysqli_stmt对象的同时, 准备好要执行的SQL语句, 而在这条SQL语句中, 有关参数都需要用占位符”?”替换, 如此, 这条带参数的语句便存放在了My SQL服务器上, 但是还没有被执行。
下一步是绑定参数, 使用mysqli_stmt () 对象的bind_param () 方法, 将预处理语句中的占位符与一些PHP变量绑定。其中bind_param () 方法的第一个参数是必需的, 且用特定字符表示占位符所代表的参数的数据类型, 这些特定字符有i、d、s、b, i表示所有INTEGER类型, d表示DOUBLE和FLOAT类型, s表示所有其他类型 (包括字符串) , b表示二进制数据类型 (BLOB、二进制字节串) 。
绑定的PHP变量一一赋值之后, 便可调用mysqli_stmt对象的execute () 方法, 执行存储在My SQL服务器上的SQL命令。在使用完mysqli_stmt对象后, 使用close () 方法释放这个对象。
以下是添加商品信息的方法代码:
mysqli预处理语句有更高的执行效率和安全性, 因为mysqli是将用“?”代替参数的SQL语句事先缓存在My SQL服务器上, 而后, 只向服务器传递SQL语句的参数, 绑定不同的参数后即可反复执行。此外, mysqli预处理语句在传递绑定参数的时候, 无论参数的值是什么, 即使参数本身就是SQL语句, 也只是当做字符串来处理, 这就防止了数据库SQL注入的危险。[2]
5. 结束语
mysqli扩展较于早期的mysql扩展有一系列的优势, 执行效率更高, 并且它的面向对象接口可以使程序更容易阅读和理解, 使访问数据库变得更加稳定。希望本文可以给读者提供帮助。
摘要：本文介绍了PHP的mysqli扩展模块的一系列优势, 并结合实例, 探究mysqli扩展在与MySQL服务器进行交互时的各种用法。
关键词：mysqli扩展,面向对象,预处理语句,后台系统
参考文献
[1]高洛峰《细说PHP》电子工业出版社2009-10-1:465
[2]周建儒mysqli预处理语句的技术分析《电子技术与软件工程》2014年17期:218
[3]MySQLi_STMT类.[OL]http://cn2.php.net/manual/zh/class.mysqli-stmt.php
扩展模块论文 篇2
关键词：化工生产过程,技术改造,控制器,光纤扩展模块
1 引言
DCS(Distributed Control System),又称为集中分散型控制系统,简称集散控制系统。集散控制系统是集计算机技术(Computer)、控制技术(Control)、通讯技术(Communication)和CRT显示技术为一体的高新技术产品。具有控制功能强、操作简便和可靠性高等特点,可以方便的用于工业装置的生产控制和经营管理,是针对生产过程实施监视、操作、管理和分散控制的4C技术的结合。在化工、电力、冶金等流程自动化领域的应用已经十分普及[1]。
过程控制涉及工业生产各个领域,不同的工艺过程控制有不同的要求。但总的归纳起来有三个方面的要求:安全性、经济型和稳定性[2]。
2 HONEYWELL EXPERION PKSC300系统简介及体系结构图
EXPERION PKS过程控制系统是HONEYWELL最新一代过程自动化系统,它的功能高于一般的集成控制系统,其中嵌入式决策支持和诊断技术,为决策者提供了所需信息,其安全组件使安全环境独立于主控系统,也提高了系统整体的安全稳定。
在每套EPKS系统中,服务器均为冗余配置(兼OPC服务器),有效存储数据库信息,操作站选择了FLEX和CONSOLE站,确保在服务器故障的情况下CONSOLE仍能正常读写数据,同时FTE在商用以太网技术上结合霍尼韦尔设计的鲁棒的控制网络的专长,成为霍尼韦尔专利的、先进的控制网络解决方案,避免了因单点故障而引起的系统瘫痪,大大提高了系统性能。
HONEYWELL EXPERION PKS C300系统体系结构图参见1。
从上图可以看出C300控制器支持连接C系列I/O卡件或PM I/O卡件,每个控制器有2个IOLINK为冗余配置,在同一控制器下不同的I/O卡件不能混用。
3 光纤通讯在C300系统中的应用
