Genetic Algorithms for the Optimal Design of Electromagnetic Micro-Motors

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基于ALIF-GAF-AlexNet的微电机故障分类

微电机是一种重要的动力驱动元件,其诊断过程并不复杂,但人工听音比较低效且诊断结果片面,投入大量的人工对其进行分类是不合理的。为了提高微电机的诊断效率和实用性,提出一种诊断方法。使用自适应局部迭代滤波方法来降低噪声,然后用格拉姆角场将特征提取后的声音信号转换为图像,将转换后的图像应用深度卷积神经网络模型进行分类研究。基于微电机声音信号实验采集装置,对采集的数据应用所提出的方法进行故障诊断分类,并与其他方法进行比较。结果表明,该方法比其他方法具有更高的分类精度,准确率达到94.1%。

多足式微型直线超声电机定子的设计与仿真

针对小空间、低电压、大驱动力的应用需求,提出了一种基于单弯曲振动模态的多足直线式微型超声电机。根据超声电机的驱动原理对定子结构进行设计,利用有限元软件ANSYS Workbench建立定子的动力学仿真模型,对定子进行结构优化及动力学分析,确定定子最终尺寸为8 mm×1 mm×0.6 mm,定子实测B3,B4模态谐振频率与仿真相比误差分别为6.99%和5.46%。最后,建立电机定、动子之间的非线性仿真接触模型,验证了超声电机双向驱动的可行性。搭建微型直线超声电机驱动性能测试装置。实测结果表明:当驱动电压为60 Vpp时,最大空载速度为53.3 mm/s、最大负载为43.3 mN,推重比达280。该微型超声电机原理可行、结构简单紧凑,具有良好的输出性能,在光学系统、精密定位系统和移动终端等精密驱动领域有着广阔的应用前景。

微型电机声学质量检测小样本机器学习方法研究

为了解决微型电机声学质量检测人工手摸及听诊方法存在的主观误判率高、效率低下等问题,同时兼顾检测结果准确率和检测模型构建的快速性,提出了一种小样本机器学习检测方法,其根据微型电机传动链物理模型进行多维声学故障特征提取,在此基础上,采用粒子群优化算法对支持向量机这种小样本学习方法的核心参数进行优化,从而提高模型判别的准确率。试验结果表明,该方法能够有效判别微型电机异常振动和声音,准确率达到95%以上。

人工血泵用空心杯电机设计

为了改善目前血泵用电机存在的稳定性差、效率低等问题,课题组设计了一种电枢直径为4.8 mm,转速为35000 r/min的血泵用空心杯微电机。结构上采用空心杯结构,以避免齿槽效应、减小涡流效应;基于ANSYS Maxwell有限元分析软件,采用RMxprt模块对空心杯电机进行了结构设计和性能分析,采用Maxwell3D模块建立了空心杯电机的三维有限元仿真模型,在此基础上通过静态磁场、空载和额定负载下的仿真,获得了空心杯电机工作状态下的电磁数据,并对该空心杯电机的电磁设计性能进行了分析。结果表明:实验所设计血泵用空心杯电机结构设计合理,电磁性能良好,空心杯电机效率约为79%。该研究为血泵用空心杯电机的设计与优化提供了参考。

核酸提取装置的移液精度优化设计研究

为了提高核酸提取装置的移液精度和稳定性,以基于空气置换原理、活塞驱动方式的移液模块作为研究对象,提出了一种基于正弦函数的S型加减速曲线算法,并将其与匀加减速、抛物线型加减速曲线算法进行了仿真对比和实验验证。结果表明:采用基于正弦函数的S型加减速曲线算法的核酸提取装置,在移液量为10μL、20μL、50μL、100μL和200μL的不同工作条件下,移液精度均取得了显著的提升,同时实验数据的CV值满足JJG 646-2006移液器检定规程。

