1p-高力夫 胡雨铮 张瀚文 姜跃钊-电子产品结构的规范化设计探究
新型无线电能传输三维耦合机构的设计与优化
新型无线电能传输三维耦合机构的设计与优化李阳1，2，娄志刚1，胡涛成1，张博扬1，安张磊1（1.天津工业大学电气工程学院，天津300387；2.天津理工大学电气工程与自动化学院，天津300384）摘要：为了进一步提高无线电能传输系统（WPT ）的空间自由度，提出了一种新型类半球体状发射机构，从理论角度出发，利用互感叠加原理与等效电路模型分析了三维无线电能传输系统的特性；建立阵列式三维电能传输系统仿真模型，分析不同控制方式下的磁场分布规律，分别从距离特性与磁场分布研究系统传输性能，并搭建了无线电能三维传输实验系统，对该发射机构的传输性能进行验证。
结果表明：新型结构最远可在400mm 处实现效率为19.2%的能量传输；在相同距离下，处于同一水平面的负载线圈在各方向接收功率最大效率偏差仅为8%，具有高均匀度磁场；该新型三维耦合机构具有空间高自由度、无方向性等良好的传输性能。
关键词：无线电能传输（WPT ）；三维发射线圈；空间高自由度；传输特性中图分类号：TM724文献标志码：A文章编号：员远苑员原园圆源载（圆园24）园2原园园75原08收稿日期：2022-09-30基金项目：国家自然科学基金面上资助项目（51877151）通信作者：李阳（1979—），男，博士，教授，主要研究方向为无线电能传输、电力电子技术。
E-mail ：***************** Design and optimization of novel three-dimensional coupling mechanism forwireless power transferLI Yang 1，2，LOU Zhigang 1，HU Taocheng 1，ZHANG Boyang 1，AN Zhanglei 1（1.School of Electrical Engineering ，Tiangong University ，Tianjin 300387，China ；2.School of Electrical Engineering and Automation ，Tianjin University of Technology ，Tianjin 300384，China ）Abstract ：In order to further improve the space freedom of the wireless power transfer 渊WPT冤system袁a new semi-spheroidtransmitting mechanism is proposed.From the theoretical point of view袁the characteristics of three-dimensional 渊3D冤WPT system are analyzed using mutual inductance superposition principle and equivalent circuit model.The simulation model of array 3D power transmission system is established袁and the distribution of magnetic field under different control modes is analyzed.The transmission performance of the system was studied from the per鄄spective of distance characteristics and magnetic field distribution袁respectively.A three-dimensional wireless energy transmission experimental system is established to verify the transmission performance of the transmission mechanism.The results show that the new structure can achieve energy transfer with an efficiency of 19.2%up to 400mm.At the same distance袁the maximum efficiency deviation of the load coil receiving power in all direc鄄tions on the same horizontal plane is only 8%袁and it has a high uniformity magnetic field.The experimental re鄄sults show that the new type of 3D coupling mechanism