在化工生产过程中经常遇到技术改造工作,增加一些DCS系统的软硬件,在不增加控制器同时减少现场施工电缆费用的情况下,将扩展机柜及卡件置于现场操作室是较为合理的选择,由于本地及远程站点距离相对较远,不可避免的需要光纤连接。光缆主要分为两大类,单模式(直径5μm)和多模式(直径50μm)。根据光缆的不同光纤扩展(Fiber Optic Extender简称FOE)模块也在多模和单模间选择。
3.1 多模光纤扩展模块应用[3]
多模光缆可以在单根或多根光缆上同时携带几种光波,这种类型的光缆通常用于数据网络。多模光纤扩展模块支持C系列I/O卡件和PM I/O卡件,每一个FOE模块带有两对光信号接口和一个电信号接口,这些端口用于连接本地柜和远程的I/O站点。如果只存在一个远程站点,本地柜内的第二对光信号接口不需要用,当存在两个以上远程站点时可在本地机柜内安装多个FOE模块扩展使用。
远程站点为C系列的I/O时两侧均使用型号为8937-HN的FOE模块连接,并配有型号为8939-HN的6’IOTA底板供电,电信号接口与主、从站I/OLINK间采用两种不同颜色的0.5 m电缆连接(灰色电缆型号CC-KFSGR,紫色电缆CC-KFSVR),远程站点为PM I/O时,远程站点需安装型号为MC-IO LX0 2的光纤扩展模块连接,采用两种不同颜色的0.5m电缆连接(灰色电缆型号CC-KFPGR,紫色电缆型号CC-KFPVR)。
C系列I/O的最大扩展距离为4KM,每段光纤电缆的长度必须小于1.5KM,每个FOE(除本地站点)减去一个额外的0.25KM,PM I/O的最大扩展距离为8KM,每个FOE(除本地站点)减去一个额外的0.5KM。扩展可采用星形、菊花链形或两种相结合的混合型方式连接。
C系列I/O的连接方式参见图2,P M I/O的连接方式参见图3。
根据配置规则,图2中F≤1.5KM,F+0.25≤4KM,A+0.25+B+0.25≤4KM,C+0.25+D+0.25+E+0.25≤4KM;图3中C+0.5≤8KM,A+0.5+B+0.5≤8KM
3.2 单模光纤扩展模块应用
单模光纤较多模光纤数据传输的速度更快,并且距离也更远。单模光纤I/O扩展支持的最大距离为10KM。
单模光纤扩展模块有一个光信号接口和一个电信号接口,与多模光纤不同目前仅支持C系列I/O模块并且只支持一对一的通讯,单模光纤扩展模块根据不同的电源供电方式,可以选择安装在IOTA板上也可以安装在导轨上,具体参见图4。
由于单模光纤扩展连接方式相对简单,在本文中不再赘述,下面是两种典型应用连接方式图以供参考。
安装在IOTA板上的单模光纤扩展模块连接方式参见图5。
安装在导轨上的单模光纤扩展模块连接方式参见图6。
4 结束语
Honeywell公司的EPKS C300 DCS控制系统,融入霍尼韦尔数十年的过程控制、资产管理、领域专家的经验,融合最新控制和现场总线技术。EPKS系统光纤扩展模块已在多个大型化工企业的实际生产过程中得到了很好的应用,在设备分散的情况下实现了系统集中控制的目标,并且取得了良好的经济效益。
参考文献
[1]《工业自动化仪表与系统手册》编辑委员会.工业自动化仪表与系统手册下册[M].北京:中国电力出版社,2008:1269.
[2]张井岗.过程控制与自动化仪表[M].北京:北京大学出版社,2007:8.
扩展模块论文 篇3
模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter,M3C)是一种新型级联H桥型AC-AC功率变换装置[1],不仅具有易扩展、高可靠性、低谐波和可四象限运行等特点,而且能节省移相变压器和大容量滤波装置。M3C克服了传统矩阵变换器缺乏中间储能元件和电压传输比为0.866的限制[2],通过模块化可应用于高电压、大功率等级,作为功率变换核心设备在风电等大规模可再生能源的柔性接入与互联[3]、远距离低频或分频输电[4,5]、电力牵引[6,7]及变频调速[8,9,10]等领域得到越来越多的关注。
