固态断路器多IGBT串联混合均压电路设计

固态断路器需多IGBT串联切断短路故障电流,针对多IGBT存在电压分配不均、局部电压过高、损耗大等问题,提出一种混合式均压控制电路拓扑结构。分析固态断路器多IGBT均压影响因素,研究均压拓扑性能。优化缓冲电路结构,改进充放电型缓冲电路,减小损耗;引入双阈值钳位控制电路,改善IGBT过电压;提出被动均压与辅助反馈主动均压结合的混合均压控制策略,加快响应速度,实现均压动态自适应调节。制作样机,进行固态断路器设计拓扑和控制的仿真及实验验证,结果表明:混合式均压控制电路可减小IGBT电路超调量,具备更强的抑制过电压能力,提升响应速度。

数字孪生装配线时序数据预测及评估方法研究

孪生装配线连续不断地产生多源时序数据,需对数据进行学习和预测以发挥其潜在价值。在数据采集过程中,由于传感器异常或通信中断会产生隐蔽的数据异常点,会降低数据预测的准确性。在数据预处理过程中,针对异常点的隐蔽问题,提出了一种差分异常点检测算法,实现了异常点的快速定位;将预处理数据导入LSTM(Long Short Term Memory,LSTM)进行了训练;针对模型预测性能的评估,提出了一种针对数值型数据预测精度评估的布尔计算方法。以某断路器孪生装配线的设备综合效率及生产节拍等多源时序数据预测为例,对差分异常点检测算法及布尔计算方法进行了实验,验证了方法的有效性。

基于力柔顺控制的断路器轴孔零件装配算法

针对双臂机器人断路器轴孔零件装配操作任务,研究了一种两阶段轴孔装配轨迹规划策略,为了提高双臂协调装配作业的柔顺性和精确性,提出一种FAIC控制算法,实现精确的力跟踪。首先建立轴和孔接触状态力学模型,开展轴孔装配机理研究,根据双臂末端受力平衡,提出了一种操作空间轴孔装配的双臂运动轨迹规划方法。基于阻抗控制实现柔顺轴孔装配,采用模糊控制器在线辨识阻抗控制最优参数,提高装配操作质量。实验结果表明,在双臂协作轴孔装配策略结合FAIC算法作用下,轴孔间接触力控制在3 N以内,装配效率提高36.5%。综上所述,本文提出的FAIC算法与装配策略在双臂协同断路器装配作业中有效地缩短磁组件的装配时间,提高装配效率与精度。

超高压线路潜供电弧电压的频率特性分析

针对潜供电弧状态对超高压线路单相自动重合闸影响的问题,提出了一种基于故障相电压谐波情况的电弧状态判断方法.该方法在分析了一次及二次电弧的特性及不同补偿度下电弧熄灭后系统振荡特性的基础上,通过引入总谐波畸变(THD)来反映故障相电压谐波含量的变化.对不同补偿度的系统运用EMTP进行了仿真,结果表明电弧熄灭后,故障点电压的THD值将显著降低,为利用故障点电压的谐波情况来判断电弧状态提供了依据.

基于偏微分弱解式方程的三维电磁力计算及其在接触器中的应用研究

为了研究接触器电磁力建立的瞬态过程,以及接触器中的能量损耗关系,提出了一种基于PDE弱解式方程的三维电磁力计算方法,通过加权残值法将微分形式的麦克斯韦(Maxwell)方程转化成弱解式矢量方程,得到矩阵形式的控制方程。基于该方程研究了磁路的静态和动力学响应。利用麦克斯韦应力张量,研究了不同电流和间隙时三维电磁力的稳态分布。利用阶跃响应研究了三维电磁力的动态建立过程,并研究了不同磁导率和电导率对于磁通密度以及电磁力动态响应的影响。仿真结果表明,减小电导率可以降低磁通密度的瞬态响应峰值;提高铁心磁导率可以增加电磁力稳态输出值。通过对电磁力的瞬态响应过程研究发现,磁路中主要能量损耗来源于空气,其损失比例峰值达到90%。

