脉冲控制系统（精选十篇）
脉冲控制系统 篇1
动力调谐陀螺是一种利用挠性支承陀螺转子,并将陀螺转子与驱动电机隔开,其挠性支撑的弹性刚度是由支撑其本身产生的动力效应来补偿的。他广泛应用于导弹、坦克、火箭、航天器、导航与定位等领域,是陀螺技术发展史上具有重大革新和突破的第三代惯性级精密陀螺。本文将介绍该陀螺的力反馈电路及其脉冲记数电路的实现方法。
1 系统的硬件设计
硬件包含两部分:动力调谐陀螺(DTG)脉冲力反馈系统设计和基于SOPC的数据采集部分设计。
1.1 动力调谐陀螺(DTG)脉冲力反馈系统设计
系统结构框图如图1所示。动力调谐陀螺,力矩器和信号器在硬件结构上是集成为一体的。
利用力反馈回路实现对动力调谐陀螺的锁定,由陀螺漂移及输入角速率产生相应信号器输出控制陀螺仪力矩器中主线圈中模拟电流的大小,信号器输出经过前置放大,滤波和PID校正后送到脉冲调宽电路,与产生的三角波进行合成。陀螺正转时,三角波脉冲宽度增加;陀螺反转时,三角波脉冲宽度减少。通过测量正负通道的脉冲数量来测得陀螺的转速和转向。以下重点介绍三角波产生电路,其原理图如图2所示。
三角波产生器采用双电源±15 V供电,2Q端口输出的是CD4060脉冲源产生的5分频正脉冲信号,由于Q1接成射集跟随器形式,经三级管Q1射集产生的是同步脉冲信号,其输入三级管Q2的基集,高电平时Q2导通电容充电,低电平截止时电容放电。电容反复充放电产生三角波,其周期与时钟脉冲周期相同。放大器提供稳定电压参考值, PNP型复合管Q6与放大器组成恒流源对电容充电。Q3也接成射集跟随器,射集输出与时钟脉冲信号同步的三角波信号,经过RC积分电路产生具有正负脉冲形式的三角波信号。将陀螺输出信号经过放大、滤波、教正后与三角波比较,从而产生调宽波控制极性开关给力矩器加电流。
1.2 SOPC系统的设计
SOPC系统实现对陀螺力反馈脉冲数的采集。SOPC (System on a Programmable Chip,片上可编程系统)是Altera公司推出的一种灵活、高效的解决方案。Altera公司的Quartus Ⅱ软件提供了可编程片上系统(SOPC)的一个综合开发环境,是进行SOPC设计的基础。Quartus Ⅱ支持图形界面设计和硬件描述语言VHDL设计,受文章篇幅限制和便于描述,原有的VHDL设计都已转换为bsf格式,即可被工程文件直接调用的图形符号。首先,在Quartus Ⅱ中创立工程文件,应用Quartus Ⅱ集成的SOPC Builder开发工具创建嵌入式处理器内核NIOS系统,指定目标FPGA和时钟周期,然后添加到工程文件中。Nios Ⅱ嵌入式处理器包含三种内核:经济的(Nios Ⅱ/e)、标准的(Nios Ⅱ/s)和快速的(Nios Ⅱ/f)内核,每种都针对不同的性能范围和成本。使用Altera的Quartus Ⅱ软件、SOPC Builder工具和Nios Ⅱ集成开发环境IDE,用户可轻松地将Nios Ⅱ处理器嵌入到他们的系统中。Nios内核处理器及外围电路的设计如图3所示。
顶层文件设计了一个SDRAM时钟系统和复位电路,该时钟信号由FPGA内部PLL的来产生,可利用FPGA内部的PLL来产生一个内部时钟信号,作为Nios Ⅱ处理器和分频器的时钟输入。该系统设计了一个2 kB片内ROM存储器(OnchipROM)用于存储器代码以及程序运行空间;1 kB片内RAM(OnchipRAM)用于变量存储(R/W数据)、Heap、stack等。FPGA内部其实没有专用的ROM硬件资源,实现ROM的思想是RAM赋初值,并保持该初值,即是只读的。ROM的内容在FPGA进行配置时一起写入FPGA。添加的PIO外设包括时钟信号(CP48M)、使能信号(enable)、复位信号(reset)、七段码驱动信号(show)、片选信号(sel)、小数点显示信号(decimal)等。FPGA内部设计如图4所示,共5个下层模块:分频模块(dividedfre4)、防抖模块(debounce)、计数模块(fretest)、锁存模块(frelatch)、显示模块(display)。这5个下层模块组成一个上层模块。
2 软件部分设计
2.1 软件流程图
软件流程图如图5所示。
2.2 软件功能仿真
Altera公司的Quartus Ⅱ软件提供了可编程片上系统(SOPC)设计的一个综合开发环境,是进行SOPC设计的基础。Quartus Ⅱ集成开发环境包括以下内容:系统级设计,嵌入式软件开发,可编程逻辑器件(PLD)设计,综合,布局和布线,验证和仿真。利用Quartus Ⅱ进行的功能仿真结果如图6所示。
图6中输入被测频率信号input=20 kHz,由局部放大图可知,t=1 s时,闸门信号开启,t=2 s时,锁存计数值,显示为20.00 kHz。局部放大如图7所示。
3 结 语
由试验仿真结果与实际电路中测的数据完全吻合,证明系统设计成功。而前提是动力调谐陀螺运行稳定,所以陀螺脉冲力反馈系统是设计中的重要环节。三角波产生电路是脉冲力反馈回路的核心和硬件调试环节中最需要重视的部分。
摘要：给出一种动力调谐陀螺的测试电路,采用SOPC技术实现了测试记数功能。首先介绍了陀螺脉冲力反馈再平衡回路系统的设计,然后给出了一种基于Altera公司SOPC的嵌入式力矩脉冲计数系统接口的设计,简单介绍了SOPC的特点。详细讨论了脉冲频率计数系统在硬件和软件方面的设计原理与实现方法,同时给出了设计流程图和仿真波形图,最后给出了仿真结果。
关键词：动调陀螺,SOPC,Nios,脉冲计数,力反馈
参考文献
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脉冲控制系统 篇2
1励磁控制系统建模分析
