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关键词： 轨道交通   底层控制系统   DSP   CPLD   PWM整流器  

摘要： 当今,城市轨道交通的发展逐渐缓和了因城市人口显著增加造成的交通出行不便的问题。本课题通过建立一个小功率全实物化的轨道交通牵引供电仿真平台来模拟实际牵引供电系统的运行工况和故障情况。这对于城市轨道交通的运行安全与新技术的研究有很大的帮助。本文调研了国内外城市轨道交通牵引供电动态模拟仿真系统的发展历程与研究现状,并结合城市轨道交通牵引供电仿真平台的要求,提出了动模仿真系统平台总体布局和结构设计方案,按照等比例、参数可调的设计原则完成了主变电所、牵引变电所及列车主线线路各器件的选型与接线图的绘制设计。基于城市轨道交通动态模拟仿真系统平台的功能要求,对动模仿真系统中PWM整流器这一核心被控对象进行研究,通过建立dq旋转坐标系的数学模型与小信号线性化数学模型,提出了一种PWM整流器双闭环的控制策略。基于上述控制及电路参数设计结果搭建出Matlab仿真模型,通过模拟列车不同工况进行仿真实验,来观测直流电压变化及车载PWM整流器与能馈机组PWM整流器的电流波形,验证控制策略的可靠性。通过底层控制系统硬件设计需求与具体功能实现,选择了TMS320F28377s型号的DSP芯片和10M02SCU169型号的CPLD芯片作为主控芯片,设计了基于DSP+CPLD硬件结构的核心控制板,并基于核心控制板设计了主所、各牵引所以及列车组的电源板板卡,由此组成底层控制系统硬件部分。底层控制系统集成了串口通信、以太网通信、继电器控制、接触器反馈、采样检测、脉宽调制、直流电机调速、电路硬件保护等功能。在底层控制系统软件开发方面,根据底层硬件系统的功能,完成了基于Code Composer Studio软件和Quartus软件的底层控制系统软件的编写。本课题所研究的是新型能馈式牵引供电系统,通过控制牵引变电所能馈机组与列车车载变流器中的四象限PWM整流器,使其在整流与逆变工况之间通过切换工作状态来模拟牵引供电系统在各个工况下（牵引、惰行、制动）的能量流动情况。通过制定与上层界面监控系统与虚拟示波器的通信协议,实现了与上层界面监控系统的双向数据传输,完成了多所启动以及车载直流电机的启停、正反转控制和变级调速,并将通过虚拟示波器实时显示各电气量波形与列车运行工况信息,为了提高系统运行的稳定性与安全性,针对不同故障等级进行分类,并按照相应故障类型的发生设计保护时序,完善了系统的整体稳定性。最后经过实验调试,对设计完成的动模仿真系统平台的底层控制系统进行软硬件整体测试,检验底层控制系统设计的合理性与可行性。通过软硬件联调完成能馈所与列车组车载变流器模块对拖实验,并模拟牵引供电系统在各个工况下（牵引、惰行、制动）的能量流动情况。图69幅,表3个,参考文献48篇。

关键词： 中央空调系统   蒸发冷螺杆冷热水机组   远程监控系统   故障诊断系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 随着中央空调机组的技术先进性、复杂性和应用的广泛性不断提高，实现中央空调系统安全、可靠、经济运行，达到高效、节能、降耗和环保要求，需要配备现代化的远程中央集中监控和故障诊断系统。本课题以蒸发冷螺杆冷热水机组为研究对象，开发了远程监控系统，能够实现对机组运行状态实时监控。对蒸发冷机组的典型故障进行分析研究，在此基础上开发了故障诊断系统，主要研究内容包括以下几个方面：　　（1）分析蒸发冷螺杆冷热水机组工作原理，对其主要部件建立了热力学模型。对蒸发冷螺杆冷热水机组远程监控与故障诊断系统进行需求分析，明确系统开发主要任务。根据本系统的使用条件和特点，确定远程监控模式为B/S模式，软件架构为前后端分离的架构。选择Vue以及Java作为系统开发语言，阐述了整体技术实现方案。　　（2）根据系统需求以及主流数据库的对比，选择MySQL作为系统开发的数据库，完成系统相关的数据库表结构的设计。开发了机组监控、用户管理、故障诊断、维修管理、产品管理、数据统计六个功能模块，完成各功能模块的软件设计。　　（3）研究蒸发冷螺杆冷热水机组主要故障的可能原因、故障征兆、解决措施，进而采用故障树分析方法（FTA）。以蒸发冷螺杆冷热水机组中典型故障作为顶事件，建立故障树，定性分析求解最小割集和结构重要度。　　（4）以建立的故障树为基础，采用产生式规则表示法建立了系统故障诊断模块的知识库。基于正反向混合推理和深度限制优先搜索策略，设计了适用于本系统的故障诊断推理机，初步实现了蒸发冷螺杆冷热水机组典型故障诊断软件平台的设计。