基于Zigzag柔性簧片的大行程XY精密运动平台

通过采用Zigzag柔性簧片作为导向机构,提出了一种具有大行程、高精度、高频响、低应力的并联式XY二自由度精密定位平台,满足精密运动的需求。提出了以Zigzag柔性簧片单元为核心导向梁的柔顺精密运动平台结构,并采用音圈电机进行驱动,实现3 mm×3 mm的运动范围和60 Hz以上的固有频率。对Zigzag柔性簧片和传统直梁柔性簧片进行有限元仿真分析对比,验证Zigzag柔性簧片运动性能的优越性。接着,对XY两自由度运动进行解耦设计,减小运动带来的寄生(耦合)误差。运用有限元分析对平台进行优化,针对高频运动引发的疲劳损伤问题,改进定位平台的构型,降低最大应力,延长平台工作寿命。分析结果表明:该平台满足运动和解耦性能的设计要求,其寄生误差为0.012%,能够实现大行程以及较高频率的运动,并且响应快速,动态特性良好。实验结果表明,定位平台的固有频率达到60 Hz,开环分辨率达1.3μm,可实现XY方向±1.5 mm行程的运动。

道路交通排放对周边环境影响的分析——以兰州市安宁区学府路为例

探究城市道路中机动车污染物的排放对周边环境的影响,对环境治理起着至关重要的作用。通常通过分析污染物的影响因素,来建立排放模型。根据研究尺度的不同,将应用较广泛的模型进行划分,并对模型原理、应用及存在不足等方面进行归纳和总结。为了探究学府路道路污染状况,选取COPERT模型进行污染物排放量的测算,并使用ANSYS软件模拟了道路交通排放对学府路周边环境的影响,得出了污染物地图。结果表明:学府路工作日内4项主要大气污染物NO_(2)、CO、PM_(2.5)、PM_(10)排放量分别为67.7、269.1、15.1和22.8 t。数量占10.0%的轻型货车排放贡献较大,分别占机动车NO_(2)和PM排放总量的50.5%和69.1%。通过模拟值与实测值的对比发现,COPERT模型对于中观尺度的研究具有较好的支撑。

微纳马达的货物运输和操纵技术研究进展

微纳马达拥有广阔的应用前景,近年来得到广泛关注。作为微纳马达应用中的关键技术,微纳尺度的货物运输和操纵成为研究的重点。概述了微纳马达及货物运输和操纵技术的相关应用领域,重点阐述了货物运输和操纵机制,总结了目前内源驱动和外场驱动两种运输机制,外场作用力以及表面力两种操纵机制的研究进展,分析了各驱动机制的优势与不足,归纳了货物运输和操纵技术在药物靶向交付、环境修复及生物传感领域应用的研究现状。通过对比各项技术方案中微纳马达的移动速度、负载率以及释放率等技术指标,分析了各方案的优缺点。最后,分析了目前货物运输和操纵技术在人体复杂生物环境和大规模生态环境修复领域等应用中所面临的典型问题,指出了货物运输和操纵技术的发展和应用趋势。

汽车用微电机齿轮装配工位数字孪生系统研究

为了解决某汽车用微电机的齿轮装配工位因压头压力过大、过小和无压力导致的各种品质问题,文章提出建立数字孪生系统。此系统能够实时展现实物工位的运行状况和压头的位移和压力值,能对压力值异常情况进行故障报警和诊断。经过一周的试验测试,产品的合格率提升40%,达到99%以上,解决因大量不合格品的返修而造成的时间和成本的浪费问题,说明数字孪生系统的应用能够大大提升智能制造的水平,实现产品品质和效率的提升,最终使得成本降低。

基于电子阀工况的永磁步进电机剩余寿命预测

微型永磁步进电机作为电子阀核心器件,其运行状态对电子阀能否正常执行操作有着直接影响。为了准确掌握电机剩余寿命情况,提出了一种考虑个体差异Wiener过程的剩余寿命预测方法。首先通过分析电机性能退化失效过程,选取相电流有效值作为性能退化特征量;其次由于同型号多台电机同时参与实验,建立考虑个体差异Wiener过程的电机性能退化模型并基于EM算法进行参数估计;最后,设计一种将启停次数作为电机剩余寿命参考的实验,并与基于传统Wiener过程的预测结果进行对比。实验结果表明所提方法平均预测误差下降了3.74%,具有更高的预测精度。