M3C每个H桥子模块单元都是强非线性、多变量耦合系统,并且M3C存在9种环流路径[11],所以子模块直流侧电压均衡和电流控制是M3C拓扑研究的重点和难点。M3C稳态运行时,子模块交/直流侧因无功交换而产生受4种固有频率影响的电容电压波动[12],低频率功率波动导致电容充(放)电周期变长,波动幅值趋大,不利于系统正常运行;M3C低频运行时需抑制输出二倍频电容电压波动,对应的电流(电压)控制量与输入/输出相电压(电流)耦合产生频率更为复杂的纹波电压,其中当输出/输入频率比接近1/3时,差频(输入频率与输出三倍频之差)电压波动趋于无穷大阻断了M3C低频率的连续运行[13,14]。实际上关于M3C输出/输入频率比等于或接近1/3时低频率连续运行频率范围的问题研究对于M3C拓扑的推广与应用有重要的实际意义。文献[6]将3×2阶M3C应用于输出频率为50/3Hz的无变压器铁路供电系统中,取得良好的经济效益。文献[4,15]将M3C功率变换技术拟应用到低频输电(如1~20 Hz)或分频输电(50/3Hz)中以显著提高交流线路输电容量。文献[16]将M3C应用到大功率电机调速领域,可解决MMC低频大功率场合需叠加额外功率的应用局限[17]。上述M3C应用仍需克服1/3频率比所带来的低频连续运行范围受限的问题。
目前国内外研究多集中在建模仿真与解耦变换等方面,但对低频连续运行问题探讨较少。文献[1]提出输出/输入频率比等于1/3的特例工况时,桥臂功率中的差频功率变为对称有功分量会造成桥臂有功功率难以独立平衡的问题。文献[13]从3×3阶M3C的行、列两种控制维度,通过双αβ变换将9种环流量解耦成4种独立电流量,并改变4种电流瞬时值来开环抑制输出二倍频和上述差频纹波电压,但该电容电压解耦变换暂无法直接反馈控制电容纹波电压,电流解耦变换也难以反映固定矢量组合桥臂之间的环流信息,会影响内部环流的反馈抑制。
本文提出一种基于电容电压分层解耦控制和桥臂电流独立控制的M3C控制方案:电压外环通过直接反馈控制输出二倍频纹波电压(或瞬时功率),并闭环实现电流指令重构,消除了1/3频率比及其附近的不连续工作点,提高了M3C低频率连续运行频率范围;电流内环采用桥臂电流直接反馈控制,可以实现输入/输出电流的间接解耦控制。最后本文通过半实物实验验证了该方法的有效性。
1 M3C基本原理
如图1为典型3×3阶M3C拓扑结构,9个桥臂支路均由N个H桥子模块和一个电感L级联而成,子模块电容值为C。
图1中udjxy为xy桥臂第j个子模块电容电压的开关周期平均值,θ和φ分别为输入/输出功率因数角,α为交流两侧相电压初始相位差,σx和σy分别为输入/输出相电压或电流的对称相位角。下标x=a,b,c和y=u,v,w。各电气量正方向如图1所示。设输入/输出相电压(电流)为三相对称正序正弦波,可表达为:
假设M3C各桥臂支路电气参数对称,稳态时各子模块电容电压相等,取值为ud,即,桥臂支路子模块直流侧总电压为udc=Nud,各子模块静态占空比设为Dxy=(ux-uy)/(Nud)。
理想情况下,桥臂电流、输入/输出相电流分别为:
忽略桥臂电感压降,桥臂端电压近似满足:
以受控源形式表示桥臂交流端口输出电压,可得简化的输出y相M3C结构如图2所示。
由图2可见,y相桥臂结构相似且相互独立,对y相桥臂电流控制方法可以应用到三相M3C中。
2 低频率工况下M3C电容电压波动对比分析
下面分析M3C输出低频率运行时三种不同控制方法下的电容电压波动,对比说明M3C低频率连续运行存在的问题及本文方法的可行性。
1)方法1:电容纹波电压处于不控状态,即采用传统MMC电容电压平均值(或直流量)反馈控制模型,仅调整各子模块直流侧有功功率平衡,即满足:
在式(6)的基础上,由各子模块交/直流侧瞬时功率守恒可得稳态情况下其电容电压波动,如附录A式(A1)所示,从能量角度可以看出:桥臂功率pxy中各频率成分均能够影响电容电压波动大小;中各频率成分也能够反映出pxy的变化规律。其中由输出相电压、电流作用形成的波动功率耦合到桥臂直流侧,会激发出输出二倍频电容电压波动为:
由文献[12]电容电压稳态分析知,为系统固有的4种电压波动之一,因频率成反比,当ω2→0(即)时,子模块电压波动幅值关系有,说明在M3C低频率运行时,各子模块2ω2频率电容电压或其瞬时功率的不控状态将限制方法1的应用。对于电压电流双闭环系统,方法1下的电压外环可看作仅电容电压直流量反馈可调的电压源,记方法1下子模块电容电压波动为
2)方法2:采取抑制措施。
由于源自输出波动功率参与输出相间功率交换。因此在方法1有功平衡的基础上,方法2以主动抑制在输出相间的低频率交换为基本思路[13,18],对进行控制。选用输入功率uxix中ix的有功分量作为控制量,以xy桥臂为例,输入有功电流控制量设为,桥臂瞬时功率变为:
