基于多FPGA的电力电子实时仿真系统

大功率复杂电力电子装置通常需要实时仿真系统来加速装置开发和功能验证。然而,商业化电力电子实时仿真系统均由国外公司垄断,价格昂贵,系统升级维护费用高,开放性差,仿真容量和接口数量也受限。为此,文中提出了一种基于多现场可编程门阵列(FPGA)的实时仿真系统的实现架构,以多片FPGA作为并行核心运算单元,有效增加仿真容量和缩短仿真步长。分析了数据实时传输的需求,并提出了一种满足通信需求的增强型串行外设接口(SPI)通信方式。基于该架构自主开发研制了实时仿真平台,并采用硬件描述语言构建10kV 12级联H桥静止同步补偿器(STATCOM)电路模型进行系统实时仿真验证。实验结果表明:实时仿真步长可以达到2μs,实时仿真波形与MATLAB仿真波形误差在0.5%以内。     

分段式Halbach阵列永磁同步电机非理想气隙磁场建模分析

Halbach阵列是一种特殊的永磁体充磁方式,可以提供理想的气隙磁密,且转子无需采用铁磁材料。由于定子开槽,永磁同步电机定转子气隙不均,气隙磁密谐波增加,产生齿槽转矩。本文利用子域模型法建立了分段式Halbach阵列永磁同步电机空载磁场解析模型。其解析模型计算结果与有限元结果相比,两者气隙磁密波形吻合较好。该解析模型为进一步研究电枢反应、齿槽转矩等性能奠定了基础。     

三分量阵列感应共面线圈系井眼影响研究

三分量阵列感应测井仪器是测量复杂地层信息的重要工具,消除共面线圈系的井眼影响是仪器设计与应用的关键。应用有限元软件,数值计算分析居中井眼中三分量阵列感应的共面线圈系与共轴线圈系的响应特性,对比共面线圈系实验室建模仿真与现场试验结果。结果表明:除最短子阵列,其余共面子阵列的井眼影响与共轴子阵列显著不同,井眼影响导致测井响应为负值;最长子阵列虽然井眼影响小,但趋肤效应影响严重,地层电导率测量范围比共轴线圈系小得多。通过计算分析共面线圈系在井眼周围不同泥浆和地层电导率时的涡流分布特性,揭示了共面线圈系与共轴线圈系差别较大的原因。提出新的2发1收线圈系结构,从几何因子角度分析了它在减小井眼影响、降低测井负响应等方面的优势。研究成果为三分量阵列感应测井仪器的研制和应用奠定了理论基础。     

基于电容阵列I-V测试仪的光伏STC曲线拟合研究

现有的光伏组件在标准条件(STC)下I-V曲线的拟合算法存在计算过于复杂或准确度不足的问题。为提高曲线在偏离STC环境下的拟合准度,提出了一种依据太阳电池四参数结构,通过选取曲线最大功率点(MPP)附近6个点作为拟合点,计算组件I-V数学模型从而实现曲线拟合的拟合算法。不同光伏组件的最优拟合点间隔不同,为提高拟合精度,进一步提出了自适应拟合点选取方法,同时设计了以电容阵列为负载的I-V测试仪结构并研制了一套完整仪器。该测试仪可通过增加MPP附近数据点的密度,提升拟合点的选取精度。经过MATLAB仿真与实际验证表明,模型拟合算法的拟合结果在各种测试环境下的准确度均高于多项式拟合算法;所设计的I-V测试仪性能优越,适用于工程测量之中。     

LCMV分频的改进维纳滤波后置波束形成算法

针对封闭环境中语音信号受到混响影响,提出了LCMV分频的改进维纳滤波后置波束形成算法。该算法通过计算麦克风阵列接收到含混响信号的短时傅里叶变换得到频域阵列信号,对频域阵列信号分频处理,将分频的信号进行线性约束最小方差波束形成滤波处理,该波束滤波根据每个频段上混响时间不同的特性对频域阵列信号进行分频处理后,将波束形成算法分别应用到高低频中,以提高混响抑制的精度;再由频域阵列信号的组合功率谱进行维纳后置滤波以抑制混响,由麦克风阵列接收到混响信号的直达波和反射波之间不相关性及麦克风阵列接收信号的空间信息解决维纳滤波器的精确估计问题;最后由逆短时傅里叶变换恢复出时域信号。仿真结果表明,该算法对混响抑制具有明显的改善;且在混响时间600 ms条件下语音增强系统的PESQ值提高了0.26。     