电机扩大技术成熟、可靠性高,控制绕组多,是传统的消磁主电源励磁装置的首选。但扩大机作为特殊的直流发电机,本身时间常数大,且参数可调范围有限,并不适用于图2所示工况。研究和实践表明,针对图2所示的特殊工况,其励磁装置需采用适用于电机控制、参数可调范围大、反应迅速的基于数字控制的整流式励磁装置,得到消磁脉冲电源电气部分物理模型如图3所示。消磁脉冲电源交流发电机采用有刷励磁、励磁装置功率部分采用晶闸管整流,通过传感器将机端强电信号转换成弱电信号作为反馈信号,经模数转换,与给定信号比较,经数字PID调节形成控制信号控制晶闸管的开关,将三相交流电整成6脉波直流电,大小由控制信号决定,通过电刷给发电机励磁绕组供电,从而控制消磁电流波形。虽然图3所示模型中晶闸管整流部分和不控整流部分都是离散的工作模式,但相对于消磁主电源系统的机械时间常数来说,其间隔时间可忽略,从控制的角度讲图3所示的模型可当做连续系统处理[1]。系统的.储能飞轮重达数吨,再加上其它机械结构,系统有很大的惯性,工作过程中电枢转速可视为恒定:晶闸管整流部分可视为增益为k0、时间常数为T0的一阶惯性环节;发电机励磁绕组的电感为L、电阻为R;发电机电枢连同负载(包括不控整流装置和消磁绕组)可视为增益为k1、时间常数为T1的一阶惯性环节;反馈通道视为增益为k2、时间常数为T2的一阶惯性环节,则消磁主电源电气部分数学模型如图4所示。图4所示模型中,励磁装置的时间常数为毫秒级;交流发电机直接带整流负载,非对称工作模式,可认为它总是处于超瞬态,交流电机电枢的超瞬态电抗很小[3-6],电枢连同负载的时间常数为0.1s左右;反馈环节的时间常数约为数十毫秒;交流发电机励磁绕组的时间常数一般可达数秒,所以消磁主电源电气部分的惯性主要来自发电机励磁绕组,在计算PID控制环节参数时,可先不计其它各环节的影响,在不考虑PID环节的D参数时(D参数在后面考虑),得到简化的消磁脉冲电源励磁控制模型如图5所示。
2控制参数计算
消磁脉冲电流最后一个脉冲的幅值很小,这就需要对发电机输出的剩磁电压进行控制。根据图6所示的同步发电机短路特性曲线和图7所示的空载特性曲线可知,要使最后一个脉冲满足要求,发电机空载剩磁电压须控制在20V以下,而该发电机的空载剩磁电压接近100V,故励磁装置需产生偏置电流以补偿剩磁电压。补偿后实际输出空载剩磁电压小于2V。
3小结
脉冲控制系统 篇3
关键字：高能气体保护脉冲冷弧技术成型，红外测温，激光实时补偿，氩气降温
1.引言：快速成型技术[1-4]集成现代数控技术、CAD/CAM技术、材料科学等领域的最新成果，以增材制造为思想，以降维制造为手段，实现三维原型件或功能件的先进制造技术。当前，快速成型技术基本用于非金属样件的加工，然而其加工出来的产品，在机械、力学及材料学等各方面的性能，还不能够满足工程上的实际需求。另外当前的快速成型技术成型的精度比较低有待进一步的提高。目前最主要的金属快速成型装置多为采用了激光器或者是电子束作为成型的探头，然而此类设备的结构比较复杂、功耗较大、寿命却相对来说比较短。工业生产对提高设备的成型精度和降低设备的运行成本有十分迫切的需求。因此，基于精密焊接技术基础的快速金属模型、模具的制造是一种非常实用又制造成本较低的方法， 其研究具有较高的理论意义和很大的实用价值。
2.研究内容：在金属高能脉冲熔积快速成型系统中，控制模块和软件的设计与实现是其核心。主要包括模型建立、数据转换、传送、解析、电机控制模块。系统采用 ATmega2560核心板为控制器，系统首先采用CAD制图模块制作出三维立体模型并导出其G码，然后通过C#编写上位机软件将G码传递给ATmega2560控制端，ATmega2560可以自动解析G码，从而控制电机及喷头的运动，最终实现三维立体成型。控制模块结构原理图如下图1-1所示：
图1-1 控制模块结构原理图
2.1 控制电路总体结构
本系统控制核心采用ATmega2560，系统包括步进电机驱动、喷头控制、走丝控制、红外测温控制四部分。ATmega2560控制板通过串口与上位机软件进行通信，当接收到上位机发送的G码后，进行传递解析并控制相应的步进电机动作。此外，固态继电器实现喷头的运动及温度控制。红外测温模块采用MS6520B红外测温枪，红外测温枪主要用于温度的测量与显示。控制电路采用ATmega2560控制板为核心控制器，与电机驱动电路、温度控制电路相结合实现喷头的运动及温度控制。控制电路的核心部分为ATmega2560，其作用是解析从上位机端接收到的数据（G代码），生成相应的控制信号，分别控制电机驱动模块和SSR固态继电器，进一步驱动XYZ轴步进电机及喷头。控制器设计如图2-1所示：
图2-2 控制器设计
2.2 关键模块的设计与实现
金属高能脉冲熔积快速成型系统关键模块的设计与实现主要包括：核心控制模块、USB通信模块、XYZ轴运行控制模块、电机驱动模块、限位开关电路模块。
2.2.1 核心控制模块
本系统控制核心采用ATmega2560控制板，通过USB通信模块与PC通信，接收数据并处理，通过控制步进电机带动喷头运动，根据三维模型快速成型工件。ATmega2560运算速度快、精度高，是一种简单易用的开源形电子原型平台。本研究采用ATmega2560控制步进电机驱动喷头、走丝、红外测温动作，与PC机外围设备相连，运行时与PC机上的软件进行通信。
2.2.2 USB通信模块
成型机原型系统中计算机软件模块与ATmega2560控制板的交互，通过USB通信模块来完成。USB通信模块主要负责PC机端与ATmega2560端的信息传输，只需通过一根USB线就可实现接口转换。使其在上位机中不需根据情况改变传送数据类型，而直接传送数据，该模块通过转换数据使得上位机和下位机能实现高效通信。由于电脑中并没有串行UART接口，而ATmega2560控制板只能通过USB转串口电路实现电脑与电脑之间的通信。接口转换芯片采用FT232RL，可以实现USB到串行UART接口的转换，也可转换到同步、异步Bit-Bang接口模式。
2.2.3 XYZ轴运行控制模块