has good transmission performance such as high spatialfreedom and directionless.Key words ：wireless power transfer （WPT ）曰three-dimensional transmitting coil曰spatial high degree of freedom曰transmis鄄sion characteristicsDOI ：10.3969/j.issn.1671-024x.2024.02.012第43卷第2期圆园24年4月Vol.43No.2April 2024天津工业大学学报允韵哉砸晕粤蕴韵云栽陨粤晕GONG 哉晕陨灾耘砸杂陨栽再无线电能传输（wireless power transfer ，WPT ）技术使用电设备摆脱了电线的束缚，其灵活、高效、便捷的特性令该技术逐渐成为传统输电方式的有力补充，在众多应用领域获得了广泛关注[1-5]。
基于ＢＰ_神经网络的柔顺铰链多目标稳健优化设计
Journal of Mechanical Strength2023,45(4):856-861DOI :10.16579/j.issn.1001.9669.2023.04.014∗20211116收到初稿,20220110收到修改稿㊂国家自然科学基金项目(51665017)资助㊂∗∗伍建军,男,1974年生,四川南充人,汉族,江西理工大学教授,硕士研究生导师,主要研究方向为机械工程与质量可靠性㊂∗∗∗李嘉辉(通信作者),男,1999年生,江西南昌人,汉族,江西理工大学机电工程学院硕士研究生,主要研究方向为机械工程㊂基于BP 神经网络的柔顺铰链多目标稳健优化设计∗MULTI-OBJECTIVE ROBUST OPTIMIZATION DESIGN OF COMPLIANTHINGE BASED ON BP NEURAL NETWORK伍建军∗∗㊀李嘉辉∗∗∗(江西理工大学㊀机电工程学院,赣州341000)WU JianJun ㊀LI JiaHui(School of Mechanical and Electrical Engineering ,Jiangxi University of Science and Technology ,Ganzhou 341000,China )摘要㊀为了提高柔顺铰链的稳健性,引入遗传算法和反向传播(Back Propagation,BP)神经网络方法对柔顺机构进行参数优化,运用正交试验来选出训练参数和测试参数,建立BP 神经网络模型,利用神经网络的非线性拟合能力和遗传算法的全局搜索寻优能力对柔度和固有频率信噪比分别进行单目标和多目标寻找选取范围内的全局最优,不仅仅局限于选取因素水平的排列组合,也为提高柔顺铰链稳健性提供了一种新的解决途径㊂实验结果显示,柔顺铰链综合评价函数更优,实现了稳健优化设计的目的,证明了该方法的有效性㊂关键词㊀柔顺机构㊀柔度㊀BP 神经网络㊀稳健优化㊀遗传算法中图分类号㊀TH16Abstract ㊀In order to improve the robustness of the compliant hinge,genetic algorithm and BP neural network methods areintroduced to optimize the parameters of the compliant mechanism.Orthogonal experiments are used to select training parametersand test parameters,a BP neural network model is established,and by using the nonlinear fitting ability of the neural network and the global search and optimization ability of genetic algorithm.The flexibility and natural frequency signal-to-noise ratio are used to find the global optimum in the selection range for single and multi-objectives.It is not only limited to the permutation and combination of selected factor levels,but also provides a new solution to improve the compliance hinge robustness.The experimental results show that the comprehensive evaluation function of the compliant hinge is better,which