基于EEMD的声阵列滚动轴承故障诊断

研究针对滚动轴承故障诊断中的类型和位置分析问题,提出了一种基于集合经验模态分解(EEMD)的声阵列滚动轴承故障诊断分析方法。以EEMD分解信号的峭度和能量作为评价指标,提取包含故障信息的IMF分解信号,根据滚动轴承理论故障频率及其倍频分析对分解信号进行窄带滤波后通过Hilbert包络谱实现故障类型判断,通过对窄带滤波后的分解信号使用声阵列技术进行声像分析实现滚动轴承故障定位分析。最后通过试验进行了方法验证,结果表明过使用基于EEMD分解的阵列分析方法,可更为直观确定故障位置和故障类型,有利于有轨机车等多轴承驱动系统轴承故障的快速和实时诊断,对于确定检修、制定合理维修决策、改进维修质量具有十分重要指导意义。     

相控阵技术在爆炸焊接钛/钢复合板检测中的应用

国内某化工项目使用爆炸焊接钛/钢复合板,除了对结合性能有高于标准要求的指标外,对界面结合的均匀性也提出要求。目前,对界面结合均匀性的判定采用常规的超声脉冲回波法难以实现,采用常规超声C扫检测速度较慢,无法满足大批量的生产进度要求。国内首次将相控阵技术应用到爆炸焊接层状金属复合板产品检测和验收中。相控阵检测通过电子扫查技术,大大提升了检测效率,同时结合C扫描像,使得爆炸焊接钛/钢复合板界面波纹的辨别与判定分析变得清晰直观,并与结合性能有一定的对应关系。     

高斯背景中一类新的自适应阵列检测器

针对现有文献对自适应阵列检测问题的研究相对比较少的问题,构建高斯背景中一类新的自适应阵列检测器。从新的视角理解高斯背景中自适应阵列检测器的原理,分析了信号子空间建模目的,以及结构化与无结构化检测器、解耦与不解耦检测器之间的性能差异,并提出了调节因子的概念,构造并分析了一类新的结构化检测器。仿真结果表明：从计算负担和检测能力2方面考虑,Hyung Soo Kim的解耦结构化Kelly检测器,Yow-Ling Gau的降秩检测器,以及构造的解耦结构化Kalson检测器都具有比其他检测器更好的综合性能。该研究可为寻找非高斯背景中自适应阵列检测器的构造方法提供参考。     

混沌振子识别轴承早期故障的极半径不变矩判据

现有的基于混沌振子检测轴承故障的方法的关键步骤是混沌振子相态转变判别,目前大多采用李雅普诺夫指数等特征值进行判断,针对其计算过程复杂,耗费时间长的缺点,基于图像识别技术,提出了一种以极半径不变矩参数作为相态转变的识别方法。通过构造Duffing混沌振子,分析了其相态转变与周期策动力的变化关系,证明其用于轴承早期故障识别的可行性;给出了极半径不变矩的定义,并证明在混沌振子相图由混沌运动态向大尺度周期态转变的过程中,随着周期摄动力不断增加,极半径不变矩表现出单调递增的特性;与HU氏不变矩及二维近似熵判别方法进行对比,讨论了极半径不变矩的抗噪声干扰能力;最终,将该方法用于实际搭建的钻机动力头轴承早期故障诊断的试验中。试验结果表明:极半径不变矩可以识别混沌振子相态过程转变,最低检测信噪比达到-36.99dB,且识别准确率也较另外两种方法提高了4%~7%。证明该方法可以用于轴承早期故障识别,具有识别准确率高,抗噪声干扰能力强,计算简便的优点。     

近地卫星陨落期地球反照系数估计

为了研究地球反照的可见光对太阳电池阵电流在卫星陨落期间的影响程度,进行阵电流的地球反照系数估计。以运行在300km高度、降交点地方时约10:30AM的某太阳同步轨道近地卫星陨落为例,在讨论卫星轨道半长轴、倾角、光照角、降交点地方时等参数漂移的基础上,重点分析卫星太阳电池阵电流和温度的变化,并对电流进行正弦曲线拟合,进而建立地球反照系数的估计模型,最后用卫星陨落期间的遥测数据进行检验。结果表明,卫星自300km轨道高度向100km轨道高度陨落期间,地球反照系数先由0.21逐渐变大,最大值接近0.40,后又逐渐变小至0.20附近;对估计值的二次曲线拟合结果表明,在轨道高度210~270km这一区间,地球反照对于太阳电池阵的作用最强,对应的地球反照系数极大值约为0.28,作用最强的中心区域可能在250km轨道高度附近。估计结果可应用于在轨航天器长期管理的遥测诊断、能源估计与预测、器件健康状态评估以及可见光载荷应用等方面。