由式(8)中抑制关系得:
由式(9)得,幅值包络线实际跟随,所得ω1±2ω2两种频率电流分量幅值相等,即在抑制方面作用相当,且均为环流量不影响输入/输出侧;适用于输入/输出任意功率因数工况,可以解决文献[13]类似电流控制量(αβ坐标系下)不适用于输出无功工况的问题;此时方法2电压外环可看作电容电压直流量和幅值可调的电压源。假设环流与桥臂交流端口电压作用形成的环流功率为,padd耦合到桥臂直流侧将产生电容电压波动,即
由式(10)可知,环流功率padd激发的2ω2频率纹波电压可用来抵消系统固有的,其中,即在抵消方面等价;环流功率padd还将不可避免的激发其他频率电压波动,其中ω1-3ω2,ω1-ω2和2(ω1-ω2)差频性质纹波源于由所形成的环流功率成分。当ω2在[0,ω1]区间由0单调递增至ω2→ω1/3时,ω1-3ω2将取代2ω2成为最低波动频率,在环流功率幅值一定的情况下,ω1-3ω2频率与其电压波动幅值的反比例关系导致,即输出频率ω2=ω1/3成为[0,ω1]区间内M3C的一个不连续频率工作点,因此在ω2=ω1/3及其附近会阻断M3C低频率连续运行,严重制约了方法2的应用范围,这是方法2存在的主要缺陷。M3C应用于分频输电(50/3 Hz)、变频调速等特定频率或较宽输出频率范围领域时迫切需要抑制。记方法2下子模块电容电压波动为
3)方法3:采取同时抑制的改进措施。
对于可采用两种类型的抑制措施:①间接措施是依据式(10)中ω1-3ω2频率电压或瞬时功率分布规律调整输入相间的ω1-3ω2频率功率交换,但采用输入(输出)频率的电压(电流)作控制量会耦合产生其他差频性质纹波频率,如ω1-5ω2,2ω1-4ω2,ω1-ω2等,反而增加了更多不连续频率工作点而恶化低频率运行工况,这也是系统固有ω1-ω2差频电压波动[12]难以抑制的限制因素。②直接措施是根据稳态时Δix1xy-与输出电压作用形成的低频率环流功率会激发ω1-3ω2频率纹波电压的特征,消除Δix1xy-并保留Δix1xy+,该方法保持了M3C低频率运行的连续性,避免在不连续工作点附近的来回控制切换;按照式(9)直接叠加Δix1xy+的开环方法,需要涉及输出功率因数、输入/输出相电压夹角以及电压电流幅值与频率等信息的实时检测,实现难度较大,为此本文提出一种基于电流重构的直接抑制措施,可闭环合成所需的Δix1xy+。
首先将Δix1xy±按照图1所示3×3阶M3C矩阵的行列展开,得到9个桥臂电流中Δix1xy+和Δix1xy-两种电流成分的表达式,如附录A式(A3)所示。由相位矩阵M1和M2可得Δix1xy中的Δix1xy+和Δix1xy-排列规律为:二者在ay/by/cy方向上均为正序分布,在xu/xv/xw方向上分别为负序、正序分布;在au/cv/bw,bu/av/cw及cu/bv/aw三组特定桥臂组合中均有:Δix1xy+为正序,Δix1xy-为零序。根据Δix1xy+和Δix1xy-在不同输出相桥臂之间的错位对称分布,可提取并消除特定桥臂组合中Δix1xy的零序分量Δix1xy-得到Δix1xy+,无需通过复杂的正负序等坐标变换或附加额外的陷波器等专门提取Δix1xy+。因此定义上述三组特定桥臂组合中Δix1xy的零序电流分量Δix1xy-为:
利用Δixy+x1替换Δixyx1以补偿Δixyx1在抑制方面的作用,按照式(11)重构Δixyx1为Δixy′x1,最终以3×3阶M3C矩阵的行、列展开,得到Δixy′x1控制规则为:
显然,重构电流Δixy′x1中不含ω1-2ω2频率分量,对应的纹波电压不含ω1-3ω2频率成分,即方法3在保持正常抑制(即方法2)的基础上,既消除了M3C在ω2=ω1/3附近的不连续频率工作点,又避免增加新的频率断续点,使M3C在整个低频率段可连续运行,此时电压外环可看作电容电压直流量和幅值可调、主动可控的电压源。方法3下的子模块电容电压波动为
3 M3C控制方法
3.1 M3C解耦控制方法
文献[18]应用传统模块化多电平分层解耦思想,在abc坐标系下对M3C进行了详细的控制分析,基本原理是将外电路对子模块直流侧的影响看作受控电流源,桥臂电流分解为输入/输出电流成分和内部环流成分,通过控制桥臂电流内环中输入电流的三种对称分量(从M3C行和列角度)调整三相整体、相单元及桥臂单元三级功率平衡。但该文献仍然面临方法2存在的问题,本文在此基础上提出一种通过调整输出相间平衡实现电流指令重构的控制方案,在附录A分析了重构电流对分层控制的影响。