电磁操动机构运动特性数值计算的耦合建模方法研究

电磁操动机构是断路器、接触器中的关键部件,针对现有电磁操动机构动态特性仿真效率较低的问题,提出了一种一体化的耦合仿真方法。通过动态网格技术,将空气域包含的网格在时间域中进行动态划分,从而将磁路的电磁场控制方程和机械结构的动力学方程进行动态耦合,在时间域内同时完成电磁操动机构动态响应过程中电磁变量和机械变量的求解。为了对仿真算法进行验证,以智能交流接触器的磁路结构作为实例,以PWM斩波以后的电压作为驱动信号,对所提出的仿真算法进行验证。仿真和实验结果表明,所提出的方法可以对电磁变量和机械变量完成一体化求解,仿真效率可以得到提高。同时,实验结果显示所提出的算法计算结果可靠。

Galfenol智能悬臂梁中的频率相关性及其自适应动态控制

利用主振动模态对Galfenol智能悬臂梁进行数学建模,通过对不同频率的悬臂梁位移数据进行研究发现,悬臂梁的模型参数具有频率相关性,频率大于220 Hz时参数的变化较明显。为了克服模型参数的频率相关性,提出一种基于状态观测器的鲁棒性自适应控制算法,通过对模型参数进行自适应识别的方法来改善悬臂梁的控制效果。将该算法与Luenberger观测器进行对比,分别进行数值仿真和试验研究。研究结果表明,自适应观测器可以有效预测悬臂梁的状态变量,所提出的基于死区的参数识别算法,可以抑制悬臂梁高阶模态带来的信号畸变,使模型参数仍收敛于有效值。动态跟踪控制试验表明,驱动频率为100 Hz和500 Hz时,采用相同的初始模型参数仍然可以达到较好的控制效果。

Fe-Ga合金磁致伸缩力传感器磁化模型建立与特性分析

磁致伸缩力传感器依靠材料磁化强度的改变来表征外部力载荷的大小,研究了基于Fe-Ga合金磁致伸缩逆效应的力传感模型,采用三维有限元方法对力传感磁路进行了优化与设计。为了研究不同磁场和负载对材料磁化强度的影响,以均质能量公式为基础,在均质能量公式中引入以应力和磁场为自变量的吉布斯自由能函数,建立了描述合金磁化强度随应力变化关系的模型。为对模型进行验证,建立了一套磁致伸缩力传感特性测试系统,分别对Fe-Ga合金和Terfenol-D力传感特性进行测试与对比,验证试验表明所建立的模型可以较好预测磁化强度的变化,并且可以预测偏置磁场的影响。在Fe-Ga合金与Terfenol-D的对比试验中发现,Fe-Ga合金对偏置磁场更为敏感,并且磁滞非线性较Terfenol-D更小,由于无退火应力,Terfenol-D在偏置较低时出现负方向的磁化强度。

一种断路器多体动力学仿真方法

提出了一种基于连续介质理论的断路器多体动力学仿真方法,以弹性力学本构方程描述断路器各部件的应力、应变关系;同时结合各部件之间的相互作用关系,依靠约束副描述了连续体部件之间的联动过程;同时分析了时变条件下部件之间运动受力状态以及能量传递关系。所提出的方法不仅可以在宏观上预测断路器的分断位移、分断角速度等,还可以描述时变条件下各部件之间的联动以及部件内部的应力、应变关系。仿真结果显示,各部件承受的最大应力随时间不断发生变化。对分断特性的实验测量结果显示模型可以较好地预测断路器的分断特性。所提出的方法为提高断路器的机械可靠性及设计水平提供了一种新的指导方法。

基于分布参数模型的Galfenol智能悬臂梁动力学建模方法及控制

研制一种基于Galfenol合金的智能悬臂梁结构,同时考虑粘合层对结构动态性能的影响,建立计及粘合层的分布参数动力学模型,该模型以电磁线圈为驱动源,为减小高频磁场造成的涡流损耗,设计一种叠片结构的U形驱动线圈对智能悬臂梁进行驱动,并通过试验对该结构下的动力学模型进行验证;由于分布参数模型状态输出变量与参考电压没有直接耦合,提出一种基于分布参数模型的滑模变结构解耦控制方法,通过对输出变量矩阵解耦可以实现输入与输出的直接耦合,同时针对柔性结构中存在的次谐波扰动,利用Lyapunov函数证明了在非匹配条件下控制系统的稳定条件,并通过仿真试验对结论进行验证,同时,以比例—积分控制作为对比试验,与提出的滑模变结构解耦控制进行对比,通过比较不同频率下的动态跟踪结果,证明了所提出的控制方法不仅解决了复合悬臂梁分布参数模型中的不耦合问题,同时可以有效抑制Galfenol合金的磁滞非线性,使系统可以较好地跟踪外界参考输入。