achieves the purpose of robust optimization design,and proves the effectiveness of the method.Key words㊀Compliant mechanism ;Flexibility ;BP neural network ;Robust optimization ;Genetic algorithm Corresponding author :LI JiaHui ,E-mail :2843523863@ The project supported by the National Natural Science Foundation of China (No.51665017).Manuscript received 20211116,in revised form 20220110.0㊀引言㊀㊀柔顺机构是一种利用自身弹性形变来做功的微型装置,相对于刚性机构,柔顺机构具有运动灵敏度高㊁无摩擦㊁无间隙㊁无噪声㊁无磨损㊁空间尺寸小㊁容易控制㊁运行稳定等许多优点,广泛应用于陀螺仪㊁加速度计㊁精密天平㊁导弹控制等仪器仪表中,是微纳米器件㊁精密测量仪表㊁精密机械中的重要元件[1-2],因此要求非常高的精度和稳定性㊂对柔顺铰链稳健性的提升已经成为了柔顺机构的研究热点㊂为了追求极致的稳健性,引入反向传播(Back Propagation,BP)神经网络和遗传算法对全局范围进行极值寻优,不局限于选取水平的组合㊂柔顺机构的性能取决于其尺寸参数,关系式呈高度非线性,采用常规方法难以建立相应数学模型,而BP 神经网络具有强大的非线性拟合能力,是处理这类非线性问题的有利工具[3-5]㊂文献[6]采用层次分析法和田口方法的综合权重对柔顺铰链进行稳健设计,但人工给与权值可能偏差过大㊂且单目标优化不适用于工程实践,文献[7-8]使用田口方法与稳健优化方法对柔度和固有频率进行优化㊂文献[9]运用正交试验和神经网络拟合出模型,但未对结果进行优化㊂文献[10]62-66㊁文献[11-12]分㊀第45卷第4期伍建军等:基于BP 神经网络的柔顺铰链多目标稳健优化设计857㊀㊀别用灰色关联度㊁满意度函数㊁响应曲面法对柔性机构进行优化㊂然而,上述对柔性铰链优化的论文中大多只优化出选取不同水平值的最佳水平参数,而非在参数范围内的最佳参数,选取的水平值是主观赋予的,难以保证赋值的合理和客观,具有一定的局限性㊂为解决以上问题,将柔顺平行四杆机构的柔度和固有频率作为研究对象,把正交试验得到的数据当成训练和校核样本,引入神经网络方法对试验进行精准预测,建立神经网络模型并用遗传算法对神经网络模型进行全局搜索得到二者单目标时的最大值,再运用评价函数进行多目标优化来对比,从而获得在参数选取范围内的最佳组合参数,为柔顺铰链稳健优化的各种不确定性提供了一种新思路㊂其流程如图1所示㊂图1㊀柔性铰链稳健优化流程图Fig.1㊀Flow chart of robust optimization of flexure hinge1㊀田口方法稳健设计理论㊀㊀田口方法是一种基于信噪比和正交试验的稳健设计方法,目标是获得低成本,高质量的产品,利用较少的实验来尽可能找出最接近最优解的组合参数,尽可能地降低成本来获取更大的收益㊂而正交试验能挑选出来的组合具有分散均匀的特点,能使试验次数大大减少㊂信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)的大小被用来当作产品质量性能好坏的指标,而根据产品的质量目标需求不同,可将研究对象的信噪比分为以下三种特性信噪比㊂望大特性指使试验目标响应最大化即产品质量特性y 越大越好,例如疲劳寿命㊁强度㊁柔度等都是望大特性,其SNR 计算公式为η=-10lg 1n ðn i =11y 2i()(1)㊀㊀望小特性指目标响应最小化,即质量特性y 无限接近于零为最佳,例如误差㊁质量损失㊁磨损等都为望小特性,其SNR 计算公式为η=-10lg 1n ðn i =1y2i()(2)㊀㊀望目特性指质量特性y 以响应m 为目标且要使SNR 以均值和标准差为基础,在所希望的目标值附近上下波动,且波动越小越好,其SNR 计算公式为η=-10lg y-2s2()(3)式(2)㊁式(3)中,η为SNR;n 为试验次数;y i 为试验结果;y -为试验结果的平均值;s 为试验结果的样本标准差㊂2㊀柔顺铰链稳健优化试验设计㊀㊀以柔顺平行四杆机构作为研究对象,机构组成如图2所示,由刚性梁㊁柔性梁和导向梁组成㊂引用文献[10]62-66,机构材料选取为65Mn,泊松比设为0.3,弹性模量E 设为210GPa㊂该机构载荷是通过一个导向梁横向压力使其产生柔性形变而传递功,约束为在柔顺平行四杆机构另一底端的导向梁的底面施加固定约束㊂网格划分单元格设置为2mm,网格类型为四边形㊂确定了柔顺平行四杆机构的运动模型后使用Ansys 仿真软件对柔度和1阶固有频率进行模拟仿真,将二者作为响应目标,分别进行有限元试验㊂图2㊀柔顺平行四杆机构结构图Fig.2㊀Structure