方法3是建立在M3C有功功率已平衡的基础上,为将其进一步结合到实际输出相间有功平衡控制中,需假设Δix1xy′中的Δix1xy分量仍含有与ux同频同相的有功电流成分,以调整各相桥臂的有功功率分配。从而Δix1xy′中除含有ω1+2ω2频率电流量以消除ω1-3ω2频率纹波电压外,还含有ω1频率的有功电流分量以控制输出相间电容电压均衡。由附录A中M3C控制量的选取原则可得,实际控制中令桥臂电流ixy可分解为:
式中:ixP,Δix2xy均为输入电流有功分量。
设定ixP,Δix1xy′和Δix2xy分别用于调节M3C三相整体、输出相间及桥臂间的功率平衡。为避免桥臂电流中环流成分影响输入/输出侧,须满足环流约束条件:
由附录A解耦约束分析得,ixP,Δix1xy′和Δix2xy相互独立且环流成分满足约束条件。结合式(4)和式(13)可知:有效控制桥臂电流ixy既可独立控制桥臂电流中的输入/输出相电流、内部环流三种电流成分,也可实现输入/输出相电流的间接解耦控制。
将各电流控制量代入式(8),可得M3C总有功功率、输出相间及桥臂间功率分配的表达式分别为:
式中:Ism,ΔIxysm1,ΔIxysm2分别代表ixP,Δix1xy′,Δix2xy的幅值;ph1为频率为2ω1的功率成分;ph2为主要频率为ω1±ω2,2ω1,ω1+3ω2和2(ω1+ω2)的功率成分。
结合式(15)—式(17)和附录A功率控制约束分析可得:电流重构不影响三个层次有功功率控制的独立性,各层电容电压可以实现解耦控制,其中Δix1xy′可同时调节输出相间有功功率和2ω2频率功率交换,并能直接控制,实现了电容电压平衡与方法3的统一控制。
3.2 基于电流重构的M3C控制实现
本文M3C控制方法通过电压电流双闭环控制系统实现,以u相为例,如图3所示,系统分为多层次电容电压平衡控制和桥臂电流控制,其中电流重构方法结合在相间平衡控制中,图3中省略的子模块电压均衡控制与MMC方法类似。uxyAV,uyAV和uallAV分别代表xy桥臂、y相桥臂和三相桥臂所有子模块电容电压的平均值,上标ctrl代表控制器输出,星号代表指令值,iy*为负载条件决定的输出相电流指令,取输入相电压相位信号cosx为ux/Usm。本文在桥臂电流中叠加有功电流前馈指令用以提高系统动态性能,幅值为:
对应式(15)—式(17)设计的三级电压外环中,三相整体及u相桥臂间平衡控制均采用电容电压直流量反馈,可设计为PI调节器;而相间平衡控制因涉及电容电压纹波抑制,本文采取直流量和低频纹波电压混合反馈,反馈通道无需滤除低频纹波,避免了低通滤波器(LPF)在ω2→0工况下的设计难题[18],为降低甚至消除稳态控制误差,相间平衡控制器设计为PI和PR并联的复合控制器,其传递函数为w(s)=Kp+KI/s+Krs/[s2+(2ω2)2],复合控制器输出功率参考中含有准确的低频纹波功率信息,经电流重构消除不连续频率工作点ω2=ω1/3后可得到相比开环方式[13]更为准确的电流指令,使M3C在整个低频率段(含ω2=ω1/3及其附近频率)能够连续运行。电压外环输出作为桥臂电流指令,经电流控制器最终产生xy桥臂PWM占空比信号dxy,通过载波移相PWM发生器实现各H桥子模块的开关控制。
4 仿真计算分析与半实物实验验证
下面结合M3C低频率工况时电容电压波动与频率关系的仿真计算分析,对本文所提控制方法进行半实物实验验证,其中控制器由Rtlab OP5142模拟系统实现,10kW M3C主电路由ML605目标机模拟,两者同步互联,对应的丰富IO口方便实现电压电流等反馈及控制。电路与实验条件为:桥臂子模块数N=4;串联电感L=10mH;子模块电容C=2.4mF;输入频率f1=50Hz;输入交流侧电压幅值Usm=311V;输出交流侧电压幅值Urm=400V;额定输出相电流Irm=17A;子模块电容稳态电压ud=200V;PWM载波频率fca=5kHz;额定功率PN=10kW。
1)仿真计算分析。按照文中M3C低频率工况下电容电压波动的理论分析,为观察M3C稳态时输出频率变化对电容纹波电压幅值的影响,对比分析方法1,2和3的三种电容电压波动