金属高能脉冲熔积快速成型系统的主体框架由直线光轴搭建，光轴之间用框架脚连接，并将步进电机固定在各轴上。中心的熔积喷头由ATmega2560控制，X、Y、Z控制系统有四个步进电机驱动，电机由ATmega2560控制。X、Y、Z轴互为直角，X、Y轴是由同步带分别接一个步进电机来定位，Z轴则是由丝杆控制，通过两个步进电机驱动，喷头由一个单独的步进电机控制。
2.2.4 XYZ运动电机驱动模块
ATmega2560通过4块A4988电机驱动芯片来控制系统X、Y、Z轴的移动，使控制系统精度高，稳定性好，同时A4988较小的结构节省了安装空间。A4988芯片是一种带转换器和过流保护的 DMOS 微步驱动器，驱动芯片通过响应ATmega2560发送的数据来控制步进电机运动。
2.2.5 限位开关电路模块
限位开关是一种电气开关，用以限定机械设备的运动极限位置。为了避免喷头部分运动而碰到系统周围框架，造成支撑杆和传动带损坏。在喷头运动边界部分安装限位开关，当喷头运动到极限范围时会触碰到限位开关，从而使电路断开，及时保护系统。
2.3 通信软件部分
通信软件是一套由C#编写的上位机控制软件，它与ATmega2560通过串口进行通信，并且将需要成型的三维图像信息转换成可以识的G代码，并将其传输给ATmega2560。本部分通信软件的开发环境为Microsoft Visual Studio2010，采用C#为开发语言，通信方式通过USB进行串口通信。通信软件工作的方式首先对电路板进行测试。设置发送数据方式为手动控制，可以通过改变X、Y、Z轴的坐标参数来控制快速成型机的运动。其次进行实物打印，设置发送数据方式为自动发送，打开串口，控制软件可以将模型编辑器生成的G码通过串口自动发送给ATmega2560。单片机对G码进行解析，从而控制X、Y、Z轴的电机运动。整个环节中，ATmega2560编程采用IDE编程软件，其界面友好，编程简单，而且是开放源代码的软件，它还免费提供了丰富的函数库可以随时调用。并且只需要一根USB线就可以将编写好的程序方便的下载。C#编程采用Microsoft Visual Studio2010进行编程，它不仅具备操作简单、使用方便、易于编程与下载的功能，还具有集成的开发环境、上位机控制和实时测试的功能。
2.4 CAD成型软件接口
系统首先使用CAD绘图软件画出所要成型件的CAD模型，然后用G码转换器把CAD模型转换成G码。再使用G代码传输软件读取G码，并把G码信息解码后通过串口传送给ATmega2560完成相应控制动作。下图中的2-1为CAD模型设计，2-2为G代码传输到上位机。
图2-2 CAD模块设计 图2-3G代码传输到上位机
左图直接将需要成型的模型生成G代码文件，然后G代码文件经过右图打印机控制软件传送给ATmega2560，ATmega2560控制板可以自动解析G代码，从而控制电机运动，实现快速成型。
3 总结
对金属高能脉冲熔积快速成型系统的核心控制部分进行了详细研究与实现，完成了核心控制电路的设计以及通信模块的设计。完成了ATmega2560核心控制器与C#通信软件的编程。实现了CAD成型软件接口通过ATmega2560的G码解析执行，并将其发送到上位机软件，控制器可以很好的控制步进电机和喷头动作。
参考文献：
[1]王位. 三维快速成型打印技术成型材料及粘结剂研制[D].华南理工大学，2012.
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[3]尹希猛，王运赣，黄树槐. 快速成型技术——90年代新的造型工具[J]. 中国机械工程，1993，06：30-32.
[4]颜永年，张伟，卢清萍，王刚，刁庆军，时晓明. 基于离散/堆积成型概念的RPM原理和发展[J]. 中国机械工程，1994，04：64-66.
作者简介：汪静，甘肃省电力公司电力经济技术研究院，甘肃省兰州市七里河区西津东路628号，邮编：730000，女，1988.12生，汉，甘肃陇西人，初级助理工程师，硕士研究生，方向：智能仪器与检测技术，电话18709578169
分布式脉冲监测系统 篇4
运载火箭时序系统在火箭飞行过程中按预先确定的时序和时间接通或断开相应电路的时间控制指令串, 指令串采用脉冲信号的形式发送到各个执行部件, 控制火箭飞行。
高精度分布式脉冲监测系统实时监测运载火箭时序系统在地面试验过程中发出的脉冲信号, 记录脉冲次数、到达时间、宽度和时序, 并与试验要求时序进行数据比对, 验证时序系统信号, 监测火箭时序控制部件。
1 系统设计
系统组成框图如图1所示。监测系统由测试电缆、测试设备和测试软件三部分组成。测试电缆即能适用实验环境, 也可适应发射场恶劣的工作环境, 电缆外层采用绝缘橡胶保护。测试设备采用定制CPCI机箱, 机箱中插入6块3U脉冲调理卡、1块脉冲采集卡、2块互为热备份的供电电源和1块面板LED信号灯。脉冲调理卡调理脉冲信号, 点亮对应的面板显示灯, 同时通过定制的CPCI背板传输到脉冲采集卡中;脉冲采集卡实时采集脉冲信号, 存储到板卡设计的FLASH存储器中, 可使用上位机软件事后导出, 同时脉冲采集卡通过485串口与上位机软件进行应答式通讯, 上传脉冲数据。面板LED信号灯采用面板贴膜的方式显示信号灯对应的物理含义, 不同的物理含义可通过更换贴膜实现更改。测试软件采用Labview平台开发设计, 软件采用配置文件配置试验标准信号时序, 同时使用表格和虚拟灯的形式显示脉冲信号试验数据, 虚拟灯与测试设备面板的信号灯一一对应。软件实时保存信号试验过程数据, 并可在事后回放试验数据, 与测试设备中存储的脉冲数据进行比对验证。
1.1 监测系统硬件设计
嵌入式测试设备采用4UCPCI架构, 对每块印制板采用六点定位并带锁紧装置和助拔装置, 方便调试和拆装。印制板采用标准3U高度设计, 为标准CPCI板卡尺寸。板卡插槽用于插入脉冲信号调理板卡、脉冲采集板卡和电源供电模块。脉冲采集板卡与电源板卡隔槽安装, 防止电源板卡干扰FPGA脉冲采集板卡正常工作。电源模块采用标准的250W RTX电源, 该电源模块使用CPCI总线, 有5V/33A、3.3V/33A、12V/6A和-12V/1.5A输出端口。根据电路中的功耗计算, 此类电源符合设备的一类降额标准, 并且对其冗余设计, 即用两个相同的电源并联输出, 即使一个电源发生故障, 设备也不会停止工作, 从而保证测试设备安全、可靠地工作。设备组成框图如图2所示。