关键词： 钢管管端焊缝   自动修磨控制系统   硬件设计   软件开发   动态性能   抗干扰能力  

摘要： 经UOE工艺成型的直缝埋弧焊管广泛应用于重要路段油气管路的运输，为便于焊管施工现场的对接，须对钢管两端焊缝进行修磨。当前焊管行业普遍使用人工操作修磨机辅以角磨机进行修磨，设备自动化程度低，不但占用工位空间、操作人员多，且修磨质量难以保证，修磨效率低下。为此本文将开发一种钢管管端焊缝自动修磨系统，以节省人力物力并提升修磨质量和效率。　　首先，根据修磨要求搭建管端焊缝自动修磨系统，该系统以ABB-6700机器人为主要执行机构，配合基恩士二维激光轮廓仪和自主设计的修磨头、旋转辊托、第七轴等机构进行直焊缝修磨。运用本系统进行焊缝修磨工作，可实现生产装备的自动化、提高修磨效率、节省人力物力。对核心部件第七轴开展静力学仿真分析，结果表明，所设计的机器人第七轴机械结构满足机器人修磨过程中稳定性要求。　　其次，设计自动修磨的电气系统，涉及机器人第七轴、修磨头伺服系统、旋转辊托系统的控制，并编制对应程序，实现预期功能需求。利用矢量控制的 SVPWM 技术，在MATLAB/Simulink对修磨头伺服电机开展仿真分析，以验证修磨头伺服系统的性能。仿真结果表明，所选用的修磨伺服系统具有较好的动态性能和抗干扰能力。　　然后，利用田口法对管端焊缝自动修磨系统开展工艺试验研究。通过单因子试验探讨不同磨削参数对磨削力的影响规律，通过正交试验得到不同磨削参数对焊缝磨削力的影响贡献率，由高到低依次为进给量、进给速度、砂带粒度、砂带速度，同时获得以磨削力最小为目标较佳的参数组合为进给量0.5mm、进给速度40mm/s、砂带粒度80#、砂带线速度35m/s。

关键词： 分布式光纤传感   多防区监测   迈克尔逊干涉   萨格奈克干涉   硬件电路设计  

摘要： 分布式光纤振动传感技术因其监测范围广、无源探测、布设方式自由等独特优势,已成为一种新兴的现代化安防手段,被广泛应用于轨道交通、油气管线、周界安防等领域。其中,基于激光干涉原理的光纤振动传感系统可准确感知外界的振动信号,满足安防区域内入侵事件的监测需求。但该系统在监测范围、实时性能等方面仍有待进一步提升。针对上述问题,本文设计了一种多防区光纤振动预警系统,以迈克尔逊干涉与萨格奈克干涉原理为基础,利用光纤分路器将上述两类干涉结构进行了融合,从而扩展了同步监测的防区数量,提升了系统监测范围。设计了多路信号采集与高速通讯硬件电路,提高了光纤振动预警系统的响应实时性能。本文的研究内容主要包括以下几个方面:(1)分析了基于激光前向干涉的光纤振动传感理论,通过干涉结构性能对比与系统器件参数选型,搭建了基于迈克尔逊干涉与萨格奈克干涉融合结构的多防区光纤振动预警系统,提升了系统检测范围。(2)设计了激光器供电电路、光电探测电路、信号滤波电路、多路采集电路,并研究了USB通信、以太网通信等数据传输通讯方案,提升了振动检测的实时性能。(3)利用MFC编译环境设计了可视化人机交互界面,具有多防区的运行控制、数据显示、数据存储、报警阈值设置、入侵事件记录等功能,并可通过应用程序接口调用实现了摄像头视频监控的联动,以及利用企业微信客户端实现了微信预警信息的推送。(4)通过机械结构设计与电路布局优化,实现了多防区光纤振动预警系统工程样机的集成,并对工程样机的标准波形检测、频率响应范围、入侵事件漏报率、系统功率损耗、系统响应时间等性能指标进行了测试与评估。上述研究表明,多防区光纤振动预警系统可通过相互独立的多个防区实现不同外界入侵事件的实时检测,为重点场所周界安防预警提供了监测范围与实时性能的提升优化方案。

