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关键词： 陀螺飞轮   电流精密测量   无刷直流电机   锁相环   EtherCAT  

摘要： 随着航天技术的发展、航天任务的多样化,微小航天器的应用越来越广泛,在保证航天器性能的前提下减小体积与质量就成为当前研究热点,陀螺飞轮这种集成了传感器和执行器的新型姿态控制元件就有了广阔的应用前景。本文针对陀螺飞轮的实验研究和应用的需求,设计并实现了陀螺飞轮控制系统的硬件部分,包括电流精密测量模块、飞轮调速驱动模块和数据采集通信模块。首先,本文分析了主要硬件模块的工作原理。提出了精密电阻采样法和电流/频率转换法两种电流精密测量方案,并分析了主要误差来源。确定了基于锁相环的飞轮驱动控制系统,为使锁相环控制器更接近线性环节设计了10状态的鉴频鉴相器。采用EtherCAT工业以太网总线传输数据,在节省ISA总线板卡的同时保证了数据通信的实时性。其次,设计实现了电流精密测量系统的硬件电路。精密电阻采样法利用电阻网络减小采样电阻温漂,通过自校准技术补偿失调误差;对电流/频率转换法进行改进,增加A/D转换器采集积分电容电压,提高了系统测量精度和分辨率。实验证明精密电阻法测量误差小于1.5*10-4安培,电流/频率转换法测量误差小于4*10-4安培。然后,设计并实现了飞轮驱动硬件电路。除了在软件中设置电路保护模块外,额外通过硬件电路实现了母线过流保护、过压保护和泵升电压保护的功能,保证了驱动电路运行的可靠性。实验结果显示系统稳速精度为0.04%,且可以很好的跟踪阶跃信号和斜坡信号。最后,设计并实现了基于EtherCAT的数据采集通信电路。根据系统需求设计了由模拟开关、A/D转换器、D/A转换器组成的数据采集输出模块,利用Nios II软核在FPGA中实现了EtherCAT从站。对采集和输出的数据进行分析,证明了通信系统具有实时性和可靠性。

关键词： 纯电动汽车   整车控制器   硬件设计   控制策略   软件设计   上位机  

摘要： 随着汽车行业的蓬勃发展,环境污染和能源危机这两个问题也随之而来。如今纯电动汽车凭着其零排放、噪声小以及高能源利用率等优点,正逐渐在汽车领域占据着越来越重要的地位。整车控制器作为纯电动汽车中的核心,对整车的正常行驶、网络管理、故障诊断等整车功能起着重要作用。本文采用仿真与上位机调试验证相结合的方法对经过改装的纯电动汽车进行整车控制器方面的设计,主要的工作如下:(1)根据整车控制器功能需求,选用飞思卡尔MC9S12XEP100单片机作为主控芯片,设计整车控制器的硬件电路,包括最小系统模块电路,通信模块电路以及各输入输出模块电路,并绘制PCB板,最终得到整车控制器PCBA板,完成硬件设计工作。(2)设计整车控制策略,在Matlab/Simulink环境下搭建模型,并进行仿真验证。首先进行踏板信号进行滤波及故障诊断处理,然后将处理完的踏板信号及其变化率输入到模糊控制器中,制定出模糊规则得到转矩系数,根据当前的车速信号算出需补偿的转矩值,得到电机需求转矩。最后将计算得到的电机需求转矩输入到斜坡函数处理模块中进行处理,使得转矩信号平滑的输出到电机控制器端。此外还设计了DC/DC、电动真空泵以及空调等部件控制逻辑策略。仿真结果表明,设定的控制策略可以达到我们的预期目标,尤其是保证转矩值平稳,准确的输出给电机控制器端。(3)将控制策略模型生成C代码并生成策略层库文件,根据配置所采用的单片机主芯片内的各种寄存器完成底层驱动代码,并根据整车各时序任务手写应用层的软件代码,在应用层软件中通过调用策略层库函数以及底层驱动函数的方式实现整车控制器的各控制功能,从而完成软件设计工作。(4)完成CAN Bootloader下位机程序,实现了通过CAN总线传输S19文件的方式进行整车控制器应用程序的烧写及后续程序的升级过程。此外在LabVIEW环境下设计上位机软件。最后搭建测试台架,结合上位机软件对我们所完成的整车控制器进行功能调试。结果显示,程序运行的结果与我们仿真结果大致相同,验证了整车控制器的可用性,达到了我们的预定目标。