diagram of compliant parallel four-bar mechanism将该机构所有参数柔性梁的长度t ㊁刚性梁长度l ㊁刚性梁宽度d ㊁柔性铰链宽度c ㊁平行四杆机构厚度h 作为因子制定可控因子水平表㊂选取三个有代表性的水平值,如表1所示㊂表1㊀可控因素水平表Tab.1㊀Controllable factor level tablemm 因素Factor t l c d h 水平1Level111450.81310水平2Level212500.91411水平3Level3155511714加入噪声因素载荷F 及取其三个代表性的水平,㊀858㊀机㊀㊀械㊀㊀强㊀㊀度2023年㊀如表2所示㊂表2㊀噪声因素水平表Tab.2㊀Noise factor level table dB(A)噪声因素Noise factor水平1Level1水平2Level2水平3Level3 F101520㊀㊀根据表1可控因素水平和表2噪声因素水平建立正交试验L27(35),并使用Ansys进行仿真,柔度和固有频率均具有望大特性,根据式(1)得柔度和固有频率的SNR,其结果见表3㊂表3㊀正交试验及仿真结果Tab.3㊀Orthogonal test and simulation results序号No.尺寸因素Size factor/mm柔度Flexibilityt l c d h y1/μm y2/μm y3/μm信噪比SNRη1/dB(A)固有频率Naturalfrequency/Hz信噪比SNRη2/dB(A)111450.813101004.481506.722008.9662.5265.3536.30 211450.814101005.581508.372011.1662.5363.6336.07 311450.817101007.221510.832014.4462.5457.1235.14 411500.91311760.591140.891521.1860.1070.1836.92 511500.91411760.971141.461521.9460.1167.6336.60 611500.91711762.371143.561524.7460.1261.3735.76 71155 1.01314503.89755.841007.7856.5374.6537.46 81155 1.01414503.84755.761007.6856.5371.5437.09 91155 1.01714504.99757.491009.9856.5565.3436.30 1012450.91314563.09844.641126.1857.4973.3237.30 1112450.91414563.69845.541127.3857.5070.6936.99 1212450.91714564.90847.351129.857.5264.15536.14 131250 1.01310687.781031.671375.5659.2376.8637.71 141250 1.011410687.531031.301375.0659.2373.9537.38 151250 1.01710688.921033.381377.8459.2467.2836.56 1612550.813111407.112110.672814.2265.4550.3934.05 1712550.814111407.902111.852815.865.4548.5233.72 1812550.817111410.532115.802821.0665.4644.1232.89 191545 1.01311739.551109.331479.159.8671.7937.12 201545 1.01411739.991106.991479.9859.8669.1336.79 211545 1.01711741.411112.121482.8259.8862.9035.97 2215500.813141307.851961.782615.764.8147.3333.50 2315500.814141307.491961.242614.9864.8145.6533.19 2415500.817141310.591965.892621.1864.8341.3132.32 2515550.9013101515.702273.553031.466.0950.8634.13 2615550.914101515.952273.933031.966.0949.0433.81 2715550.917101516.072274.113032.1466.1044.5232.973㊀BP神经网络数据建模3.1㊀BP神经网络优化模型训练㊀㊀BP神经网络是一种按照误差逆向传播来修正模型的算法,BP神经网络具有优秀的多维函数映射能力[13],由输入层㊁隐含层和输出层组成,其基本思想为输入信号由输入层输入,经各层神经元权值和阈值计算通过隐藏层到输出层,得出的输出值与预期值进行比较后得到误差,再用误差反向回馈修正神经元权值和阈值,如此往复不断缩小误差,构成精准模拟输入层和输出层之间函数关系的模型㊂BP神经网络的结构框架如图3所示㊂以正交试验的结果来构建BP神经网络,分别对柔度SNR和固有频率SNR来进行模型训练,输入层节点个数即可控因素个数,即柔性梁的长度t㊁刚性梁宽度d㊁刚性梁长度l㊁柔性铰链宽度c㊁平行四杆机构图3㊀BP神经网络基本结构Fig.3㊀Basic