超磁致伸缩致动器中的时滞建模与Smith控制策略

分析了超磁致伸缩致动器中的时滞环节及其机理,将可控恒流源和由驱动线圈组成的电感电路结合,运用试验方法对其进行整体建模,引入Smith控制策略来解决超磁致伸缩致动器中的时滞问题;研究了扰动情况下以及系统模型参数发生变化的情况下,时滞环节对超磁致伸缩致动器动态性能的影响;通过对比试验,给出了一种能同时满足系统动态性和鲁棒性要求的解决方案。

一种新的磁滞非线性前馈补偿算法

针对超磁致伸缩致动器磁滞非线性特征,建立了描述其非线性行为的Preisach数学模型,以F函数法求解了该模型的数值模型.针对当前致动器非线性前馈补偿控制中迭代和执行效率低的缺点,将磁滞非线性理解为系统干扰,提出了一种新的非线性前馈补偿算法,在求解Preisach逆模型过程中,引入稳态误差信号作为参考变量,以Sigmoid函数变步长算法进行迭代步长自适应动态调整.计算机仿真和实验研究均表明,与当前的磁滞模型求逆算法相比,所提出的算法在保证控制精度的同时可以显著提高系统收敛速度,大大提高了程序的执行效率.

面向大规模场景的数字孪生模型快速渲染方法

对包含大规模场景的数字孪生系统而言,孪生模型的渲染效率对于孪生系统动态实时性和交互性具有重要影响。针对现有方案在视锥体剔除和渲染框架上的不足,提出一种基于并行计算框架的数字孪生模型视锥体细粒度剔除快速渲染新方法,将模型剖分为含相同数量三角面片的子模型,根据子模型几何坐标构建相应大小包围体,进行视锥体细粒度剔除,减少渲染流程中模型数据规模。同时,将渲染流程优化和CPU/GPU协同处理相结合,在GPU中构建并行计算框架,将原本CPU中进行的视锥体剔除和计算移植到GPU,进行视锥体剔除和操作的并行计算,进一步减少CPU计算负担。最后,以断路器数字孪生车间系统为例进行验证,结果表明,CPU、GPU渲染时间分别减少26.52%、25.51%,系统平均帧率提高28.35%,有效提升了数字孪生系统的运行效率和交互性能。

考虑节拍约束的断路器孪生车间模型动力学控制

生产节拍对以流水线为主要作业模式的孪生系统建模有重要影响,提出一种考虑节拍约束的断路器孪生车间模型动力学控制方法,对断路器单体和配套流水线进行运动检测,在节拍计算的基础上对孪生体进行动力学建模,通过驱动力加载、运动逻辑控制和切换,实现固定节拍和柔性节拍时流水线系统的孪生映射。建立了断路器上层、中层和下层多层方向包围盒及其层级遍历方式,提出对断路器孪生模型碰撞方向进行筛选,减少碰撞分离轴的检测数量。对比结果表明,孪生模型抖动减少,碰撞响应时间降低15%,碰撞精度提高96.26%。

超高压线路潜供电弧电压的频率特性分析

针对潜供电孤状态对超高压线路单相自动重合闸的影响问题，提出了一种基于故障相电压谐波情况的电孤状态判断方法．该方法在分析了一次及二次电孤的特性及不同补偿度下电孤熄灭后系统振荡特性的基础上，通过引入总谐波畸变（THD）来反映故障相电压谐波含量的变化．通过对不同补偿度的系统运用EMTP进行仿真，表明电孤熄灭后，故障点电压的THD值将显著降低，为利用故障点电压的谐波情况来判断电孤状态提供了依据．