大行程推拉电磁驱动微定位平台的内环阻尼与迭代学习控制

为了解决音圈电机驱动柔性微定位平台驱动力小和低阻尼谐振等问题,本文采用两侧音圈电机的推拉模式来提升驱动力的大小,并且利用内环阻尼控制器结合迭代学习控制方法来实现平台的精准控制。首先,搭建了互补配置的双音圈电机驱动双平行四边形柔性机构的微定位平台。其次,设计了内环阻尼速度反馈控制器。然后,采用逆模型迭代学习控制方法来进一步消除周期性的干扰和误差。最后进行了跟踪实验。结果表明:在跟踪1 Hz和2.5 Hz的正弦波时,相比于PI控制,最大误差分别减少74.6%和68.6%,满足微定位平台精准控制的要求。

音圈电机驱动微定位平台线性自抗扰滑模控制

针对音圈电机驱动柔性微定位平台控制速度和精度低以及抗干扰能力弱等问题,设计了一种将滑模控制和线性自抗扰控制相结合的复合控制器来提高平台系统的控制性能。首先,搭建了音圈电机驱动复合双平行四杆柔性机构的微定位平台和实验系统,并进行了系统辨识;其次,设计了线性自抗扰控制器,利用线性扩张状态观测器估计系统的内外扰动并在线进行扰动补偿,针对线性自抗扰控制器性能优化上的局限性,提出滑模控制器解决相位滞后问题来进一步提升轨迹跟踪精度;最后,利用所搭建的实验平台对控制方法进行了实验验证。结果表明,滑模和线性自抗扰复合控制器能够很好地克服内外干扰,与经典PID控制和单独的线性自抗扰控制相比,跟踪正弦波信号的最大误差分别减小了52.98%和21.26%,满足了微定位平台高精高速的控制要求。

基于分数阶PID的宏微复合驱动器宏动控制策略

针对宏微复合驱动器控制系统中存在定位误差大和调节时间长的问题,提出了一种基于次最优分数阶PID的控制策略。简述了宏微复合驱动器结构及工作原理,并基于电磁驱动原理建立了宏动部分数学模型;设计了分数阶PID控制器,并采用遗传算法和次最优的方法对控制器进行参数整定;通过数值仿真和实验验证了分数阶PID控制器的有效性。结果显示,采用分数阶PID控制器相较于传统PID控制器在5 mm以及更大定位行程中位移超调量下降超过57%,调节时间减少超过24%,且行程越大驱动器采用分数阶PID控制器控制效果越明显。研究结果表明,分数阶PID控制器在宏微复合驱动器宏动系统中的控制效果明显优于传统PID控制器。

基于峭度原则的VMD-SVD微型电机声音信号降噪方法

微型电机运转时的声音信号包含丰富的状态信息,可用于生产线上电机的快速检测,但由于待测电机体积小、声音能量低,采集过程中声音信号易与环境噪声耦合,导致声音信号提取和检测不准确。该文通过研究电机组成结构,分析声音信号频率成分与成因,得到该文研究电机的声音信号3倍频谐波特点,提出一种基于峭度原则的VMDSVD算法对电机声音信号进行提纯降噪,该算法采用VMD分段原理,对各分段信号进行SVD分解,提取谐波特征,利用峭度原则优化VMD参数选取。首先通过仿真信号对比实验,验证了该文算法具有更好的降噪效果和降噪性能指标。而后,将该方法应用于微型电机实测声音信号,测试结果表明提出的基于峭度原则VMD-SVD算法具有良好降噪效果,能够显著提高原始信号信噪比,更利于后续特征提取和故障检测工作。

微课联合雨课堂在运动系统疾病本科生整合教学中的应用

目的探讨微课联合雨课堂的融合式智慧创新教学模式在运动系统疾病本科生整合课程教学中的应用效果。方法选取2020年9月—2021年1月在重庆医科大学大三年级临床医学专业的两个班为研究对象,分为试验组(n=190)与对照组(n=188)。试验组采取微课联合雨课堂的教学模式,对照组采取传统教学模式。比较两组的阶段考试总成绩,同时采用匿名问卷调查学生对微课联合雨课堂的教学模式和教学效果的评价。结果试验组与对照组的阶段考试总成绩分别为(72.38±8.77)分和(67.95±11.39)分,试验组的阶段考试总成绩明显高于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。试验组81~100分及60分以下分数段的比例分别为21.58%(41/190)和5.79%(11/190),对照组81~100分及60分以下分数段的比例分别为13.83%(26/188)和18.09(34/188)%,差异有统计学意义(P<0.05)。匿名调查问卷结果显示94.74%(180/190)的学生对微课联合雨课堂融合式智慧创新教学模式非常满意。结论微课联合雨课堂能明显提升运动系统疾病本科生整合课程的教学效果,学生评价及认可度较高。

