基于响应面模型与自适应遗传算法的中空型行波超声电机柔性转子结构优化

中空型行波超声电机柔性转子由于结构复杂,因此存在设计空间较小、转子与定子接触界面接触不均匀、转子变形后内应力较大等问题。该文首先利用有限元方法建立转子尺寸参数化有限元模型;然后用拉丁超立方(LatinHypercube)随机抽样法,在设计空间内建立响应面模型;最后,利用自适应遗传优化算法(self-adaptive genetic algorithm,SAGA)基于响应面模型得到设计空间内的全局最优解。为了验证优化结果的合理性,设计了定子外径为ф70 mm,陶瓷片内外径尺寸分别为ф55 mm和ф70 mm的超声电机配合该文设计的转子进行磨合实验。实验证明,经过优化设计得到的转子与定子之间接触更均匀,转子变形后内应力减小,转子变形空间更大。

贴片式纵弯复合型直线超声电机的理论建模与实验研究

为了满足狭窄空间的精密驱动与控制需求,提出一种结构简单、紧凑、体积小、重量轻的贴片式纵弯复合型直线超声电机。通过两相电信号激励电机定子产生纵弯复合模态,并在驱动足处耦合出椭圆轨迹,从而经摩擦作用驱动动子实现电机的双向运动。首先,采用传递矩阵法建立定子系统机电耦合模型以分析定子的动力学特性,并对定子结构尺寸进行优化设计。其次,加工并装配定子的原理样机,通过测振实验验证了理论模型的正确性。最后,搭建实验平台并对电机原理样机进行了机械输出性能测试,结果表明:在峰峰值200V驱动电压下,电机原理样机在左右2个方向上的最佳驱动频率分别为35.6kHz和35.7kHz,对应的最大空载速度分别为486mm/s和551mm/s,最大推力为0.4 N;在峰峰500V驱动电压下,电机原理样机在左右2个方向上的最大推力分别为0.48N和0.46N。

采用有效信号段自提取算法识别结构多损伤位置

为识别结构中的多处损伤,提出了一种采用有效Lamb波信号段自提取算法计算结构损伤指标的多损伤识别成像方法.该方法将结构的待检测区域划分为数个子区域,并根据Lamb波的传播时间和波速从传感器接收到的信号中自动提取出包含结构信息的有效信号.以该有效信号作为输入,计算每个子区域中基于信号相关系数所获得的损伤指标,最后采用RAPID算法对全部识别区域内的损伤位置进行识别和成像.以航空铝板为研究对象进行了实验验证研究,结果表明,该方法能快速有效地识别出多个损伤,并较为准确地实现损伤成像以描述损伤的位置.

典型加筋板结构面内裂纹偏转与扩展行为分析

为研究筋条截面形式和多部位损伤对整体加筋板裂纹偏转行为和断裂特性的影响,采用断裂力学和有限元方法对其进行分析.首先建立整体加筋板疲劳裂纹扩展模型,通过与裂纹扩展速率试验进行比较验证模型可靠性;在此基础上讨论筋条截面形式对裂纹断裂参量和转折行为的影响;最后对多裂纹问题进行研究.结果表明:筋条截面形式对断裂参量的影响并不显著,裂纹偏转行为在远离筋条区域扩展时发生的可能性最大;多裂纹情况下裂纹并不会转折,而是笔直扩展进而连通成一条大裂纹,同时由于相邻裂尖的强烈干涉,造成应力强度因子剧增,加速裂纹扩展,进而严重缩短了扩展寿命,因此需采用有效的修补手段来提高结构的剩余强度和使用寿命.