structure of BP neural network厚度h作为模型的输入节点,节点个数为5㊂输出节点为本文研究对象柔度信噪比,节点个数为1㊂隐含层节点个数一般使用以下公式[14]来确定节点个数的范围:㊀第45卷第4期伍建军等:基于BP 神经网络的柔顺铰链多目标稳健优化设计859㊀㊀S =m +n +1+a (4)式中,S 为隐含层节点个数;m 为输入层个数,取5;n 为输出层节点数,为1;a 的值取1~10㊂经计算,取隐含层节点数S 为12㊂正交试验得出的数据共有27组,将1~20组当作训练样本,21~27组当作预测样本㊂采用5-12-1型网络结构,输入层和隐含层传递函数采用Tansig 函数,输出层传递函数使用Purelin 函数,误差算法用梯度下降训练法,设定最大训练次数为1000,学习速率为0.01,训练目标最小误差为0.00001,当模型达到逼近训练目标最小误差时训练停止,并开始对网络能力进行测试㊂3.2㊀BP 神经网络优化验证㊀㊀根据表3选取的21~27组试验数据当成预测样本,当训练完成后,输入这7组样本数据,得到的两组BP 神经网络预测输出与期望值对比图如图4㊁图5所示,模型预测输出结果和期望值的分析结果如表4所示㊂图4㊀柔度SNR BP 神经网络预测输出对比Fig.4㊀Comparison of BP neural networkpredictionoutput of flexibility SNR图5㊀固有频率SNR BP 神经网络预测输出对比Fig.5㊀Comparison of natural frequency signal-to-noiseratio BP neural network prediction output由表4得出,柔度SNR 和固有频率SNR 的预测输出和实测值的相对误差都非常小,最大相对误差不超过1%,可以说明,该BP 神经网络模型对样本的识别精度很高,能准确模拟输入层与输出层之间的映射关系,已经能够达到拟合之间关系的标准,可以使用该BP 神经网络模型来模拟预测柔度SNR 和固有频率SNR 与柔顺铰链尺寸参数之间的关系㊂3.3㊀遗传算法极值寻优㊀㊀遗传算法主要思想是借鉴了达尔文的生物进化论模型,通过借鉴自然选择下的进化论模型,将要解决的寻优解模拟成一个生物进化的过程,把目标函数看成适应度函数,通过模仿生物DNA 遗传的复制㊁交叉和变异等产生下一代的解,而适应度函数值低的后代被淘汰,适应度函数值高的后代保留下来,这样经过N 代遗传后就会产生适应度函数值很高的解,即目标最优个体的解㊂表4㊀预测输出和实测值结果分析Tab.4㊀Analysis of predicted output and measured value results 柔度SNRFlexibility SNR 期望值Expected value 预测值Predictive value 相对误差Relatively error /%固有频率SNR Natural frequencySNR期望值Expectedvalue 预测值Predictive value 相对误差Relatively error /%59.8859.890.01735.9736.020.1464.8164.230.8933.5033.460.1264.8164.230.8933.1933.120.2164.8364.250.8932.3232.420.3166.0966.380.4434.1333.870.7666.0966.380.4433.8133.530.8366.1066.400.4532.9732.870.30㊀㊀根据遗传算法的全局搜索性,列出可控因素的全局变量范围如表5所示,并在此范围内寻找最优值㊂表5㊀可控因素全局取值范围Tab.5㊀Global value range of controllable factors优化变量Optimization variable取值范围Ranget 11~15l 45~55c 0.8~1.0d 13~17h10~14把目标函数即神经网络的预测输出作为适应度函数值,通过遗传算法的选择㊁交叉㊁变异不断迭代寻找适应度高的后代,遗传优化的参数设定为:种群大小为20,最大遗传代数为100,交叉概率为0.4,变异概率为0.2㊂遗传算法的选择操作是使用轮盘赌法,个体的选择概率和其适应度值成比例,适应度越大,选中概率也越高,遗传算法的交叉使用的是实数交叉法,变异操作是随机法选出变异的基因㊂遗传算法分别得到单目标柔度SNR 适应度曲线和固有频率SNR 适应度曲线如图6㊁图7所示㊂图6㊀柔度SNR 遗传算法适应度曲线Fig.6㊀Fitness curve of