该文主要研究超声波电机的传动机理、数学模型、结构设计、驱动系统和精密伺服系统的理论和实践,为超声波电机的进一步研究和产业化奠定基础.该文主要内容和研究成果如下:系统地总结了国内外超声波电机的研究历史、发展现状和主要应用,研究了超声波电机的运行机理.研制了超声波电机专用、高抗干扰能力,高可靠性、两相正交、正弦超声波驱动电源,分别探讨了使用串联电感和并联电感实施负载阻抗匹配时,电机性能所受到的影响.研制了利用电机定子上压电陶瓷的孤极反馈来进行频率调整的新型频率跟踪控制器,实现了超声波电机速度的稳定性控制. 实现了超声波电机高精度位置检测,研制了基于DSP的超声波电机精密伺服控制系统,完成了采用驱动频率/相位的P、PI和自适应控制方案进行精密定位控制的理论探讨和实验研究,井进行了模糊控制的理论探讨.在理论研究的基础上,成功地研制了环形超声波电机及其精密定位控制系统.单元电机最大转矩1N. m,控制精度2.16′.
上传时间： 2013-07-15
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超声波电机(Ultrasonic Motor,简称USM)是近二十年来发展起来的一种新型驱动装置,该电机不同于传统的电磁感应电机,它是利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动,借助弹性体谐振放大,通过摩擦耦合产生旋转运动或直线运动.这种电机的具有响应快、结构紧凑、低转速、大力矩、不受电磁干扰、断电自锁等优点,在微型机械、机器人、精密仪器、家用电器、航空航天、汽车等方面有着广泛的应用前景.随着超声波电机的推广应用和产业化发展的需要,对超声波电机的驱动和控制技术的研究就非常必要了,小型化、通用化、高性能的驱动电源和简单而又实用的控制技术已成为国内外研究的热点.该文对于单一的定位控制,研究一种简单且控制精度高的控制算法,结合所研制的纵扭复合型超声波电机样机,实现了高精度(0.010度)的定位控制,另对基于高性能DSP的驱动电源进行了初步的探讨和研究,研制了通用性较高的驱动电源.该文开展的主要研究工作和取得的成果如下:1.简要地介绍了超声波电机的原理、发展历史和特点,重点分析了超声波电机驱动电源和定位控制的研究进展和存在的问题,从而引出该硕士论文的研究意义和主要内容.2.从理论和实验上揭示这种电机具有的高分辨率和步进特性实质,提出了利用此特性实现高精度的定位控制策略——步进定位法,并分析了影响其定位精度的因素,结合所研制的纵扭复合型超声波电机样机,实现了高精度(0.010度)的定位控制,并确定了相关控制参数的选择准则.3.简要介绍了常用开关变换器结构,设计了以MOSFET为开关器件的半桥式逆变功率电路.介绍了高性能DSP(TMS320LF2407)为核心的控制信号发生电路和以UC3842为控制芯片的可调压直流电源,结合控制电路和功率变换电路获得了驱动超声波电机所需两项幅值、频率、相位可调的交变方波,具有较高的通用性,为进一步开展运用较复杂控制策略的超声波电机位置和速度伺服控制研究打下一定基础.