基于自学习非线性PID的音圈电机精密定位系统

基于音圈电机的精密宏微气浮运动系统,是一种能克服接触摩擦和行程限制的新型精密定位系统。针对系统中用于精密定位的音圈电机受到内外扰动从而影响系统最终定位精度的问题,在建立起音圈电机数学模型的基础上,设计了基于反正弦函数的自学习非线性PID控制器,利用自学习算法对非线性增益函数的增益系数进行实时调整。完成算法设计与仿真后,在搭建的系统平台分别进行了微动台短行程定位和宏微动台的长行程定位实验。仿真和实验结果表明,与传统PID控制器相比较,自学习非线性PID控制器的使用有效提高了系统的鲁棒性和定位精度,系统对位置指令响应迅速无超调,控制精度达到了亚微米级。

基于多域特征的BA - KELM微型电机故障检测

针对目前对于微型电机故障检测的研究较少及基于单域特征的传统电机诊断方法精度低等问题,提出一种基于集成经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition, EEMD)及蝙蝠算法(bat algorithm, BA)优化核极限学习机(kernel based extreme learning machine, KELM)的微型电机故障检测方法。所提方法包括样本集构造、模型训练及参数优化和模型测试3个步骤:首先,对采集到的微型电机信号进行EEMD处理并依据相关系数原则筛选出主要的本征模态分量(intrinsic mode fuction, IMF),结合计算得到的电机信号的时域、频域特征构造多域特征集并进行归一化处理,按一定比例将样本集划分训练集和测试集;其次,输入训练集,以错误率为适应度,并采用蝙蝠算法对KELM模型进行参数优化;最后,输入测试集对优化的BA-KELM模型进行测试,并与其他模型进行对比。试验结果表明,所提方法的准确率达98.75%,高于其余方法。

基于MEMS与压电陶瓷钎焊的微型超声电机

面向超声电机定子的一体化与微型化需求,提出了一种基于钎焊与微电子机械系统(MEMS)工艺的微型超声电机定子。对超声电机的原理和结构进行分析,利用有限元法对定子的模态与谐响应进行了仿真。利用钎焊工艺将锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷与金属弹性体进行连接,通过MEMS与机械加工工艺对定子的驱动足、上电极等进行制备。对超声电机定子焊接情况进行表征,对超声电机的振动性能与驱动性能进行测试。测试了PZT压电陶瓷与金属弹性体的结合强度,两者之间的抗剪切强度为33.46 MPa,观察了焊接截面形貌,可看出各焊接层厚度均匀,无裂缝、孔隙。搭建实验平台对定子的振动性能与驱动性能进行了测试,微型超声电机的定子的谐振频率为188.15与266.16 kHz,最大振幅为228 nm,在激励电压为30 V、预压力为350 mN时,微型超声电机的最大速度为38.22 mm/s。实验结果表明,该超声电机定子钎焊情况良好,驱动性能较高,具有广阔的应用前景。

OCT内窥镜驱动控制用微型压电马达的机电耦合动力学特性研究

针对光学相干成像技术(optical coherence tomography,OCT)内窥镜驱动控制应用要求,开发设计了直径1 mm、长度5 mm的微型压电马达。利用铁木辛柯梁模型和模态求和法推导马达定子在外部激励电压下的动态响应,结合Hamilton能量变分原理计算得到定子表面质点的模态振动位移和椭圆运动轨迹;进一步利用定转子接触模型和转子力矩平衡原理建立了微型马达的整体机电耦合动力学模型,仿真分析了不同参数对马达力矩-转速,力矩-效率以及负载特性等的影响。试验结果表明,当施加幅值30 V,频率21 kHz的激励电压时,马达转速随负载增加而减小,空载最大转速和力矩分别为400 r/min和2.4 mN·m,满足OCT内窥镜驱动控制应用要求。