为不失一般性,设定输出额定有功电流工况,并选取2ω1频率纹波电压幅值为基准值,得到电容电压波动幅值的相对值如图4所示。可以看出:当ω2→0时(即)时,方法2和3相对方法1纹波电压幅值显著降低,两种方法在抑制方面效果相近;随着ω2增大至ω2→ω1/3时,方法2纹波电压幅值趋于无穷大,而方法3仍可以有效抑制ω1-3ω2频率纹波电压,使得电容电压波动幅值低于方法1和2,因此方法3可消除ω2→0和ω2→ω1/3附近的不连续工作点而显著增加整个低频段的连续运行区间,但方法1和2难以实现相同效果;随着ω2进一步增大,当ω2→ω1时ω1-ω2频率纹波成为主导波动,且由输入/出电压电流交叉耦合产生的低频功率所激发,其产生机理及抑制策略异于输出频率为低频工况[12],三种方法均无法有效抑制ω1-ω2频率纹波,需另行处理[14],目前M3C控制难以做到ω2∈[0,ω1]各频率纹波电压统一抑制。当时,上述差频纹波将变为高频率波动,对系统连续工作影响不大[12,14]。为避免混淆,本文研究2ω2和ω1-3ω2为低频率时不连续运行工况,重点抑制ω1-3ω2纹波电压以扩大低频率运行频率范围,故选取ω2/ω1∈[0,0.5],此时
以上仿真结果与前述电容电压波动分析的理论相符。
2)半实物实验验证。为验证本文所提方法的有效性,参照前述电路与实验条件,对下列5种工况进行验证。
工况1:在输出额定有功电流条件下,M3C输出5Hz(接近0Hz),t=0.45s时由控制方法2切换至方法3。
工况2:在与工况1同等条件下,M3C输出16Hz(接近50/3Hz),t=0.9s时由控制方法2切换至方法3。
工况3:M3C输出25Hz,采用方法3且含前馈电流(式(18)),t=0.2s时输出侧由额定感性无功电流切换至有功电流。
工况4:M3C输出25Hz,采用方法3但不含前馈电流(式(18)),t=0.2s时输出侧由额定感性无功电流切换至有功电流。
工况5:在输出额定有功电流条件下,M3C输出50/3Hz的特例工况。
工况1和2的实验波形如图5和图6所示,工况3—5的波形如附录B图B1—图B3所示。
对比工况1和2得:方法2和3切换平滑,当时二者纹波电压抑制效果相近,电容电压幅值为2ω2频率包络线,与桥臂电流趋势一致,方法3相比方法2包络线内部波动频率更高,加速了2ω2频率功率的交换,有效抑制了低频纹波;当ω2升至接近ω1/3时,方法3较方法2明显抑制了ω1-3ω2频率电压波动,总电容电压波动下降了约65%,输入相电流的正弦度更高,使M3C在ω1→ω2/3时能连续运行。
由工况3和4得:M3C可稳定运行在输出为25Hz工况,叠加有功电流前馈指令(式(18))后,功率突变时电容电压和输入相电流控制的动态响应速度显著提高;额定无功或有功稳态时电容电压波动始终在5%以内,剩余的纹波电压频率主要为ω1-ω2。
由工况5得:在ω2=ω1/3特例时,方法3可有效控制ω1-3ω2频率(直流量)成分功率或电压,M3C电容电压、输入/输出电流控制性能优良。
上述实验结果验证了理论分析、仿真计算分析的有效性,表明本文M3C控制方法在不影响子模块直流侧有功平衡的基础上消除了ω2→0,ω1/3附近的不连续频率工作点,使M3C在整个低频率段可连续运行。
5 结语
当输出频率ω2→ω1/3时,M3C不能连续平稳跨越ω2=ω1/3及其附近频率点,并且存在2ω2频率纹波电压连续抑制被阻断的问题。为解决该问题,本文提出一种基于电容电压分层解耦控制和桥臂电流独立控制的M3C控制方案。电压外环通过复合控制器直接反馈控制输出相间的2ω2频率纹波电压(或瞬时功率),并闭环重构相间平衡控制电流指令,在不影响子模块直流侧有功平衡和2ω2频率纹波电压抑制的基础上,消除了1/3频率比及其附近的不连续工作点,提高了M3C低频率连续运行的频率范围。电流内环采用桥臂电流反馈控制,避免了复杂的解耦变换,可实现了输入/输出相电流的间接解耦控制。本文最后通过半实物实验验证了该方法的有效性。
扩展模块论文 篇4
1 基本功能和整体方案
1.1 基本功能
本系统以小型化和数字化为研究目标,实现系统模块化设计。系统设计的基本功能是制作一套4通道超声检测模块,在模块内部每一个通道可独立工作,包括单路超声探头的高压脉冲激励、信号的隔离限幅。同时,4个通道的超声回波信号经过带通滤波、信号放大、A/D转换后以并行的方式同时进入数据处理单元。其优点是:(1)提高了模块的集成度,减少了元件数目,大大减小了模块的尺寸大小,方便以后的硬件扩展;(2)提高了数据吞吐率。把整个系统的最小采集模块设计成4通道,以便在有大量通道时,系统将可按照4通道为一个单位将所有的通道轮询一遍,从而使得系统采集超声回波信号的时间比单路选通的时间缩短4倍,使系统的数据吞吐率大大增加。