每个嵌入式采集设备前面板上有LED信号显示灯和设备复位按钮, 复位按钮可复位面板灯显示状态。插槽中有6块板卡, 每块板卡可调理12路脉冲信号, 高端一点双线, 低端单点单线, 共72路。设备通电后, 上位机软件给各台嵌入式采集设备发送开始命令, 测试设备开始监测箭上信号并开始计时。当箭上时序系统发出脉冲信号, 嵌入式采集设备通过脉冲信号调理卡调理脉冲信号, 然后把信号发送到嵌入式采集设备前面板, 用LED灯显示, 并保持灯亮至复位按钮按下, 同时该信号被FPGA脉冲采集板卡实时采集调理信号, 存储在FPGA脉冲采集板卡的FRAM中, 当上位机软件发送数据提取命令, FPGA脉冲采集板卡上传脉冲信号数据给上位机软件。
脉冲调理板卡设计如图3所示。
脉宽Vin输入电压为25V~40V, 与Vref作比较, 低于10V脉冲信号不响应, 迟滞电压为1V, 比较器输出经后端磁耦隔离和电平转换, 送入FPGA采样脉冲采集板卡, 脉宽宽度小于60µs, 由FPGA脉冲采集板卡自动滤除。
FPGA脉冲调理板卡设计如图4所示。
FPGA脉冲采集板卡实时采样信号调理板卡输出的脉冲信号, 然后使用RS485串口向上位机 (测控显示计算机) 发送脉冲信号数据, 板卡中使用FLASH模块存储测试数据, 当设备意外断电后, 数据不会消失, 具有存储记忆功能。FLASH中实时存储脉冲时间、脉冲种类、脉冲次数、标识符等数据。板卡可接收上位机软件发送的“开始测试”、“停止测试”、“数据上传”、“复位”以及其他一些参数设备指令。当收到开始测试指令时, 板卡开始计时, 并对各个信号到达时间进行标记。当接收到复位指令时, 板卡复位RST信号, 经J1传送至CPCI背板, 在传至各个脉冲调理板卡, 清除RS触发器, 使RS触发器输出0。当接收到数据上传指令, 板卡通过RS485串口通讯向上位机发送脉冲信号数据。当收到停止测试时, 板卡结束计时, 清除所有临时缓存的测试数据。
1.2 监测系统软件设计
软件采用动态加载模块化的方式设计。试验现场安置1台用于连接监测系统嵌入式测试设备的PC机, 软件实现对各台测试设备的数据采集和数据回放。数据采集软件组成框图如图5所示。
采集软件为每台嵌入式采集设备分配一个副本模块, 该模块由数据采集线程、错误处理线程和数据存储线程组成。
错误处理线程实时监测各个线程运行过程中出现的各类错误, 使用状态机技术把错误处理过程分为错误捕捉、错误存储、错误恢复和错误查询[3]。其中错误恢复状态下, 把状态分为警告、一般、严重、紧急等多种级别来恢复应用程序到不同的等级下运行[4]。
数据采集设计流程框图如图6所示。
主程序运行后, 软件同步各级测试设备的起始计时, 然后软件开始接收各级测试数据, 解析测试数据, 在界面用表格方式显示测试数据。若用户点击停止按钮, 软件等待初始化完成后再停止测试, 关闭程序, 释放内存。若用户点击灯显示按钮, 界面进入模拟显示面板, 用户通过各级选择按钮, 显示各级显示情况, 此时, 程序同时也接收、解析各台嵌入式测试设备上传的测试数据。
数据存储软件设计流程框图如图7所示。
主程序初始化后, 自动建立以时间命名的数据表文件, 然后等待用户操作, 接收数据采集模块实时传输数据, 存取数据到文件指定的位置中。当用户点击停止按钮, 便保存数据, 调用文件关闭控件, 释放内存。
2 监测系统实现
2.1 监测系统软件界面
软件右侧顶端可以进行状态选择, 针对不同型号状态的火工品, 事先配置好各个节点的定义, 即每台火工品等效器72路监测点可配置相应的节点定义, 与前面板LED灯的定义一致。
当点击开始运行按钮后, 终端机向3台等效器发送“01开始监测”命令, 3台等效器收到命令后使能脉冲采样, 返回响应数据, 界面上3个指示灯亮起, 表示开始监测。
每台等效器有测试时间和运行时间, 测试时间是预先设置的, 不同型号状态的测试时间不同, 最长可设置72小时。运行时间即开始采样后的实际运行时间, 当运行时间等于测试时间, 表示一次正常测试完成, 系统自动停止监测。软件虚拟灯显示界面如图9所示。
2.2 数据回放界面
界面左侧列表为以往实验数据保存的文件格式, 选中相应数据文件读取, 实验数据会以真实实验情况回放数据, 以表格形式显示在右侧数据表中, 脉冲间隔、脉冲次数都会以实际的间隔显示, 即一次实验若是持续1小时, 数据回放完所有内容的时间也是1小时, 为了便于快速查询数据, 界面底部设置了回放速度调试旋钮, 最快可以10倍速回放一次实验数据。
3 结论
系统采用485通讯分布式部署嵌入式脉冲监测系统, 满足系统分布式测试需求, 各台嵌入式采集设备基于CPCI总线设计的分布式脉冲采集设备, 实现了对脉冲信号的宽度、上升沿到达时间、下降沿到达时间、脉冲次数等数据的实时监测和脉冲数据冗余备份。系统运行稳定、安全且可靠, 为火箭试验测试和事后数据分析、数据追溯提供依据和保障。
摘要：针对火箭脉冲信号通道多、宽度窄、时序复杂、精度高等特点, 本文设计了一套高精度分布式冗余脉冲监测系统。系统硬件采用CPCI结构脉冲调理板卡、脉冲采集板、冗余供电电源和脉冲信号显示灯组成。系统软件采用Labview平台开发, 实时监测脉冲信号, 显示脉冲宽度、脉冲次数、脉冲到达北京时间、脉冲到达相对时间, 以表格的形式显示脉冲信息, 以虚拟灯的形式显示脉冲时序并与系统硬件中的脉冲信号显示灯对应。系统试验完成后, 通过回放文件中保存的脉冲到达时序和硬件板卡中存放的脉冲试验信息验证查看试验效果。
关键词：分布式,冗余,高精度
参考文献
[1]陈树学, 刘萱.LabVIEW宝典[M].北京:电子工业出版社, 2011.