flexibility SNR genetic algorithm㊀860㊀机㊀㊀械㊀㊀强㊀㊀度2023年㊀图7㊀固有频率SNR 遗传算法适应度曲线Fig.7㊀Fitness curve of genetic algorithm with natural frequency SNR在分别经过80次进化次数后适应度趋近于稳定,柔度SNR 遗传算法得到的最优适应度为67.9519,而相对应的遗传算法得到最优个体值为[14.8621,54.7798,0.8006,15.5854,10.0976],固有频率SNR 遗传算法得到的最优适应度为38.8176,而相对应的遗传算法得到的最优个体值为[11.0152,45.0757,0.9982,13.3499,13.2449],将最优个体值数据和最优适应度函数值使用Ansys 软件进行验证比较,其结果如表6所示㊂表6㊀Ansys 工程验证对比Tab.6㊀Ansys project verification comparison信噪比SNR遗传算法Genetic algorithmAnsys 验证Ansys verification 相对误差Relatively error /%柔度Flexibility67.951968.62150.98固有频率Natural frequency38.817639.08560.69从与Ansys 工程仿真比较结果来看,此BP 神经网络和遗传算法的预测十分接近工程仿真结果,说明该神经网络和遗传算法对柔度的仿真模型效果很好,将优化结果与传统田口方法进行对比,其柔度SNR 优化了2.5215dB(A),固有频率SNR 优化了1.3756dB(A)使得柔顺机构的稳健性有了很大的提升㊂这证明了该方法提高柔顺铰链稳健性的效果㊂3.4㊀综合性能多目标优化㊀㊀在实际工程实践中,单目标优化不能满足实践要求,更多的是需要满足多个目标情况下的最优综合性能,在诸多因素影响下,多目标优化往往不能同时取得单目标的最优值,一个目标的性能提升可能会伴随另一个目标性能的下降,本文采用评价函数[15]来多目标寻优:f i (x )=ag i (x )g max (x )()2+(1-a )h i (x )h max (x )()2(5)式中,g i (x )㊁h i (x )分别为某参数下神经网络模型预测的柔度SNR 和固有频率SNR;g max (x )㊁h max (x )分别为在参数范围内的柔度SNR 最大值和固有频率SNR 最大值;a ㊁1-a 分别为柔度和固有频率的权重㊂根据实际工程应用,柔度和固有频率对其柔顺铰链的作用都很大,不同的柔顺机构所要求的性能是不同的,引用文献[10]62-66取二者权重分别为0.5,同时可方便控制其权值来对比优化结果㊂当f (x )最大时,柔性铰链的目标优化水平达到最高,把f (x )代入训练好的神经网络模型中,求得适应度函数如图8所示㊂图8㊀综合性能遗传算法适应度曲线Fig.8㊀Fitness curve of comprehensive performance genetic algorithm在遗传算法经过近80次后趋于稳定,评价函数多次取值f (x )最大值达到0.8748,平均绝对误差为0.0044029,均方根误差为0.0047429,相对应的参数取值为[14.7740,45.4194,0.8020,13.1221,10.0288],代入到Ansys 仿真得柔度SNR 为64.92,固有频率SNR 为35.51,与初始参数t 2㊁l 2㊁c 2㊁d 2㊁h 2和文献[10]62-66结果对比如表7所示㊂表7㊀优化对比表Tab.7㊀Optimization comparison table柔度SNR Flexibility SNR /dB(A)固有频率SNRNatural frequency SNR /dB(A)评价函数值Evaluation function value 初始参数Initial parameters61.3735.40.8237文献[10]62-66Literature[10]62-6663.3535.480.8523文中方法Method in the paper64.9235.510.8748由表7可以看出,BP 神经网络和遗传算法结合得出的评价函数最高,柔度SNR 提升了1.57dB(A),而固有频率SNR 提升了0.03dB(A),柔性铰链的稳健性得到进一步提高㊂4㊀结语㊀㊀在柔性铰链稳健设计中,传统田口方法得出的最优解是在可控因素选取几个水平下所排列组合中的最优解,如果输入与输出之间的为非单调关系,往往难以取到范围内最优解,而本文引入具有多维函数映射能力的BP 神经网络和具有良好的全局搜索能力的遗传算法,利用神经网络的非线性拟合能力和遗传算法的全局搜索寻优能力来寻找最优参数组合,能在选取范㊀第45卷第4期伍建军等:基于BP神经网络的柔顺铰链多目标稳健优化设计861㊀㊀围全局寻找最优解,大大提升了选取范围,在不考虑模型误差的情况下是参数选取范围内的最优参数,并使用评价函数来寻找多目标优化结果,使得柔顺铰链的稳健性大幅提高㊂该方法具有通用性,在得到输入和输出而未知之间关系时,可快速找出其优化解,适用于各种机构设计中,为稳健优化设计提供一条新的途径,在实际工程实践中具有较大的参考价值㊂参考文献(References)[1]㊀JONATHAN B H,MARTIN L C.A screw theory basis forquantitative and graphical design tools that define layout of actuatorsto minimize parasitic errors in parallel flexure systems[J].PrecisionEngineering,2010(4):767-776.