1.2 整体方案
系统整体设计框图如图1所示,分为三个部分:采集卡前端、采集卡接口、采集卡后端。采集卡前端主要为超声波信号的发射与接收电路,该电路的核心包括高压激励信号的产生,超声回波信号的隔离、限幅、缓冲电路以及4通道模拟开关。采集卡前端为硬件可扩展设计,即整个系统搭建完成之后会有多块采集卡前端板卡连接在采集卡接口部分;采集卡接口部分完成连接采集卡后端与多个采集卡前端的任务;采集卡后端实现超声回波信号的放大、带通滤波、A/D转换、数据预处理以及数据融合并传输的功能。
2 功能设计与实现
2.1 硬件扩展的设计思路及实现方案
本系统硬件扩展有并联和串联两种方式。并联式扩展的实现方法是将采集卡前端、采集卡接口、采集卡后端中的模拟信号数字化部分集成在一起,以并联的方式将A/D数据接口接入FPGA中。并联扩展方式的优点:
(1)各个通道之间相互独立工作(包括超声探头的激励与超声回波信号接收)。这一点也可作为超声波相控阵技术的基础。
(2)因为没有了分时复用,大大增加了系统的数据吞吐率,使整个系统的实时性得到了提高。
同时,并联扩展方式的瓶颈和缺点也非常明显:
(1)系统的最大通道数受制于FPGA的逻辑单元数、可用I/O管脚数、片内存储器资源。
(2)系统的功耗、电路板的面积、成本随着通道数的增加而成倍地增加。
而串联式扩展是利用一块采集卡后端与多块采集卡前端通过采集卡接口达到对超声回波信号分时复用的目的。
串联扩展方式减少了器件的数量,提高了系统的集成度。在这种扩展方式下,系统按照4路一组的方式分时轮询所有通道,在满足多路超声波回波信号处理实时性要求情况下,系统的通道数会受到一定的限制。但本系统还是选择串联式扩展方式搭建整个系统。
2.2 FPGA功能实现
FPGA是本系统的核心处理器之一,其功能包括LVDS高速数据接收、超声回波信号数据存储、ARM与FPGA之间总线模拟、A/D转换器的控制以及超声探头高压激励控制信号的产生。
FPGA内部需要协调A/D转换器、高压激励控制信号以及RAM读写时序。以单路为例,其中A/D转换器采样的时序控制是核心。A/D转换器的控制要与超声回波信号同步工作,即当ARM给出“采样开始”信号时,FP-GA控制图中Pulse模块产生一个持续1μs的脉冲驱动采集卡前端的负高压窄脉冲产生电路激励超声探头产生超声波,同时打开A/D采样功能并与双口RAM协同工作将超声回波信号的数字量存储起来。当存储完毕后再由A/D控制模块给出一个“采样结束”信号,标志此次采样的完成。对于本系统所完成的4路超声回波信号处理模块只需要另外添加3个Ultrasound_Data_Block模块和一个8 bit宽的数据选择模块就可方便实现扩展。
FPGA单路模块如图2所示,图中的Ultrasound_Data_Block模块负责LVDS高速数据接收、超声回波信号数据存储、ARM与FPGA之间总线的搭建。
为实现系统的高集成度,本系统所用A/D转换器为LVDS输出。低压差分信号(LVDS)是高速、低电压、低功率、低噪声通用I/O接口标准[3],同时LVDS信号数据输出采用双边沿采样,在100 MHz的采样频率下,4路LVDS数据输出均高达400 MHz。LVDS串行数据需要转换为并行8 bit数据以用于存储和传输,在FPGA内部完成数据串行转并行的工作由图3中AD_LVDS模块完成。其中DCO是LVDS时钟入,FCO是帧同步LVDS输入,D是数据LVDS输入,Data_8b是8 bit A/D采样数据并行输出,CLK_Frema_out是并行数据的同步时钟,用于为后级提供时钟信号。
超声回波信号的存储在本系统中选用双口RAM来实现。双口RAM通过Xilinx12.4的Core Generator中的IP核产生,对应于图3中的Dual_ram。其中双口RAM的A口(地址线addra、数据总线dina、写使能信号wea、时钟信号clka)负责将超声回波信号写入到双口RAM中,B口(地址线addrb、数据输出总线doutb、时钟信号clkb)则负责通过ARM和FPGA之间的总线连接传输数据。