[2]杨高科.LabVIEW虚拟仪器项目开发与管理[M].北京:机械工业出版社, 2012.
[3]杨乐平, 李海涛, 赵勇, 等.LabVIEW高级程序设计[M].北京:清华大学出版社, 2001.
脉冲控制系统 篇5
二维线性系统脉冲传递函数估计的渐近性质
利用离散的平稳高斯过程族作为二维线性系统的.输入和输出来对其脉冲传递函数进行了估计,并讨论了脉冲传递函数估计的渐近性质和极限定理.
作 者：李云丽 付俐 LI Yun-li FU Li 作者单位：北京交通大学,理学院,北京,100044刊 名：北京交通大学学报(自然科学版) ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY年，卷(期)：31(6)分类号：O211.6关键词：高斯过程 谱密度函数 误差估计 渐近性质
脉冲控制系统 篇6
摘要：在电力生产和运行过程中，电线或电缆的精确测长及参数突变点定位，对于电力施工、电缆故障检测、高阻接地故障诊断以及电缆的生产管理等都有着重要的意义。然而，对于用脉冲反射法进行电缆故障定位，脉冲源的质量决定了脉冲反射法电缆故障定位的准确程度。本文提出了一种用于电缆故障准确定位的脉冲源设计方法，并给出了具体的电路设计，该电路能够产生脉冲宽度可调，脉冲电压幅值可调的纳秒级低压脉冲，并对该脉冲源进行了测试并用于电缆故障准确定位。endprint
摘要：在电力生产和运行过程中，电线或电缆的精确测长及参数突变点定位，对于电力施工、电缆故障检测、高阻接地故障诊断以及电缆的生产管理等都有着重要的意义。然而，对于用脉冲反射法进行电缆故障定位，脉冲源的质量决定了脉冲反射法电缆故障定位的准确程度。本文提出了一种用于电缆故障准确定位的脉冲源设计方法，并给出了具体的电路设计，该电路能够产生脉冲宽度可调，脉冲电压幅值可调的纳秒级低压脉冲，并对该脉冲源进行了测试并用于电缆故障准确定位。endprint
摘要：在电力生产和运行过程中，电线或电缆的精确测长及参数突变点定位，对于电力施工、电缆故障检测、高阻接地故障诊断以及电缆的生产管理等都有着重要的意义。然而，对于用脉冲反射法进行电缆故障定位，脉冲源的质量决定了脉冲反射法电缆故障定位的准确程度。本文提出了一种用于电缆故障准确定位的脉冲源设计方法，并给出了具体的电路设计，该电路能够产生脉冲宽度可调，脉冲电压幅值可调的纳秒级低压脉冲，并对该脉冲源进行了测试并用于电缆故障准确定位。endprint
脉冲控制系统 篇7
关键词：高频脉冲列,冲量定理,脉冲变压器,双窄脉冲触发,感性负载
1 引言
在微机励磁系统变流电路中,用于电气隔离的晶闸管触发脉冲变压器对高电平不具备保持能力,传输触发脉冲的宽度远小于晶闸管导通时实际所需的脉冲宽度。如不采取措施,将导致晶闸管不能可靠触发,整流输出波形不稳定,励磁系统不能正常工作[1]。常见的触发方式为双窄脉冲触发或宽脉冲,宽脉冲触发需要较大的输出功率和大容量的变压器,而双窄脉冲触发对物理硬件的要求较高。通常,采用模拟电路或数字电路生成高频脉冲列来代替晶闸管一定宽度的触发脉冲。
以高频脉冲列代替一定宽度的触发脉冲来触发晶闸管,其基本原理何在?如何确定整流电路感性负载时晶闸管触发脉冲宽度和高频脉冲列的频率与脉宽?本文提出运用冲量定理,对高频脉冲列触发晶闸管的机理进行了深入的分析;并依据晶闸管开通时间tgt、擎住电流IL、触发电流IG等额定参数以及感性负载电感量、脉冲变压器模型参数等数据,定量计算出晶闸管触发脉冲的宽度和高频脉冲列的频率与脉宽,设计微机控制高频脉冲列触发程序。LM-01型模拟微机励磁系统样机试验取得良好效果,三相整流电路各晶闸管触发可靠、系统稳定。
2 感性负载时晶闸管触发脉冲宽度及计算
在发电机微机励磁系统中,三相全控整流桥输出负载为发电机提供励磁功率,属于感性负载[2]。励磁回路如图1(a)所示。晶闸管导通后,励磁回路等效为直流电源E与晶闸管正向导通电阻R1、励磁绕组电感L和电阻R2构成的串联电路,晶闸管初始导通时,由于电感电流不能突变,励磁电流id(t)从零开始增大,须经过时间ton,并上升到晶闸管擎住电流iL后,晶闸管才能完全导通[3],见图1(b)。
晶闸管导通后的励磁回路电压方程式如下:
令R1+R2=R,则一阶微分方程的解为:
晶闸管从阻断转为导通,阳极电流id(t)必须上升到IL以上,即满足非线性关系:
由et的泰勒级数公式:
省略二次以上的高次项,可将(3)式化简为:
由式(4)可以算出晶闸管感性负载时导通所需的最小触发脉冲宽度ton。已知某发电机励磁绕组的电感L=3H,电阻R2=120Ω,整流励磁电压E=45 V,晶闸管的擎住电流IL=10 mA,导通时其电阻等于正向平均电阻R1=Ron=2Ω,解出t≥667μs,即触发脉冲宽度约为12°,考虑晶闸管的开通时间tgt和留有一定裕度[4,5],本文取ton=15°即833μs。
此触发脉冲宽度远超出脉冲变压器的传输脉宽极限,而脉冲变压器的传输脉冲宽度一般小于200μs[6]。为了解决这个问题,通常,采用高频脉冲列代替宽触发脉冲。
高频脉冲列代替宽触发脉冲的基本原理可运用采样控制理论中的冲量定理进行分析。
3 用高频脉冲列代替宽脉冲的机理分析
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节上,其环节的输出响应波形基本相同,冲量即指窄脉冲的面积,图2为形状不同而冲量相同的各种窄脉冲,其中图2(a~d)分别为矩形脉冲、三角形脉冲、正弦半波脉冲和单位脉冲函数δ(t),它们的面积即冲量都等于1。将输入f(t)加在看成惯性环节的图1(a)R-L电路上,设电流i(t)为电路的输出,图2(e)为不同窄脉冲时i(t)的响应波形。
上述原理称为面积等效原理,它是高频脉冲列代替宽脉冲的理论基础[7]。
以下分析用高频脉冲列来代替宽脉冲的机理。