关键词： 膨胀烟丝生产线   集中监控系统   硬件设计   软件开发   WonderWareIAS平台  

摘要： 近几年来，随着烟草行业生产设备的智能化、自动化以及精密程度的不断提高,为企业带来了较高的经济效益。随着信息化、网络和智能技术的飞速发展，为监控生产设备状态提供了强大和方便的支撑技术，借助信息化技术手段来实现监测数据的收集、整理、分析与应用，使设备状态监控工作逐步实现系统化、流程化、智能化，使工厂自动化更进一步发展了。　　信息化主要由管理信息化和生产信息化构成。烟草生产过程的信息化主要是通过把车间现场的各种数据采集到上位机监控系统，再由监控系统进行生产的指挥和控制。结合生产管理信息化系统，使生产信息化和管理信息化融为一体，逐步形成一个完整和系统的信息化处理平台，烟草行业的信息化得到了进一步的提高。本课题主要研究的是如何实现膨胀烟丝生产过程信息化。　　旧有的烟草行业生产控制模式主要是通过纯手工的工作方式去获取和传递关键生产信息，工作效率低、信息整理格式乱、数据获取的过程也容易出错。缺少一个综合的监控平台去监控、管理大量的生产调度信息。生产过程产生的大量纸质记录造成资源浪费、查阅不便等各种缺点，没有一个有效的平台去进行信息统计整合和报表管理，使数据之间产生有效关联。生成流程不够规范，每个部分的过程控制相对独立，导致流程环节之间容易产生脱节，过多的人为干预增大了出错的可能性。因此在这个信息化、数据化的工业化时代，一个综合的、智能的集中监控平台对于整个烟草企业来说都是比不可少的。　　WonderwareIAS系统平台的出现，使SCADA集中监控系统的开发维护变得更加简单。而多用户的开发环境让工程师能够同时进行不同任务、功能模块的开发，相互之间又有各自的权限，让监控系统的集中开发变得更简便和安全。　　统一的集中监控系统平台能够使信息系统和控制系统集成到统一平台中，就能够形成最大效能的有效信息采集、信息处理整理和信息检索呈现表达的完整体系，为调度人员和执行人员提供直观快捷和有效的决策依据，及时下达生产调度指令，合理控制生产，实现企业现代化生产和安全生产要求，大大提高了卷烟行业的生产效率和信息化程度。

关键词： 声源定位   硬件设计   时延估计   传感器布阵  

摘要： 基于激波的靶标测量系统是利用声学定位算法和硬件处理系统对声信号进行采集处理,来确定声源目标位置的一种技术。不论在军事领域,还是在民用领域中都具有广泛的应用前景。在军事领域中,如炮位侦察、靶标测量等,这种技术具有被动声定位方式、隐蔽性好的优点。民用上也得到了广泛的应用,如手机和机器人等的追踪定位系统。本文主要研究分析传感器的布阵,设计系统的硬件架构和单元电路。基于激波的声源定位技术可以通过计算激波信号到达各个传感器之间的时间差,设计算法解算出目标位置。本文分别介绍了基本互相关法和广义互相关法原理,分析了基本互相关法的优点和局限性,以及广义互相关法的优点和适用性。并对基本互相关法和广义互相关法估计时延的误差进行实验分析,列举了几种常用的广义互相关法加权函数,通过和基本互相关法进行对比实验,分析了几种加权函数的优缺点和局限性。本文研究分析了传感器布阵对测量精度的影响,阵型上设计了单平面阵模型正六元平面阵和双平面阵模型四元方形阵。分别对这两种布阵阵型进行了原理介绍和公式推导,并对影响测量精度的一些参数进行实验分析。对六元平面阵分别实验分析了目标距离变化和传感器之间距离变化对测量精度的影响。实验分析了双平面四元方形阵中各项参数对测量精度的影响,包括传感器阵元之间的距离、传感器阵面之间的距离、传感器阵面与靶面之间的横向与纵向距离变化对测量精度的影响。阵型设计上,还设计了其它相关阵型,并把仿真结果列表,做对比分析。本文设计了航炮靶标测量系统的硬件架构和单元电路,给出了主流的“FPGA+DSP+ARM”数据传送总线变化器的整体设计,具体介绍了硬件架构的各个单元的电路设计,如电源模块、时钟电路模块和复位电路等单元电路设计,并且也详细介绍了ARM与DSP和FPGA的接口电路设计。本设计首先实现对信号的前端采集,选取AD9226芯片实现模数转换,选用EP4CE30F23C8型FPGA实现时钟管理、数据缓存、数据存储及传输功能,由于DSP计算能力上的优势,选取TMS320C6657实现对信号的算法处理功能,选用STM32F767IGT6型ARM芯片实现控制,选用CC1000芯片实现数据的无线收发功能。