关键词： 光源控制器   装配系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 随着工业技术的快速发展，自动化技术及信息化技术在制造业已经开始大范围使用，为制造业带来了高效的生产效率及高质量的产品。国内从事批量产品制造的企业已经开始大批量导入自动化设备进行生产改造，提升了产品质量，降低了人工成本。随着社会经济的发展变化，人们对多品种小批量的产品需求越来越多，很多从事少品种大批量产品生产的企业已经开始逐步转向为多品种小批量产品的生产。因为多品种小批量产品的多样性及少量化，导致此类型产品的生产模式人工成本较高且产品质量不易管控，如何实现柔性化制造成为了制造行业的一个重要研究课题。　　本论文以A公司的光源控制器装配生产线为研究对象，研究目标为设计一条适用于多品种小批量产品生产的装配系统。结合A公司的光源控制器生产现状提出了装配系统的设计需求，针对该设计需求制定了装配系统的总体设计方案。装配系统设计方案包含装配系统硬件设计、装配系统控制系统设计和装配系统管理系统设计，主要研究内容如下：　　（1）首先对光源控制器生产工艺流程进行了分析研究，结合研究内容提出装配系统整体设计需求，制定装配系统总体设计方案。装配系统采用模块化设计思路，整体生产线设计为17个独立的工站，各工站之间可以连接通信，生产线布局可以快速切换。各工站采用模块化设计原则，标准设计模块包含人工作业工作台、物料取用防错模块、装配防错锁紧模块、半成品自动化检测模块，论文对通用模块进行了详细的设计结构说明及控制流程说明。　　（2）其次，对装配系统管理系统进行了整体设计。软件管理系统包含如下几个功能模块：生产工艺维护管理模块、流水线工作台管理模块、装配线生产数据统计及分析模块。针对管理系统的数据库、系统外部接口、系统运行环境进行了详细的设计。　　（3）最后，对装配系统进行生产试运行，试运行前验证了各个功能模块使用正常，试运行的结果验证了装配系统的实际运行结果与论文的研究目标一致。装配系统导入后，通过对日常运行的数据分析得出生产线的生产效率及产品的一次检验合格率均有提升。最终结果证明，本设计方案能够符合改造的要求，提高整线的生产效率及产品质量。