把图3(a)的宽脉冲分成N等份,就可以把宽脉冲看成由N个彼此相连的脉冲序列组成的波形。将该脉冲序列用数量相同的等幅不等宽的矩形脉冲代替,且矩形脉冲和相应的宽脉冲部分面积相等,得到图3(b)所示的高频脉冲序列。根据面积等效原理,此高频脉冲列的电流响应i(t)与宽脉冲的响应效果相近,i(t)响应波形如图3(c)。
从电压源e(t)的第一个脉冲上升沿起,i(t)由零逐渐增加,脉冲变压器的电感吸收能量,当脉冲高电平结束时,电感释放储能,i(t)减小。当i(t)下降到晶闸管的门极触发电流IG时,下一个脉冲同时开始,并重复此过程,则触发电流将始终大于晶闸管门极触发电流IG,从而实现励磁回路电感性负载下晶闸管的导通。
4 高频脉冲列的周期与脉宽计算
由以上电流波形图3(c)可知,要计算高频脉冲列的周期T,只需计算出图中电流上升时间t1和下降时间t2,该高频脉冲周期T=t1+t2。
晶闸管导通后,其电阻很小,可忽略不计。将脉冲变压器模型经过简化,晶闸管触发回路等效为脉冲电压源e(t)、变压器短路漏抗Lx和短路电阻Rx的串联电路[8],其电路模型如图4所示,图中虚线框内为脉冲变压器等效图,脉冲电压源e(t)为激励信号,触发电流i(t)为响应信号。
当高频脉冲为高电平时,电路等效为直流电源给电感Lx与电阻Rx供电,由式(2)知触发电流i(t)呈指数函数快速增大,直到高频脉冲高电平结束,因此t1=t0,此时电流为最大值i(0+):
当高频脉冲从高电平变为低电平,电路变为具有初始电流i(0+)的电感Lx与电阻Rx构成的闭合回路,此回路电压方程式:
其解为:
由i(t)≥IG,即临界情况:
解出电流下降时间t的最大值t2:
同时由冲量定理面积相等原则,如图3所示,E×t0=U×T=U×(t0+t2),得到:
式中U为晶闸管门极触发电压,E为高频脉冲高电平幅值。由式(7)、(8)联立解出:
而高频脉冲周期T和频率f分别为:T=t1+t2=t0+t2,f=1/T,高频触发脉冲列个数N=ton/T。
已知脉冲变压器的短路阻抗参数Rx=24Ω,Lx=2.62 mH以及E=24 V,U=10 V,IG=2 mA,代入式(8)、(9),算出t2=103.2μs,t0=72.8μs,当T=t0+t2=176μs时,对应的最小频率为5.5 K,则导通晶闸管的高频触发脉冲个数N至少为5个,高频脉冲宽度t0=72.8μs。为了提高可靠性,实际取频率略大于临界值,即频率为9.6K,周期为104μs,脉冲宽度为43.4μs,此时高频触发脉冲个数N等于8。
根据高频触发脉冲的伏微秒积小于等于脉冲变压器额定伏微秒积的原则[9],采用72.8μs脉宽或43.4μs脉宽的两种频率的脉冲列,其脉宽均小于该脉冲变压器的传输脉宽(100μs),满足传输要求。
5 高频脉冲列微机触发程序的实现
微机励磁系统功率单元采用三相桥式整流电路,要求每隔60°,按[VT6、VT1]→[VT1、VT2]→[VT2、VT3]→[VT3、VT4]→[VT4、VT5]→[VT5、VT6]的顺序导通晶闸管,触发脉冲为上文计算出的高频脉冲列。图5为实现“双窄脉冲触发方式”的高频脉冲列电压波形。
微机励磁系统采用TMS320LF2812为CPU芯片,其独特的硬件设计和精确的定时功能,能很好地完成高频脉冲列双窄脉冲的设计,用C语言在CCS3.0上编写调试程序,并下载到Flash上。
6 试验结果
试验在电力系统动态模拟实验室进行。同步发电机采用自并励方式励磁,感性负载时,触发角的变化范围为0到90度。采用微机励磁系统高频脉冲列晶闸管触发方式,示波器观察的晶闸管高频脉冲列电压波形如图6,触发角为65°时励磁电压波形如图7,图中电压幅值已缩小十倍,脉冲列波形和励磁整流波形对称性和稳定性好,无波头缺失。
试验时,调节触发角α给定值,比较励磁电压实际测量值与α对应的励磁电压计算值(Ud=2.34 UaCOSα),并计算出每次实测值与计算值的相对误差,如表1,表中数据表明,励磁电压连续可调,两者相对误差范围(0.05%~0.3%),触发精度高。
7 结论
(1)提出运用冲量定理,深入分析用高频脉冲列代替宽脉冲触发晶闸管的机理。
(2)建立了励磁回路和晶闸管触发回路数学模型,推导出感性负载下晶闸管导通的最小脉冲宽度和高频脉冲列周期与脉宽的计算公式,揭示了高频脉冲列的周期和脉宽与电路参数的关系。
(3)设计的高频脉冲列实现三相可控整流桥晶闸管“双窄脉冲触发”程序,经样机试验与现场运行均取得了满意效果,证明了理论分析和计算方法的正确性和可行性。
参考文献
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脉冲微分系统脉动现象的研究 篇8
考虑以下脉冲微分系统
(1) 式中f∈C[R+×Ω, Rn], Ω⊂Rn为开集。
定义1 系统 (1) 的一个解x (t) 碰相同的脉冲面Sk∶t=τk (x) 若干次, 则称这种现象为脉冲现象。无脉动现象意味着系统 (1) 的一个解x (t) 与脉冲面Sk∶t=τk (x) 至多碰一次。现假设系统 (1) 的解在[0, +∞]上存在[1]。
文献[1]给出了一些脉动现象发生和不发生的条件, 其中V.Lakshmikantham等人研究了系统 (1) 的解与每个脉冲面碰且只碰一次的情况。在其基础上, 给出系统 (1) 的解随时间t增加, 沿时间轴反方向依次脉冲面相碰的充分条件。脉动现象的发生在研究解的性质方面增加了困难, 因此要找到条件来保证或防止脉动现象的发生。
1 主要结果
定理1 假设
(ⅰ) f∈C[R+×Ω, Rn], Ik∈C[Ω, Rn], τk∈C′[Ω, (0, ∞) ], 对每个k有τk (x) <τk (x) +α≤τk+1 (x) , 且对每个k, τk都有界, α为正常数。
(ⅲ) ∀x∈Ω, 有x+Ik (x) ∈Ω且
(b) τk (x+Ik (x) ) -τk-1 (x) <β;
其中0≤s≤1, β为正常数, 且α≤β。