直线超声电机驱动精密二维定位平台系统

针对当前精密作动技术领域对精密定位系统提出越来越高的要求，设计了一种由蝶形直线超声电机驱动的二维精密定位平台系统。该定位平台系统行程为50mm×50mm，以直线型增量光栅编码器作为位置反馈元件，通过上位机编程实现运动控制卡对精密定位平台系统进行控制。为了实现直线超声电机的驱动，设计了一种新型直线超声电机驱动器，实现驱动电压和驱动频率的独立控制。在控制过程中，通过使用复合控制技术，同时结合直线超声电机具有高分辨率步进的控制特性，最终使系统达到高精度运动的控制效果。实验结果表明，在0～50mm行程内，实现了小于0．28μm的定位精度。

一种基于系统辨识的Buck型变换器特征参数提取方法

故障预测及健康管理(prognostics and health management,PHM)对于保障系统的安全可靠具有重要作用。随着电力电子装置在各领域的应用愈发广泛,急需研究电力电子装置的PHM技术。特征参数提取是PHM技术的基础,该文首先简要说明了电力电子电路特征参数提取的研究现状。然后针对基于混杂系统模型的电力电子电路参数辨识方法中,存在较多影响实际辨识精度的非理想因素这一关键问题,以电路中目标器件为建模对象建立线性模型,提出了一种通用性较好的Buck型变换器参数提取方法,并结合Matlab仿真分析了该方法的性能,包括收敛速度以及辨识精度。最后进行实验验证,实验结果表明,该方法的参数辨识精度可达95%以上,验证了这一方法的有效性。

直线超声电机驱动信号分析及其微步距输出特性研究

为了充分利用直线超声电机响应快、分辨率高的特点,并实现电机的微步距控制,研究了激励信号对电机微步距输出特性的影响。首先,通过分析电机的瞬态特性,研究了电机单步距作动过程;其次,为了实现电机激励信号的精确控制,分析了双PWM拓扑结构超声电机驱动器的工作原理,并通过实验对驱动器关断控制进行了研究;最后,分别研究了激励信号周期数、激励电压峰峰值和激励时间间隔对电机微步距特性的影响。实验结果表明,当驱动器采用具有泄放回路的零相位关断时,能够实现激励信号的精确控制。当以激励电压作为参变量,激励时间间隔大于10ms时,电机微步距特性曲线具有较强的线性特性,有利于电机微步距控制;激励时间间隔小于3ms时,能够有效降低电机平均速度,实现低速控制。

基于振动特性和电学特性的行波超声电机非线性带载骤停现象研究

当前航空航天领域内对超声电机,特别是行波型超声电机(下文简称超声电机)的需求越来越大。而超声电机在使用过程中的非线性现象导致的问题越来越突出。目前亟待解决的超声电机非线性问题是超声电机工作在一定的扭矩负载(小于堵转扭矩)状况下会出现突然停机的现象。该文分别从振动特性和电学特性分析了电机的骤停现象,提出行波型超声电机负载扭矩增加会导致电机定子阻尼和刚度同时增加,从而导致振动阻尼比减小。电机定子振动阻尼比减小会导致电机实际的共振频率升高。同时,负载增大会导致电机系统在同一频率下的阻抗模减小,使得电机实际的共振频率进一步升高。电机驱动频率不变,当电机实际的共振频率升高并从低到高穿越电机驱动频率时,超声电机会出现骤停现象。实验证明,负载扭矩增加导致电机系统阻尼比减小和电机系统阻抗模减小是影响到电机带载骤停的根本原因。

三角转换式双足压电直线电机的驱动电路设计

设计了一种适用于三角转换式双驱动足非共振压电直线电机的驱动电路。该驱动电路采用PSo C3作为信号发生器,产生4路相位差为90的正弦波信号,再经过由OP07和PA42构成的两级线性电压放大电路以及由2SC5200和2SA1943构成的功率放大电路后,输出大功率的偏置信号,实现电机运行。同时,通过对电路幅频特性曲线图的分析,研究了自激振荡的产生与防止措施,并针对高频特性下出现的交越失真问题,提出了甲乙类单电源互补对称功率放大电路的方案。实验结果表明,该驱动电路能输出理想的正弦信号驱动电机稳定运行,其输出电压(0~120 V)与驱动频率(0~2 k Hz)均可进行独立连续调节,具有功率大、精度高的特点。