一种交变载荷下Galfenol力传感器结构与能量效率的优化策略

提出了一种新的面向交变载荷的力传感器测量结构,以Galfenol合金为敏感元件,将合金的两端加工成与锁紧结构配合的接口,可以对Galfenol棒进行挤压或者拉伸,通过检测材料磁化率变化引起的感应电动势可以确定外加交变负载的大小与方向。在传感器工作机理的基础上,提出了一种传感器能量利用效率优化策略,采用封闭结构对Galfenol合金力传感器磁路进行了设计与优化,分别采用二维和三维有限元方法,研究了开放式磁路结构和提出的新型结构在磁路分布以及能量利用效率上的特征。仿真和实验结果表明,所提出的新型传感器结构,不仅在结构上可以增强Galfenol合金中磁通密度分布的均匀性,同时可以大幅提升传感器的能量利用效率,其提升率超过50%,同时对所设计的传感器结构进行加载交变载荷试验,试验结果验证了传感器设计方案的可行性。

基于虚功原理的Galfenol悬臂梁建模与带载特性研究

研究了带载条件下Galfenol驱动器的磁机耦合建模方法,利用离散型能量均分模型(Discrete energy-averaged model)对Galfenol的磁滞非线性和饱和非线性进行建模,可以同时描述合金对于磁场和应力的依赖性。采用虚功原理将能量均分模型与驱动器的结构模型进行动力学耦合,研究了带载条件下驱动器的输出特性,并对不同Galfenol覆盖比时驱动器的驱动能力进行了研究,将计算结果与稀土超磁致伸缩材料(Terfenol-D)和压电陶瓷进行了对比。研究结果表明,驱动器的带载能力随着Galfenol悬臂梁材料覆盖比的增加而增加,材料内部承受的张力也随之增大;Galfenol合金良好的机械性能可以克服负载增加时所承受的张力的变化,解决其他智能材料易产生的失效问题。

变频率条件下Galfenol驱动器参数辨识方法研究

利用线性压磁方程和欧拉-伯努利方程建立了基于Galfenol(Fe-Ga合金)驱动器的动力学模型,在变频率条件下,驱动磁场存在扩散效应,直接影响模型对于驱动器动态特性的预测。为解决普通梯度算法无法收敛的问题,提出了一种基于遗传算法的动力学模型参数辨识方法,无需满足持续激励条件,可对变频率条件下驱动器的压磁系数和阻尼系数进行辨识。计算结果表明,辨识算法收敛性好,经过7次迭代以后即可寻找到最优值。同时进行了对比实验,结果显示驱动频率低于220Hz时模型参数变化较小,更高驱动频率时模型参数发生较大的变化。利用该方法可以在变频率条件下准确掌握驱动器结构参数的变化,为Galfenol驱动器磁路的设计与控制提供理论指导。

双重寻优的机器人轨迹规划及其在断路器柔性装配中的应用研究

机器人是工业自动化制造的基础.针对现有机器人轨迹规划中优化结果存在不稳定性的问题,提出一种双重寻优的机器人轨迹规划新方法.采用个体极值双重寻优的改进粒子群算法,在适应度函数评判得到的优化粒子集合中,分别比对机器人每一分段轨迹对应的分段时间并进行二次寻优,从而得到机器人在运动速度和加速度约束条件下的整体潜在更优解,使轨迹优化结果的稳定性和准确性得到提升.在此基础上,设计了一种适用于不同零件的断路器柔性化装配工艺,将改进的优化算法应用到机器人柔性化装配工艺中,分别通过仿真和实验对优化方案进行了验证,对比结果表明,相比未经改进的普通粒子群优化方法,双重寻优得到的结果在不同分段轨迹的执行效率上分别提高了26%、3.6%、16.9%和7.4%.

断路器测试中电流和功率因数补偿的组合控制策略研究

断路器数字化测试装置中,整流桥电路会导致输入电流畸变严重,谐波倒流入电网可能引起严重谐波污染。在断路器保护特性测试过程中,对测试电流进行精度和功率因数补偿组合控制是解决这一问题的重要途径。提出了一种基于AC-DC-AC结构的高精度电流输出方法及其功率因数补偿控制策略,采用双闭环PI控制同时对后级电流输出精度和前级功率因数补偿进行控制,研究了控制参数对功率因数补偿效果的影响。仿真和试验测试结果表明,电流发生装置输出侧电流精度高,控制误差≤1%,可以满足断路器保护特性测试的指标要求;直流侧输入电压稳定,并且可实现良好的功率因数校正和谐波抑制。