则系统 (1) 满足τj-1 (x0) <t0<τj (x0) 的任一个解x (t) =x (t, t0, x0) 依次与每个脉冲面Sj-i相碰且只碰一次, 与脉冲面S1至少碰一次, i=0, 1, 2, …, j-2。
证明 令x (t) =x (t, t0, x0) 是系统 (1) 的任一个解且满足τj-1 (x0) <t0<τj (x0) , 由于τj (x) 在Ω上有界且连续, 故必存在唯一的时刻t1>t0使τj (x1) =t1且t<τj (x (t) ) , t<t1。因此解x (t) 碰脉冲面Sj在t=t1时。
现在令x1=x (t1) , x+1=x1+I1 (x1) 。再令σ1 (s) =τk (x+ (1-s) Ik (x) ) -τk-1 (x+sIk (x) ) -β (1-s) , 则σ1 (s) 连续且
由条件ⅲ (a) 知σ1′ (s) ≤0.即σ1 (s) 关于s单调非增。则σ1 (1) ≤σ1 (0) , 即τk (x) -τk-1×
(x+Ik (x) ) ≤τk (x+Ik (x) ) -τk-1 (x) -β。
由条件ⅲ (b) 知τk (x) -τk-1 (x+Ik (x) ) ≤τk (x+Ik (x) ) -τk-1 (x) -β<0, 即
则t1=τj (x1) <τj-1 (x1+Ij (x1) ) =τj-1 (x+1) 。
另一方面, 令σ2 (s) =τk-2 (x+sIk (x) ) -2αs, 则σ2 (s) 连续且
Ik (x) 2α。由条件ⅲ (c) 知σ2′ (s) <0。即σ2 (s) 关于s单调非增。则σ2 (1) <σ2 (0) , 即τk-2 (x+Ik (x) ) -2α<τk-2 (x) +2α≤τk-1 (x) +α≤τk (x) , 故
则τj-2 (x+1) =τj-2 (x1+Ij (x1) ) <τj (x1) =t1。因此τj-2 (x+1) <t1<τj-1 (x+0) 。
令σ3 (t) =τj-1 (x) -t, 则σ3 (t) 连续且
即τj-1 (x, (t2, t1, x+1) ) =t2且t<τj-1 (x (t, t1, x+1) ) , t1<t<t2。
再令T (t) =τj-2 (x (t, t1, x+1) ) -t则
x+1) ) -t1<0且τj-2 (x (t, t1, x+1) ) <t, t1≤t≤t2。因此解x (t) 在t1之后在t=t2时第一次碰脉冲面Sj-1。
再令x2=x (t2, t1x+1) , x+2=x2+Ij-1 (x2) , 一方面由式 (2) 可得τj-2 (x+2) =τj-2 (x2+Ij-1 (x2) ) >τj-1 (x2) =t2。另一方面, 由 (3) 可得t2=τj-1 (x2) >τj-3 (x2+Ij-1 (x2) ) =τj-3 (x+2) , 则有τj-3 (x+2) <t2<τj-2 (x+2) 。
同理可证存在唯一的t3>t2使解x (t) 在t2之后在t=t3时第一次碰脉冲面Sj-2。将这个过程继续下去即可得证。
2 应用
例 考虑以下脉冲微分系统
其中τk (x (t) ) =x+k, |x|<10, j=6, α=1, β=3且
满足定理1的所有条件, 因此系统 (4) 满足τ5 (x0) <t0<τ6 (x0) 的解依次碰脉冲面S6, S5, S4, S3, S2, 且只碰一次, 碰脉冲面S1至少一次, 故系统 (4) 满足τ5 (x0) <t0<τ6 (x0) 的解只可能在脉冲面S1发生脉动现象, 在其他脉冲面不发生脉动现象。
参考文献
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台车式退火炉脉冲燃烧系统 篇9
工业炉脉冲燃烧控制主要优点: (1) 传热效率高、能耗低。 (2) 高速脉冲烧嘴燃烧产生的气流速度可达100m/s以上, 高速搅动炉内气体, 实现炉内均温。 (3) 无需在线调整即可实现燃烧气氛的自动精确控制。 (4) 可提高烧嘴负荷调节比。 (5) 系统简单可靠、造价低。 (6) 减少NOx的产生。
攀钢集团长钢公司特冶中心轧钢车间3#台车式退火炉采用6台德国霍科德BIC140高速脉冲烧嘴, 每台烧嘴配有1个IFS244烧嘴控制器, 可用于烧嘴间隙式周期性燃烧的自动点火和火焰监测, 实现火焰故障熄灭后重新点火或锁定报警两种模式。脉冲燃烧系统通过改变各烧嘴燃烧周期和燃烧延时长短, 实现工艺加热曲线要求。脉冲燃烧将传统连续调节方式改为通断式调节, 即烧嘴工作状态只有两种: (1) 在预先选定的最佳燃烧状态——最大计算热负荷下工作。 (2) 烧嘴以维持自身不灭的小火常明。需要升温时, 烧嘴燃烧时间加长, 间断时间减小;需要保温或降温时, 烧嘴燃烧时间减小, 间断时间加长。脉冲燃烧控制系统采用的Krom公司MPT-700脉冲燃烧控制器具有8种操作模式, 如在加热/冷却模式, 通过控制空气电动阀可获得较高的升温精度和可控的冷却过程, 烧嘴也可在开/闭或大/小火模式中达到最佳燃烧状态, 降低污染物排放。MPT-700最多可输出8组脉冲信号用于一段或两段燃烧控制, 每一组脉冲信号可控制一个或多个烧嘴, MPT-700将温控器输出的0～20mA信号转换为脉冲信号传输给烧嘴控制器, 如温控器只要求50% (10mA) 热负荷, 则在1个脉冲周期内, 烧嘴开闭时间相等;要求25%热负荷, 则烧嘴关闭时间是开启时间的3倍。
随着钢铁行业竞争日益激烈, 脉冲燃烧控制技术对提高产品质量、降低燃烧、减少污染将发挥重大作用, 具有广阔发展前景。
脉冲系统脉间稳定度测量 篇10
关键词：稳定度,艾伦方差,内插采样
连续波信号的稳定度测量已经比较成熟,但是某些电子设备,诸如雷达,其信号为脉冲调制信号,如何测量其稳定度是一个新的问题,目前国内外尚无统一的方法.本文提出了一种类似于Allen方差的表征方法来度量脉冲系统的脉间稳定度.