[2]㊀吴鹰飞,周兆英.压电驱动柔性铰链机构传动实现超精密定位[J].机械强度,2002(2):157-160.WU YingFei,ZHOU ZhaoYing.Piezoelectric drive flexible hingemechanism transmission realizes ultra-precision positioning[J].Journal of Mechanical Strength,2002(2):157-160(In Chinese).[3]㊀CHUNM S,BIGLOU J,LENARD J G,et ing neural networks topredict parameters in the hot working of aluminum alloys[J].Journal of Materials Processing Tech,1999(1):245-251. 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[14]㊀袁曾任.人工神经网络及其应用[M].北京:清华大学出版社,1999:102-105.YUAN ZengRen.Artificial neural network and its application[M].Beijing:Tsinghua University Press,1999:102-105(In Chinese).[15]㊀王东生,杨友文,田宗军,等.基于神经网络和遗传算法的激光多层熔覆厚纳米陶瓷涂层工艺优化[J].中国激光,2013,40(9):62-70.WANG DongSheng,YANG YouWen,TIAN ZongJun,et al.Processoptimization of laser multilayer cladding thick nano-ceramic coatingbased on neural network and genetic algorithm[J].China Laser,2013,40(9):62-70(In Chinese).。
电工电子学(第5版)
成书过程
修订情况
出版工作
修订情况
该次修订是在《电工电子学（第4版）》的基础上，对第4版中出现的少量错误进行了更正，部分内容在叙述 上做了修改，个别例题也作了更换，并在第4章可编程逻辑器件中增加了对现场可编程门阵列（FPGA）的简单介 绍。
教材目录
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《电工电子学（第5版）》有配套的慕课——“电工电子学”。
作者简介
作者简介
浙江大学电工电子基础教学中心电工学组隶属于浙江大学电气工程学院。 叶挺秀，浙江大学电气工程学院教师。 潘丽萍，硕士，浙江大学电气工程学院副教授、电气工程学院电工电子教学中心支部书记，研究方向：控制 理论与控制工程。 张伯尧，浙江大学电气工程学院教师。
该版教材由浙江大学电工电子基础教学中心电工学组组织编写，叶挺秀、潘丽萍、张伯尧任主编。第1、6、 7章由姜国均执笔，第2、3、9章由应群民执笔，第4、8章由贾爱民执笔，第5、10章由潘丽萍执笔。教材修订时 吸取了课程组教师的教学经验和意见。
该版教材由大连理工大学唐介教授主审。该教材在修订过程中得到高等教育出版社的帮助，亦得到浙江大学 本科生院、电气工程学院以及电工电子基础教学中心有关领导和教师的支持。
面向功放-整流一体化设计的逆F类功率放大器
面向功放-整流一体化设计的逆F类功率放大器
李昊东;邓雨轩;郭朝阳;张浩
【期刊名称】《空间电子技术》
【年(卷),期】2024(21)3
【摘要】针对微波无线功率传输对于高功率处理能力的高效整流器需求,提出一种基于高效率功率放大器的功放-整流一体化设计思路。
文章首先使用型号为
CG2H40010F的氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT),通过谐波控制、负载牵引等方法,设计出一款工作在2.45GHz逆F类高效率功率放大器。
在高效率功率放大器的基础上基于时间反转对偶理论,通过改变逆F类功率放大器电流方向,同时结合耦合器和移相器实现了高功率容量整流电路的设计。