关键词： DSP   旋转变压器   IGBT模块   双激式开关电源   实车试验  

摘要： 能源的匮乏、世界环境的恶化,新能源技术终将成为时代的产物,纯电动汽车也逐渐走向大众的生活之中。伴随着国家对新能源汽车相关行业的大力扶持,电动汽车的性能也逐渐提高,电机控制器的发展也得到了显著的提升。本文以实际的工程项目为依托,在4.5t纯电动商用车底盘开发基础上,对驱动电机控制器的硬件开发过程进行了详细的介绍。首先,通过市场调研以确定整车设计需求,再对驱动系统主要器件进行参数匹配。在电池方面,使用三星公司的锂离子电池模组,采用24个模组串联的方式,得到的额定电压为440.4V,容量为188Ah。电机方面,结合市场的需求和电机技术的发展,采用额定功率为70k W,峰值功率能达到139k W的永磁同步电机。除此之外,针对电机控制系统中必不可少的母线支撑电容、叠层母排、电流传感器、泄放电阻等器件进行参数选型介绍。驱动电机控制器硬件按照其功能分为控制板和驱动板。控制板中,选用德州仪器的TMS320F28335芯片,该DSP芯片更具准确性和快速性,更符合于电机控制器算法的硬件需求。其中,电机转速、转向信号的采集使用了旋转变压器,由解码器AU6802进行解码传递信息。驱动板中,采用英飞凌公司的IGBT模块FF600R12ME4,以门极驱动芯片1ED020I12FA2作为IGBT驱动及保护电路,构成三相全桥逆变电路,实现从直流母线电压到三相交流电压的转换。电源模块采用由变压器组成的双激式开关电源,该三倍压整流电路得到具有隔离的开启电压和关断电压。完成控制器硬件电路的设计之后,通过系列实验,对控制器功能以及电气特性进行了检验。最后,通过电机台架测试和实车测试的方式,对驱动电机控制器系统进行性能测试。

关键词： Row Hammer攻击   干扰错误   DDR3   AXI4总线  

摘要： 随着内存工艺技术的发展,芯片单位面积内集成的内存单元数量增多,间距减小,出现了利用DRAM的行字线反复切换引起单元间耦合效应,从而产生数据翻转的攻击方式——Row Hammer攻击,它打破了人们一贯对存储设备具有高可靠性的认知,引发了内存设备的信息安全危机,对市场上主流的系统架构产生了极大地威胁。针对Row Hammer攻击的防御方案有软件和硬件两种实现途径,但目前通过软件实现的防御方案大多受到软件环境的限制或者存在攻击漏洞等缺点,使最终的防御效果并不理想。由于该攻击是利用DRAM内存架构普遍存在的硬件缺陷来实现的,并且当前通过硬件实现的防御方案具有功耗和面积大的缺点,因此设计并实现具有更小的面积和功耗开销的硬件防御电路成为了研究的主流。本课题来源于企业项目,主要开展应用于DDR芯片防御Row Hammer攻击的硬件设计研究工作。主要的研究内容有:(1)通过对Row Hammer攻击方式和DDR工作流程的分析与研究,本论文采用统计不同行地址的激活次数的方法,设计并实现了检测当前DDR是否受到Row Hammer攻击的攻击检测模块。该模块基于DDR正常读写访问所需的最小延时,利用旁路并行监测输入的地址信号,筛选被频繁激活的行地址,统计其激活次数,实现在刷新周期内完成对Row Hammer攻击的检测。(2)基于AXI4总线传输协议的研究分析,本论文提出了一种延时激活的硬件防御方法。该方法通过研究DDR控制器内部地址转化算法得到AXI地址与DDR物理地址之间的映射关系,根据攻击检测模块的输出结果对含有激活命令的AXI地址信号延时传输,减少刷新周期内行地址的激活次数,实现对Row Hammer攻击的防御。(3)针对所设计的Row Hammer攻击防御电路,本论文采用VCS仿真工具完成各功能模块的动态仿真,并利用Xilinx的Vivado软件完成设计电路编译并下载到VC709开发板中,板级验证连接UART 16550读取地址中的数据。经验证结果表明,该防御方案在64ms刷新周期内,攻击者只能实现107k次Row Hammer攻击,远低于产生干扰错误最少需要的攻击次数要求。Row Hammer攻击成功率至少降低了23%,达到了预期的设计目标。本文采用TSMC tt28nm工艺库对整个防御方案进行逻辑综合,得到整体结构面积为0.14mm,功耗为24.25m W,添加攻击防御电路模块的DDR芯片相比于未添加该防御模块的原DDR芯片带来面积开销增加了4.5%,功耗开销增加2.9%。本论文设计的防御Row Hammer攻击电路包含攻击检测与攻击防御模块,可为防御Row Hammer攻击相关设计与研究提供技术参考。