1 脉冲系统脉间稳定度表征
频率源时域稳定度表征方法中,以往国内外广泛采用的方法是标准方差,使用这种方法者认为频率源的频率随机起伏是一种平稳随机过程,其概率分布一般呈正态分布,因而使用标准方差来表征频率稳定度.然而,近十多年来,通过对频率源内部噪声的研究发现,几乎各类频标中都含有“调频闪变噪声”,这种噪声的存在使得频率源的随机起伏过程并不平稳,也就是说,它的概率分布是随时间的延续而改变的.因此再用标准方差来表征频率稳定度就不合适了,取而代之的是艾仑方差[1].
艾仑方差的物理意义在于描述相邻2个采样时间段内平均频移之差,又称为二次取样方差或者双取样方差,实际中用其平方根来表示.该采样时间段称为取样时间.艾仑方差的基本公式为
当采用全部连续采样时,取样个数为m+1,则
undefined
其中,m为取样组数;fi和fi+1分别为第i和第i+1次测量的频率值.
当相邻2次采样为一组,组内无间隙,组间有间隙,间隙时间不限,取样个数为2m,取样组数为m,则有
undefined
根据脉冲串能够获得的参数为相邻脉冲时间间隔PRIi,如图1所示,脉间稳定度可以采用2种表示方法:
(1)全部连续取样,取样个数为m+1,取样组数为m,如图1所示.
脉间稳定度表示为
undefined
(2)相邻2次取样为1组,组内无间隙,组间有间隙,间隙时间不限,取样个数为2m,取样组数为m,如图2所示.
脉间稳定度表示为
undefined
式中,undefined为脉冲平均重复频率,其为脉冲平均重复间隔undefined的导数;PRFi+1与PRFi为组内相邻脉冲重复频率.从式(3)、式(4)看出,脉冲系统脉间稳定度参数与取样时间紧密相连,此处的取样时间为脉冲平均重复间隔,因此稳定度参数的真实含义为取样时间为脉冲平均重复间隔时间内的稳定度.
根据以上分析,脉冲系统脉间稳定度的测量依赖于相邻脉冲时间间隔的高精度测量,当前,脉冲时间间隔测量方法很多.比如:电子计数法[2],模拟内插法[3],延迟线内插法[4],游标法,时间幅度转换法以及内插采样法等,测量精度可达10～100 ps量级.另外,根据式(3)、式(4),完成脉间稳定度的测量需要完成undefined的计算,undefined的精确测量具有十分重要的意义,其能够显示各部脉冲系统之间的一些细微的变化.undefined的精确测量依赖于脉冲TOAi的精确测量,因为PRIi=TOAi+1-TOAi.常规undefined计算方法采用算术平均值的方法,假设脉冲个数为N+1,则
undefined
这种方法没有利用中间脉冲的实际到达时间,本文采用基于误差平方和最小准则的undefined计算方法.该方法的思想具有很强的普遍性,首先假设待测数据具有一种特定的函数形式,然后将实测数据与该函数进行最佳拟合,拟合的准则根据需要选定.假设已经判定一个连续脉冲串为恒定脉冲串,理想情况下,该脉冲串相邻脉冲之间的时间间隔相等且为PRI0,观察到的脉冲数为N+1,脉冲到达时间依次为TOA0,TOA1,…,TOAN满足关系式TOAi=i·PRI0,其中,i=0,1…,N.实际情况下,每个脉冲的到达时间测量值为tn,其中,n=0,1,…,N,其与理想情况下脉冲到达时间的误差平方和为
undefined
为了求出PRI0,将式(6)对PRI0求导,且令结果等于0,得到
undefined
即
undefined
该方法充分利用了每一个脉冲的到达时间信息,当脉冲到达时间的测量受到噪声影响时,脉冲重复间隔最小均方误差对于平均脉冲间隔波动较小.
2 测量实现
脉冲系统脉间稳定度测量硬件设计流程如图3所示.
其中,高精度脉冲时间间隔测量是整个系统的关键,本文采用基于内插采样技术的高精度时间间隔测量方法[5]完成时间间隔的测量,该方法测量范围大,实时性好,测量精度高,如图4所示.
该方法能够对电子计数法的量化误差进行测量,时间间隔测量精度理论上能够达到十皮秒量级,采用该方法研制成功的高精度时间间隔测量板卡测量精度已经达到了百皮秒量级.
采用本文介绍的方法对型号为GPG-8018G的脉冲产生器进行脉冲信号脉间稳定度测量,单次测量所取脉冲数为1024个,测量结果如表1所示.实际测量结果与设置值相符,证明了该方法的可行性.
3 结 束 语
采用基于内插采样技术的高精度时间间隔测量方法进行脉冲时间间隔测量,采用类似于Allen方差的参量作为度量脉冲系统的脉间稳定度的标准.依据本文提出的方法可以实现脉冲系统稳定度的测量,对实际脉冲信号源的测量结果表明,该方法是切实可行的.
参考文献
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