共阶梯轴双定/转子超声电机的极端环境试验研究

为了进一步扩展超声电机在航空航天领域的应用范围,综合研究了共阶梯轴双定/转子超声电机在极端环境下的输出特性。对于这种性能优越的新型超声电机,制作了适用于极端环境的试验样机,进行了真空、高/低温复合环境以及振动环境环境试验研究。探讨了各种环境因素对电机性能的影响。结果表明,真空、高温、低温、振动等环境因素会对电机输出性能产生不同程度的影响,共阶梯轴双定/转子超声电机具备一定的极端环境适应性。该研究为超声电机在航空航天领域的广泛应用提供了参考。

静电电机理论研究与性能仿真分析

静电电机不使用磁铁、无需线圈、结构简单、效率高,在微机电系统中有着潜在的应用前景,但目前基于电容可变原理的直线型静电电机还缺乏理论模型。该文以一种双激励直线型静电电机为例,通过求解多层介质情况下的泊松方程和拉普拉斯方程,获得电机内部电场分布情况;继而通过静电能量的虚位移法获得电机推力特性,由此建立起完整的电机数学模型,并计算得到电机动子的推力曲线和最大电场强度数值,该推力曲线可用于指导电机换相系统设计;随后建立电机的二维有限元模型,仿真结果验证了所提数学模型的正确性;最后根据电机各个参数与最大推力的关系并结合Sobol灵敏度分析结论对电机进行优化设计。结果表明,输入电压,介电常数和定、动子导体间距离对电机推力的影响最大,电极宽度对推力的影响最小。据此可指导该类电机的设计。

三相驱动交替步进压电直线电机

基于叠层压电陶瓷的压电直线电机有望应用于光波导封装等高新技术领域,已有的研究中电机性能有待提高。为此提出一种三相驱动交替步进压电直线电机。分析其工作机理,从理论上对比三相方波三角波(两路反相方波与一路三角波)电压信号与四相正弦波电压信号驱动下电机的输出特性,分析预压力对电机工作情况的影响,采用有限元方法对电机夹持结构进行刚度分析。根据分析结果设计了电机结构并制作了样机,通过实验测试了样机的机械性能,验证了该原理方案的可行性。在峰峰值为100V,频率为100Hz的三相方波三角波、四相正弦波电压信号驱动下,该电机的最大速度分别为0.502,0.432mm/s,最大推力分别为4.63,3.73N。文中提出的电机性能得到了提升。

基于RFID技术的石油钻具管理系统研制

为了提高钻具管理的信息化水平,研究了基于RFID技术的钻具信息采集管理系统。选择适用于钻杆的超高频RFID标签作为信息载体,采用有限元方法分析了标签安装孔对钻杆强度的影响;以超高频RFID读取技术为基础,构建了环形阵列天线结构的信息采集硬件系统,天线阵列发出的读写信号能够全向覆盖钻杆;采用.NET技术构建远程信息管理系统,实现了钻具信息采集、存储的远程无人值守;环形阵列天线及读写器安装在钻井平台下方,起下钻作业时钻杆穿过环形阵列天线,即使不知道RFID标签埋入位置也能采集到钻杆信息,通过Web端即可管理钻杆信息。试验结果表明,在RFID芯片位置未知的情况下,钻杆以0~2.00 m/s的速度运动时,系统能准确无遗漏地采集钻杆信息。基于超高频RFID技术的钻杆管理系统的研制,为石油钻具管理信息化提供了有效途径。

超级电容器充电过程中的双重均压研究

超级电容器作为储能器件在工业领域有着广泛的应用。为提高超级电容器模块的输出特性,延长模块的使用寿命,以面向未来航空航天器瞬时功率的应用需求为基础,文中提出一种安全可靠的超级电容器双重均压技术。通过测量恒流充放电条件下超级电容器的充放电曲线及计算单体特征参数,揭示模块中单体的不一致性。在恒流充电过程中,双重均压电路以Buck-Boost电路为主要电路,开关电阻法电路作为备用电路,使模块实现充电时的动态电压均衡并在充电结束时达到额定电压值且不出现过充现象。双重均压电路解决了超级电容器模块中因单体不一致性所致的电压不均衡问题。