上传时间： 2013-04-24
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本文对超声波电机驱动控制系统进行了研究。全文主要内容如下：系统介绍了超声波电机的特点、研究历史和主要应用，概述了超声波电机驱动控制技术的研究现状。在介绍压电陶瓷逆压电效应与压电振子谐振特性的基础上，阐述了超声波电机的运行机理及调速原理。介绍了环状行波型超声波电机的基本结构及工作原理。研制了基于DSP的超声波电机驱动控制系统，为超声波电机控制技术的研究提供了一个通用实验平台。通过光电编码器检测超声波电机的速度，研制了利用速度反馈来进行频率调整的频率跟踪控制器，实现了采用频率P调节的超声波电机速度稳定性控制。实现了大外径(80mm)环状行波型超声波电机的高精度位置检测。研制了基于DSP的超声波电机位置控制系统，完成了采用相位差P控制方案进行精密定位控制的实验研究。
上传时间： 2013-05-21
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超声波电机(Ultrasonic Motor简称USM)是八十年代发展起来的新型微电机。本文针对超声波电机及其控制技术的研究现状和发展趋势,以我国研究技术相对比较成熟并有产业化前景的行波超声波电机(Traveling-wave Ultrasonic Motor简称TUSM)的伺服控制技术为研究对象,以直径60mm的行波超声波电机TUSM60为研究实例,在特性测试、动稳态性能分析,辨识模型建立、控制策略与控制算法的选择与实现等方面展开研究。本论具体的研究内容为： 在分析超声波电机研究历史和现状的基础上,结合国内外超声波电机特别是行波超声波电机控制技术的发展趋势,重点论述了行波超声波电机及其驱动控制技术的研究进展。 介绍行波超声波电机的基本结构,并从该电机的主要理论基础--压电原理、行波合成、接触模型出发,分析了行波超声波电机定子质点的运动方程.并结合定转子摩擦接触特点,分析了行波超声波电机的运行机理。 根据对行波超声波电机测试和高精度控制的要求,研制出基于双DSP和FPGA的超声波电机高性能测试控制平台。其中控制核心采用了双DSP结构,可以在对行波超声波电机进行控制的同时,将必要的参数读取出来进行分析和研究。为行波超声波电机瞬态特性分析以及控制策略、控制算法的深入研究打下了基础。 对电机的瞬态、稳态特性进行的测试,可以分析驱动频率、电压以及相位差等调节量对电机输出的影响。在此基础上进一步对行波超声波电机的调节方式、控制算法选择方面进行分析,并得到相应结论。 通过对实验数据的总结和归纳,利用系统辨识中的非参数方法,建立在特定频率条件下的近似线性模型。在行波超声波电机工作范围内,辨识若干组不同频率条件下的近似线性模型,将这些模型的参数进行二维或三维拟合,可以得到一个关于行波超声波电机传递函数的模型。辨识模型的建立为合理的选择和优化控制参数,控制效果的验证等提供了行之有效的手段。 在对行波超声波电机的速度控制、位置控制展开的研究中.首先利用遗传算法对常规PI恒转速控制的控制参数整定及修正方法进行了研究；利用神经元的在线自学习能力,研究和设计单神经元PID-PI转速控制器,提高控制系统对电机非线性和时变性的适应能力；为了消除在伺服控制中,单一调节量(驱动频率)情况下,低转速的跳跃问题,研究和讨论了多调节量分段控制方法,并利用模糊控制对控制方法的有效性进行了验证；在位置控制中,利用转速控制研究的结果,研究和设计了位置--速度双环(串级)控制器,实现了电机高精度位置伺服控制。 通过对已有控制系统的改进和简化,设计和研制了具有实用化价值行波超声波电机控制器：并将研究成果应用于针对核磁成像设备而设计的行波超声波电机随动控制系统中,同时尝试了将该控制器用于高精度X-Y两维定位平台。
上传时间： 2013-07-13