关键词： 波束赋形   高低频融合   FPGA   硬件结构  

摘要： 在当前5G全面商用的背景下,毫米波频段由于带宽大、波束窄作为5G系统中关键性频段受到研究者的广泛关注,大规模天线传输、多址接入、更为密集的组网方式等一系列适用于毫米波通信的技术应运而生,有效提高无线资源的利用效率。毫米波指向性强等特点在大规模天线波束赋形技术中被充分使用以改善接收信号质量且使得通信系统中的用户间干扰减小,实现更大的通信系统容量和更高的频谱利用效率,弥补非理想传播环境下毫米波的高路径损耗。在低频段使用全数字波束赋形系统可以获得最优系统性能,而在具有大规模天线阵列的高频通信系统中由于硬件复杂度、能耗和成本等限制,研究者大多基于混合波束赋形架构对发送信号进行处理。已有实验结果证明sub-6GHz频段与毫米波频段具有空间高度相关性,部分研究者利用这一性质在高低频融合组网系统中使用低频信息辅助波束赋形,极大减小了毫米波训练开销。本文首先分析几种常用波束赋形架构,技术原理和适用条件及优劣,并对毫米波相关信道及接收信号建模。然后对基于低频辅助和仅使用毫米波带内信息的波束选择算法进行性能对比与软件仿真研究,结果表明,基于带外信息辅助的波束选择算法与穷举搜索相比可以减小数倍训练开销,且在相同条件下性能优于带内波束选择。接下来对几种SVD波束赋形硬件算法进行研究与对比,优化后的波束赋形算法更适用于硬件实现且在算法复杂程度和对算法硬件实现后的片上消耗等方面都显著降低。本文针对16发8收MIMO通信系统波束赋形模块软件仿真与硬件实现,比较了数字波束赋形与混合波束赋形方案性能差异,设计五路并行波束赋形硬件框架,进行功能验证与FPGA硬件测试,优化后的波束赋形模块兼顾处理性能和资源消耗的折衷,满足系统性能需求。对4发4收MIMO通信系统进行整体软件误码率仿真,在基于节约资源前提下开发出串行波束赋形硬件模块及相应接收端测试系统,完成硬件测试。

关键词： 边缘物联代理   配电台区监测   容器资源配置   业务时序逻辑   云管边端架构  

摘要： 国家电网公司在2019年1月13日发布了“1号文件”,文件明确将“打造状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活的泛在电力物联网”排在年度重点工作首位。配电台区作为泛在电力物联网建设的“最后一公里”,包含电力物联网的底层物联信息采集、业务数据汇聚、终端通讯组网等技术基础。配电物联网应用已具有一定基础,但与“三型两网、世界一流”战略目标相比,电力配电物联网整体建设与应用仍存在不足。针对上述问题,本文通过设计一套边缘物联代理的软硬件与容器计算资源的配置方法,完成配电台区监测业务的容器化管理与本地化实时处理,实现配电台区设备的灵活接入、互联互通和就地智能决策。首先,本文从柱上变、箱变、配电房三种典型场景的业务需求进行分析,设计了一套面向配电台区监测典型场景的“云-管-边-端”分层监测总体方案。其次,针对配电台区监测业务的设备感知需求与通信需求,从硬件主控芯片、即插即用通信接口、安全加密单元、电源管理单元四个部分开展边缘物联代理的硬件设计,并研究了一种基于MQTT协议的多配电规约自适应转换方法与云边交互机制。最后,针对传统配变终端只能同时完成一个单一子任务问题,设计一套可以多任务同时运行的容器化软件架构。在架构的基础上分析了配用电业务的时序逻辑,构建了容器计算资源、任务优先级、时序逻辑、容器计算资源配置等容器计算负荷模型,在容器架构的基础上提出了一种考虑业务优先级与时序逻辑的容器计算资源分配方法,通过仿真分析方法的创新处与影响因素。综上所述,论文提出的三种配电台区监测典型场景及“云-管-边-端”监测方案、配电台区监测业务场景下边缘物联代理硬件设计及云边交互机制分析、面向配用电监测业务时序逻辑的边缘物联终端软件设计及容器计算资源配置方法等,为国网配电台区运行监测的统一物联标准体系构建提供重要的实践与理论支撑。