关键词： EPS试验台   虚拟仪器   伺服电机   位置跟随性  

摘要： 随着电动助力转向系统(EPS)在汽车上的广泛应用,利用EPS试验台可以很好的测试转向系统性能。而在进行EPS试验台开发过程中,驾驶员需要转动转向盘在不同的试验工况下进行测试,根据转向盘反馈力来对EPS性能进行评价,这样往往比较费时费力难以解放驾驶员,同时由于驾驶员的个体差异很难建立一套量化的EPS性能评价指标。因此,若能开发一套位置跟随性好、响应快的伺服运动系统来代替驾驶员转向具有一定意义。首先,本文论述了EPS试验台的国内外研究现状以及其中伺服模拟装置的工作特点。在伺服电机的研究基础上,确定了本文伺服运动系统的控制方案。根据EPS试验台的整体方案和机构组成,确定了伺服运动系统的硬件结构。选用一套NI公司开发的实时控制系统和运动组件,根据系统需求进行各部分硬件的配线和连接。然后根据伺服控制系统的各部分构成,对伺服电机的位置跟随性进行模糊自适应PID控制研究。利用i=0的矢量控制策略构建伺服电机矢量控制模型,在MATLAB/-Simulink模块下搭建伺服控制系统各部分仿真模型以及不同控制方法下的伺服电机矢量控制整体仿真模型。并利用仿真信号给定系统的位置输入量,在不同控制方法下进行伺服电机矢量控制系统模型仿真。接着采用LabVIEW对伺服电机的控制程序和运动程序进行设计开发。基于伺服运动系统的硬件结构和所开发的运动控制程序,在给定系统输入量,进行不同控制方法下的伺服运动系统硬件在环试验。最后分析了仿真结果和试验结果,表明伺服系统的位置控制采用模糊自适应PID控制算法有助于提高伺服电机的位置跟随性和响应特性。同时利用伺服电机的运动程序,进一步验证所建立EPS试验台中的伺服运动系统可以满足转向试验性能需求。

关键词： 锂离子电池   电池管理系统   均衡器   硬件电路设计   程序框图设计  

摘要： 电动汽车作为一种能有效减少空气污染和缓解对石油依赖的交通工具,现在已成为汽车工业中的研究热点。电池管理系统(Battery Management System,BMS)作为电动汽车中的核心技术之一,对其进行研究对推动电动汽车的发展具有重要意义。论文主要完成的工作是提出了一种新的锂离子电池能量均衡器和设计了一套电池管理系统。经过对目前各种常见的均衡器电路拓扑和均衡策略进行分析比较,作者提出了一种新的均衡电路拓扑结构和均衡策略。新提出的均衡器基于Sepic和Zeta斩波电路,是一种非能耗型均衡方式,能实现均衡能量的双向传递,均衡电流大小可控。用MATLAB软件对新提出的均衡器进行仿真,新提出的均衡器能够有效增加电池组充电容量和放电容量,电池组经过多次循环充放电后,单体电池之间的能量差异显著降低,说明新提出的均衡器能达到很好的均衡效果。电池管理系统的设计工作包括硬件电路设计和程序框图设计两个方面。硬件设计是对电池管理系统的各个功能模块硬件电路进行设计,具体包括:主控制电路的设计、辅助电源电路的设计、隔离电路的设计、单体电池电压采集电路的设计、温度采集电路的设计、电池组总电压和电池组充放电电流采集电路的设计、故障管理电路的设计、均衡电路的设计和通信电路的设计。程序框图设计则是针对硬件电路的各功能模块设计配套的软件程序,以实现硬件电路功能。

关键词： 多UUV   动态自定位   逆超短基线   FPGA  

摘要： 多UUV(Unmanned Underwater Vechile)动态自定位技术研究是满足UUV采样等水下自主作业应用需求的必然趋势,水下自主作业的特殊性(自主性、智能化、低功耗、小型化等)要求UUV自定位技术减少人为干预、快速响应,要求UUV自定位设备体积小、功耗低、布放简单。目前,可用于多UUV动态自定位的技术和设备只有长基线(LongBaseLine,LBL)定位系统等为数不多的选择,但是LBL需要布放的节点多、周期长、成本高、风险大,位置校准复杂繁琐,难以满足多UUV长期水下自主作业应用。为此,本文提出一种基于逆超短基线(invertedUltra-Short BaseLine,iUSBL)的多UUV自定位技术,其布署效率更高、功耗更低、自主性更强、成本更经济,重点开展自定位原理、硬件软件设计与实现以及系统集成和实验验证等研究。首先,从UUV自定位原理出发,推导逆超短基线声收发器中斜基线和正基线的自定位表达式,重点分析单一类型基线定位性能并通过多类型基线定位融合扩展定位覆盖范围提高定位性能,探讨该系统基于深度信息的免询问快速自定位方法及其性能。其次,在系统实现总体框架基础上,着重研究逆超短基线的硬件软件设计与实现,提出硬件软件详细设计要求,深入分析传感器和电路等硬件性能,然后通过matlab开发逆超基线系统应答信号收发处理的仿真软件,并且分别用Verilog硬件描述语言和C语言在FPGA和DSP嵌入式硬件平台上实现CW、MFSK、DSSS+BPSK等多种信号形式的收发功能。最后,在系统硬件软件实现基础上,完成各模块独立调试和系统集成联调测试,设计详细消声水池实验方案并完成实验验证,对水平360度全方位进行精确的源方位测量,利用MFSK信号解决波束形成栅瓣导致的空间方位模糊问题。通过基于逆超短基线的UUV自定位原理、硬件软件、系统集成与实验验证等研究,已具备逆超短基线雏形,初步达到多UUV自定位研究初衷,为进一步深入研究提供一定参考。