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通信与信息技术行业飞速发展，已成为我国支柱产业之一。随着该行业的迅速发展，社会对具备实际动手能力人才的需求也不断增加，高校通信教学改革势在必行。在最初的通信原理实验设备中每个实验独立占用一块硬件资源，随着EDA技术的发展，实验设备厂商将CPLD/FPGA技术作为独立的一项实验内容，加入到通信原理实验设备中。FPGA技术具备集成度高、速度快和现场可编程的优势，适合高集成度和高速的时序运算。本文总结现有通信原理实验设备的优缺点，采用FPGA技术设计出集验证性和设计性于一体，具备较高的综合性和系统性的通信原理实验系统。 本系统提供了一个开放性的硬件、软件平台，从培养学生实际动手能力出发，利用FPGA在通用的硬件上实现所有实验内容。学生在本系统上除了能完成已固化的实验内容，还可以实现电子设计开发和验证。这对培养学生的实践能力大有裨益。 本文结合数字通信系统基本模型，把基于FPGA的通信原理实验系统划分为信号源模块、发送端模块、信道仿真模块、接收端模块和同步模块几部分。其中，模拟信号源采用DDS技术，能够生成非常高的频率精度，可作为任意波形发生器。发送端和接收端模块结合到一起组成多体制调制解调器，形成多频段、多波形的软件无线电系统。载波同步采用全数字COSTAS环提取技术，具备良好的载波跟踪特性，利用对载波相位不敏感 的Gardner算法跟踪位同步信号。 本文首先介绍了通信原理实验系统的研究现状和意义；然后根据通信系统模型从《通信原理》各个章节中提炼出各模块的实验内容，分别列出各实验的数字化实现模型；继而根据各模块资源需求选取合适FPGA芯片，并给出硬件设计方案；最后，给出各模块在FPGA上具体实现过程、系统测试结果及分析。测试和实际运行结果表明设计方法正确，且功能和技术指标满足设计要求。 关键词：通信原理，实验系统，FPGA，DDS，多体制调制解调，全数字COSTAS环，位同步
上传时间： 2013-07-07
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互联网、移动通信、星基导航是21世纪信息社会的三大支柱产业，而GPS系统的技术水平和发展历程代表着全世界卫星导航系统的发展状况。目前，我国已经成为GPS的使用大国，卫星导航产业链也已基本形成。然而，我们对GPS核心技术(即如何捕获卫星信号并保持对信号的跟踪)的研究还不够深入，我国GPS产品的核心部分多数还是靠进口。因此，对GPS核心技术的研究是非常紧迫的。 本文首先介绍了GPS的定位原理，之后阐述了GPS接收机的基本原理一直接扩频通信和GPS信号的结构与特性。从这些方面出发研究接收机基带处理器的捕获与跟踪设计方案。 设计过程中，先详细分析了滑动相关的捕获算法和基于FFT的快速捕获算法，并利用matlab进行了验证。由于前者灵活性好且可捕获到高精度的码相位和载波频率，适合于本文的硬件接收机，所以本文确定了滑动相关的捕获方案。 接着分析了跟踪环路的特点，跟踪模块采用码跟踪环和载波跟踪环耦合的方法实现。由于GPS系统通常工作在非常低的信噪比环境中，而非相干环在低信噪比下环路跟踪性能较好，所以码跟踪环采用非相干(DDLL)环实现。这种跟踪环路采用的鉴相器是能量鉴相器，对数据的调制和载波相位都不敏感，鉴相器不会产生不确定量。由于输入信号存在180°相位翻转，而COSTAS锁相环允许数据调制，对I支路和Q支路信号的180°相位翻转不敏感，所以载波跟踪环采用COSTAS锁相环实现。上述算法在matlab环境下得到了验证。 基带处理器电路的主要模块在Quartus II8.0开发平台上利用VHDL硬件描述语言实现。然后利用EDA仿真工具ModelSim-Altera6.1g进行了逻辑仿真。本设计满足系统功能和性能的要求，可以直接用于实时GPS接收机系统的设计中，为自主设计GPS接收机奠定了基础。 最后，由于在弱电磁环境下，捕获失锁后32PPS信号会丢失。所以设计了一个能授时和守时的算法去得到与GPS时同步的精确授时秒信号。并且实现了这个算法。
上传时间： 2013-04-24
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随着电子技术的快速发展，各种电子设备对时间精度的要求日益提升。在卫星发射、导航、导弹控制、潜艇定位、各种观测、通信等方面，时钟同步技术都发挥着极其重要的作用，得到了广泛的推广。对于分布式采集系统来说，中心主站需要对来自于不同采集设备的采集数据进行汇总和分析，得到各个采集点对同一事件的采集时间差异，通过对该时间差异的分析，最终做出对事件的准确判断。如果分布式采集系统中的各个采集设备不具有统一的时钟基准，那么得到的各个采集时间差异就不能反映出实际情况，中心主站也无法准确地对事件进行分析和判断，甚至得出错误的结论。因此，时钟同步是分布式采集系统正常运作的必要前提。 目前国内外时钟同步领域常用的技术有GPS授时技术，锁相环技术和IRIG-B 码等。