ARM与FPGA之间的总线处理模块如图3中ARM_bus所示。图中由ARM提供的信号:arm_hclk(时钟信号)、arm_n OE(使能信号)、arm_n GCS(片选信号)、arm_add_bus(地址总线)、ram_data(数据总线)通过FPGA的高速I/O口与外部的ARM相连实现数据的交换,而ram_clk、arm_data_bus、ram_add则连接到双口RAM的B口。
2.3 ARM功能及网络接口的实现
为了通过以太网的方式实现系统控制、数据传输的功能,本模块利用ARM嵌入式系统。ARM嵌入式系统很容易提供网络支持等功能,将每台仪器通过网口实现网络互联,既可以组成局域网,实现数据的多通道采集,也可以连接至互联网,实现Internet远程控制[4]。
本系统数据存储在FPGA内部例化的RAM上。从ARM的角度,FPGA实际上就是一段连续的RAM空间,其中地址0x18000000~0x18003FFF存放了第4个通道各自的超声回波数据,每个通道存储空间大小为4 096 B。ARM中嵌入Linux实时操作系统后,通过编写Linux底层驱动程序,解决了ARM对FPGA内部总线的驱动以及数据通信的工作。另外,运用Socket网络编程来处理以太网数据通信及控制部分。
本系统的网络传输协议采用UDP协议,其优点是[5]:基于无连接的协议,速度比TCP更快;可以使用广播的方式进行多地址发送;传输需要占用的网络带宽小。
对于4通道超声采集模块而言,每个通道的数据采样深度是4 096 B。由于UDP数据报的长度最大为1 500 B,则对于单个通道的采样数据需要进行拆分。本系统中将每个通道的采样数据分成4份,每份含有1 024 B的采样数据。同时在采样数据的末尾加入2 B的数据标识,其中第一个字节标识为“第几通道”,用来区分不同通道超声回波数据;第二个字节标识为“第几份数据”,用来表示此UDP报中的1 024 B数据是4 096个采样深度的第几份。
3 实验结果
为完成具有以太网功能的大型零件超声探伤仪的测试,制定如下的实验方案:检测对象为CSK-IIA标准试块,其材质为钢。使用广东汕头超声生产的2.5P20单晶直探头,耦合介质为水,扫查方向如图4所示。其中位置1有直径为2 mm、距顶面10 mm的缺陷,位置3有直径为2 mm、距顶面20 mm的缺陷。用TFT彩屏进行回波显示。
超声探头在位置1、位置2、位置3的回波波形在TFT彩屏上的显示如图5(a)、(b)、(c)所示。通过对TFT显示进行标定,可以得到缺陷波、一次回波、二次回波的中心坐标,如表1所示。
对于缺陷的位置深度dn和试块的厚度hn,可以用如下公式计算:
其中,fs为采样频率,c为超声波在试块中的传播速度。
将fs=20 MHz,c=5 900 m/s以及各坐标值代入,可得d1艿18.9 mm,d3艿10.5 mm,h1艿39.62 mm,h2艿39.76 mm,h3艿38.92 mm,h平均值=39.43 mm。
由上述数据,可得本系统对缺陷位置的测量误差在5%以内,对试块厚度的测量误差在1%以内。系统有较高的准确性,达到了预期的设计目标。
本系统设计了4路超声最小单元采集卡,同时提出了两种用于硬件扩展的方式,并给出了FPGA和ARM功能的具体设计与实现。实验表明,整个系统工作稳定且回波信号接收质量良好,达到了预期目标。
摘要：介绍了一种以ARM和FPGA联合作为中央控制处理单元的4路超声探伤模块。给出了其整体结构方案,阐述了以4路超声模拟信号为一组的多路超声探伤模块硬件扩展的设计思路和实现方案,讨论了FPGA对高速LVDS数据的采集、处理、时序同步功能的实现,ARM与FPGA之间总线接口的实现,ARM嵌入式系统功能以及网络通信功能的实现。实际应用表明,该功能模块能达到预期的设计要求,并能方便地实现硬件扩展。
关键词：ARM+FPGA,嵌入式系统,高速信号,硬件扩展,超声探伤
参考文献
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[3]徐孟祥,张尔杨.LVDS与高速PCB设计[J].电子工程师,2005,31(5):38-40.
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