关键词： 信号采集阵列   桥接系统   QorIQ多核处理器   以太网接口   LVDS接口  

摘要： 信号采集阵列是现代信号处理技术的研究热点,具备高空间分辨率,高采样率等优势,目前广泛应用在海上地震勘探,声呐探索等领域。桥接系统作为信号采集阵列的重要组成部分,负责接收并转发前端阵元采集数据至后端信号处理设备,为采集阵列提供稳定、可靠的数据桥接途径。为此,本文研究开发了基于QorIQ多核处理器的信号采集阵列的桥接系统硬件平台。通过4路百兆以太网光接口接收前端阵元采集数据,利用QorIQ处理器完成对链路数据的接收、预处理及实时转发。利用2路千兆以太网光接口外接交换机用来外扩数据分析平台,通过LVDS接口实现与信号处理机、数据记录仪的通信交互,实现采集数据记录、实时分析、回放等功能,此外,桥接系统扩展多路RS422串口用于管理记录本地传感器数据,实现对本地工作环境的实时监控。本文研究开发基于QorIQ多核处理器信号采集阵列的桥接系统已完成工程样机研制,通过实验室模拟数据验证,工作可靠稳定,达到了设计要求。

关键词： 无线传感器   网络节点   硬件设计  

摘要： 无线传感器具有灵活、自便、自组织的优势，现阶段，其在我国的应用十分广泛。本文主要针对目前无线传感器网络节点设计过程存在的问题，文章从实践角度出发，分析了无线传感器网络节点的设计方法，并提出了设计实现控制的方法策略，其目的是为相关建设者提供一些理论依据。结果表明，针对无线传感器网络节点电源能量不足问题，应配备能量供应模块与 USB作为设计控制对策，以促进现代化经济建设的全面发展进程。

关键词： 动态信号   FPGA   高精度采集   噪声计算  

摘要： 动态信号分析设备是噪声及振动分析、模型分析、电子设计和声学分析的主要工具,其将信号采集、信号产生和信号处理分析等功能融合在一起,实现被测动态信号在时域、频域和幅值域上的分析,其已广泛应用于航空航天、电子通信、遥感勘探、机械测量、振动测试,声学分析等各个领域,在现代的科研领域中有着极为重要的作用。论文对动态信号采集模块进行了分析研究,根据需求提出了设计功能指标。并给出了总体设计方案,为了完成设计高精度,大动态范围的要求,对影响模块关键性能及指标的噪声进行了分析研究,包括噪声的来源及种类的分析、运算放大电路中噪声模型及噪声计算方法的研究。最后,根据功能指标的要求,完成了高精度动态信号采集设备的详细硬件设计。模块主要由数据采集电路、信号产生电路、FPGA及存储电路、时钟及电源电路构成。本文的主要工作内容如下:1)根据输入信号设计指标,采用了Sigma-Delta型ADC完成数据采集电路设计,并在设计中对信号调理电路的噪声进行了分析,设计了满足噪声要求的信号调理电路。2)根据输出信号设计指标,并结合整体设计要求,采用了FPGA+DAC的设计方案完成信号产生电路设计,设计出了满足要求的信号产生电路。3)根据逻辑功能要求,完成了ADC/DAC接口及控制逻辑、PXI接口逻辑、通道控制逻辑、信号产生逻辑的设计。通过对各个模块的灵活配置,可使FPGA满足相关功能需求。4)根据不同电路的不同电源要求,分析了模块功耗要求及电源纹波对电路的影响,设计了较低纹波的电源电路,并从纹波大小及功耗大小的角度对电源设计的合理性进行了分析。在完成了整个系统的硬件电路及逻辑设计之后,本文还对模块中的电源、数据采集电路、信号产生电路的功能及指标进行了验证,证明了设计的可行性。