GPS授时技术虽然精度高，抗干扰性强，但是由于需要专用的GPS接收机，若单纯使用GPS 授时技术做时钟同步，就需要在每个采集点安装接收机，成本较高。锁相环是一种让输出信号在频率和相位上与输入参考信号同步的技术，输出信号的时钟准确度和稳定性直接依赖于输入参考信号。IRIG-B 码是一种信息量大，适合传输的时间码，但是由于其时间精度低，不适合应用于高精度时钟同步的系统。基于上述分析，本文结合这三种常用技术，提出了一种基于FPGA的分布式采集系统时钟同步控制技术。该技术既保留了GPS 授时的高精确度和高稳定性，又具备IRIG-B时间码易传输和低成本的特性，为分布式采集系统中的时钟同步提供了一种新的解决方案。 本文中的设计采用了Ublox公司的精确授时GPS芯片LEA-5T，通过对GPS芯片串行时间信息解码，获得准确的UTC时间，并实现了分布式采集系统中各个采集设备的精确时间打码。为了能够使整个分布式采集系统具有统一的高精度数据采集时钟，本论文采用了数模混合的锁相环技术，将GPS 接收芯片输出的高精度秒信号作为参考基准，生成了与秒信号高精度同步的100MHZ 高频时钟。本文在FPGA 中完成了IRIG-B 码的编码部分，将B 码的准时标志与GPS 秒信号同步，提高了IRIG-B 码的时间精度。在分布式采集系统中，IRIG-B时间码能直接通过串口或光纤将各个采集点时间与UTC时间统一，节约了各点布设GPS 接收机的高昂成本。最后，通过PC104总线对时钟同步控制卡进行了数据读取和测试，通过实验结果的分析，提出了改进方案。实验表明，改进后的时钟同步控制方案具有很高的时钟同步精度，对时钟同步技术有着重大的推进意义！
上传时间： 2013-08-05
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温湿度是影响粮食储藏的重要参数，两者之间是相互关联的，温湿度控制不好必然引起粮食发热和霉变，且极易产生连锁反应，从而造成难以挽回的损失。温湿度的控制直接影响到粮食存储系统的性能。冈此，粮食温湿度测控技术在农业上的应用是十分重要的。本文研究基于FPGA的粮仓温湿度监制系统。 设计了基于FPGA的粮仓温湿度监控系统，该系统主要由温湿度传感器、控制电路、单片机和上位机构成。单片机主要完成温度数据的采集和上位机的通讯；控制电路基于FPGA进行设计，主要负责采集湿度信息，计算温湿度偏差及其变化率，通过调用模糊控制算法对温湿度进行模糊控制，单片机通过RS485总线和上位机进行串口通信，使上位机能够实时记录，显示温湿度变化值和控制过程曲线。该系统实现了粮仓内温湿度的实时监测，使管理人员可以实时掌控粮仓内的温湿度情况。 采用FPGA设计控制电路简化了系统的组成和外围数字电路，易于系统扩展和升级，内部集成了信号处理、控制、检测电路，减少了系统的体积，缩短了开发周期，大大增强了系统的可靠性；配合功率驱动、电源等外围电路，完成信号采集、处理和控制等功能，节省了开发成本，使粮仓温湿度控制系统更加集成化。这也恰恰更加符合当今电子产品高精度，集成化的要求。 系统采用直接输出数字量的DS1820温度传感器和湿度传感器HS1101并将HS1101与555定时器组成振荡电路，其输出为频率脉冲信号，与湿度值成线性关系，该频率脉冲信号可直接送入FPGA进行计数，这样温湿度传感器输出的信号都没有经过放大、A/D转换，进一步减少了测量误差。控制电路采用了VHDL硬件描述语言进行编写。本装置已作出实样，通过了调试，已达到预期效果。
上传时间： 2013-06-16
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文章开篇提出了开发背景。认为现在所广泛应用的开关电源都是基于传统的分立元件组成的。它的特点是频率范围窄、电力小、功能少、器件多、成本较高、精度低，对不同的客户要求来“量身定做”不同的产品，同时几乎没有通用性和可移植性。在电子技术飞速发展的今天，这种传统的模拟开关电源已经很难跟上时代的发展步伐。 随着DSP、ASIC等电子器件的小型化、高速化，开关电源的控制部分正在向数字化方向发展。由于数字化，使开关电源的控制部分的智能化、零件的共通化、电源的动作状态的远距离监测成为了可能，同时由于它的智能化、零件的共通化使得它能够灵活地应对不同客户的需求，这就降低了开发周期和成本。依靠现代数字化控制和数字信号处理新技术，数字化开关电源有着广阔的发展空间。 在数字化领域的今天，最后一个没有数字化的堡垒就是电源领域。近年来，数字电源的研究势头与日俱增，成果也越来越多。虽然目前中国制造的开关电源占了世界市场的80％以上，但都是传统的比较低端的模拟电源。高端市场上几乎没有我们份额。 本论文研究的主要内容是在传统开关电源模拟调节器的基础上，提出了一种新的数字化调节器方案，即基于DSP和FPGA的数字化PID调节器。论文对系统方案和电路进行了较为具体的设计，并通过测试取得了预期结果。测试证明该方案能够适合本行业时代发展的步伐，使系统电路更简单，精度更高，通用性更强。同时该方案也可用于相关领域。 本文首先分析了国内外开关电源发展的现状，以及研究数字化开关电源的意义。然后提出了数字化开关电源的总体设计框图和实现方案，并与传统的开关电源做了较为详细的比较。本论文的设计方案是采用DSP技术和FPGA技术来做数字化PID调节，通过数字化PID算法产生PWM波来控制斩波器，控制主回路。从而取代传统的模拟PID调节器，使电路更简单，精度更高，通用性更强。传统的模拟开关电源是将电流电压反馈信号做PID调节后--分立元器件构成，采用专用脉宽调制芯片实现PWM控制。电流反馈信号来自主回路的电流取样，电压反馈信号来自主回路的电压采样。再将这两个信号分别送至电流调节器和电压调节器的反相输入端，用来实现闭环控制。同时用来保证系统的稳定性及实现系统的过流过压保护、电流和电压值的显示。电压、电流的给定信号则由单片机或电位器提供。再次，文章对各个模块从理论和实际的上都做了仔细的分析和设计，并给出了具体的电路图，同时写出了软件流程图以及设计中应该注意的地方。整个系统由DSP板和ADC板组成。DSP板完成PWM生成、PID运算、环境开关量检测、环境开关量生成以及本地控制。ADC板主要完成前馈电压信号采集、负载电压信号采集、负载电流信号采集、以及对信号的一阶数字低通滤波。由于整个系统是闭环控制系统，要求采样速率相当高。本系统采用FPGA来控制ADC，这样就避免了高速采样占用系统资源的问题，减轻了DSP的负担。DSP可以将读到的ADC信号做PID调节，从而产生PWM波来控制逆变桥的开关速率，从而达到闭环控制的目的。 最后，对数字化开关电源和模拟开关电源做了对比测试，得出了预期结论。同时也提出了一些需要改进的地方，认为该方案在其他相关行业中可以广泛地应用。模拟控制电路因为使用许多零件而需要很大空间，这些零件的参数值还会随着使用时间、温度和其它环境条件的改变而变动并对系统稳定性和响应能力造成负面影响。数字电源则刚好相反，同时数字控制还能让硬件频繁重复使用、加快上市时间以及减少开发成本与风险。在当前对产品要求体积小、智能化、共通化、精度高和稳定度好等前提条件下，数字化开关电源有着广阔的发展空间。本系统来基本上达到了设计要求。能够满足较高精度的设计要求。但对于高精度数字化电源，系统还有值得改进的地方，比如改进主控器，提高参考电压的精度，提高采样器件的精度等，都可以提高系统的精度。 本系统涉及电子、通信和测控等技术领域，将数字PID算法与电力电子技术、通信技术等有机地结合了起来。本系统的设计方案不仅可以用在电源控制器上，只要是相关的领域都可以采用。
上传时间： 2013-06-29
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数字滤波器是现代数字信号处理系统的重要组成部分之一。ⅡR数字滤波器又是其中非常重要的一类虑波器，因其可以较低的阶次获得较高的频率选择特性而得到广泛应用。 本文研究了ⅡR数字滤波器的常用设计方法，在分析各种ⅡR实现结构的基础上，利用MATLAB针对并联型结构的ⅡR数字滤波器做了多方面的仿真，从理论分析和仿真情况确定了所要设计的ⅡR数字滤波器的实现结构以及中间数据精度。然后基于FPGA的结构特点，研究了ⅡR数字滤波器的FPGA设计与实现，提出应用流水线技术和并行处理技术相结合的方式来提高ⅡR数字滤波器处理速度的方法，同时又从ⅡR数字滤波器的结构特性出发，提出利用ⅡR数字滤波器的分解技术来改善ⅡR滤波器的设计。在ⅡR实现方面，本文采用Verilog HDL语言编写了相应的硬件实现程序，将内置SignalTap Ⅱ逻辑分析器的ⅡR设计下载到FPGA芯片，并利用Altera公司的SignalTap Ⅱ逻辑分析仪进行了定性测试，同时利用HP频谱仪进行定性与定量的观测，仿真与实验测试结果表明设计方法正确有效。
上传时间： 2013-04-24
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