仿真结果表明,在2.45GHz 工作频率下,功率放大器的输入功率为28dBm时,功率附加效率达到76%,输出功率40dBm;整流电路的输入功率为41dBm时,RF-DC转换效率可达到79%,整流最佳效率大于80%,显示了整流器的高功率处理能力。
引入了两个单刀双掷开关实现功率放大器和整流器的功能切换,文章对核心电路功率放大器进行了实物测试,测试结果与仿真重合较好,验证了功放-整流一体化设计的可行性。
【总页数】7页(P72-78)
【作者】李昊东;邓雨轩;郭朝阳;张浩
【作者单位】西北工业大学
【正文语种】中文
【中图分类】V443;TN454
【相关文献】
1.基于GaN器件的平衡式逆F类功率放大器的研究与设计
2.S波段高效F类/逆F 类GaN HEMT功率放大器设计
3.一种S波段逆F类滤波功率放大器设计
4.基于CMOS工艺的逆F类功率放大器设计
5.基于逆F类的非对称Doherty功率放大器设计
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Doherty功率放大器的研究进展
万方数据
２００８年第５期
童富：Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器的研究进展
３８１
时，会减小功放的负载调制范围，从而会影响效率 的改进，因此，设计多路Ｄｏｈｅｒｔｙ结构时，要综合考 虑效率和线性度。
卜一．
输出
Ｊ
口 ５／２
≥…类…∥ ｃｃｆ３
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图８ ｇｍ。随着偏置变化的曲线
已有的并联型Ｄｏｈｅｒｔｙ结构前面的功分器占 了很大一部分面积。为了提高集成度，必须减小 芯片的面积，一种新颖的紧凑的串联型Ｄｏｈｅｒｔｙ结 构［９。１ ０｜，如图９所示。可以看到新结构已省去了前 面的功分器。其工作原理还是可以用３步来阐述： （１）当输入功率较小时，ＺＰｚ．。远远大于ＺＰ，，因此主 功放的输出功率主要经由通路１输出；（２）当输入 功率达到开启辅助功放时，此时主功放已达到预 饱和，但辅助功放的负载调制效应还不是很明显， Ｚ踢。还相当大；（３）当输入功率达到激励峰值时， Ｚ％。急剧减小，功率主要经由通道２输出。图ｌＯ是 一个采用预失真技术的前置补偿电路，通过调节 Ｌ。和Ｕ，能产生负的ＡＭ—ＰＭ失真，用来抵消后 置电路中正的ＡＭ—ＰＭ失真。
２ Ｆｉ两＝丽’冬冬ｏｂ’
式中，Ｒ。为传输线最优化特征阻抗；Ｉ，为各辅助 功放的电流幅度。当低输入功率时（ｊ，＝Ｏ），Ｚｃ＝ Ｎ·Ｚ。；当输入功率达到激励峰值时（ＪＰ＝工ｃ）， Ｚ（，一Ｚｏ。当Ｎ＝２时，即为经典的对称Ｄｏｈｅｒｔｙ 功放结构。
印茵
图５反馈预失真结构图
号ｙ（￡），得到误差信号Ｐ（￡），再将误差信号Ｐ（￡）反 馈到输入端，与输入信号ｚ（￡）进行相加，得到预失 真（ＰＤ）信号，然后将ＰＤ信号作为功放的输入信 号，这样就大大地提高了功放的线性度。
图６多路Ｄｏｈｅｒｔｙ功放结构
航电机载计算机测试设备的设计与实现
是
出给用户或检测设备使用。
是
是
其中，主控 是否修改脚本 计算机 1 中安否 装离散量卡、ARINC
否
429 卡、千兆以太网卡、AFDX 卡以及串口卡，是网
测试功能选择
口及 AFDX 程序运行的载体，主要用于产品 1 的调
试。主控计测算试用例机编辑 2 中也安装了离散量卡、ARINC 429
卡、千兆以太网卡、AFDX 卡以及串口卡，为网口及
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2021 年 3 月 10 日第 38 卷第 5 期
李文衡，等：航电机载计算机测试设备的 设计与实现
Telecom Power Technology
Ｍａｒ． １０， ２０２１， Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．５
KVM显示器
机柜
KVM转换器
主控计算机
被测产品
AFDX
网络、 ARINC 429 离散量、USB Switch交换机
X4
X5
X6
图 2 接口适配装置前面板示意图
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接口转接盒
2021 年 3 月 10 日第 38 卷第 5 期
Telecom Power Technology
Ｍａｒ． １０， ２０２１， Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．５
模块划分为若干个子模块，便于使用和维护。整个软 件测试流程如图 3 所示。
AFDX 程序的运行提供载体，主要用于产品 2 的调
硬件平台测试
应用软件测试
试。115 V 电源为两套被测产品提供 115 V/400 Hz 的
单项交流供电。该电源选用 1U 单项交流 3KVA 标准
机架电源，具有高功率密度和宽动态输入电压特点。 结束
可以实现远程上电功能，控制端口为 1 路 RS485、1
(课件)电子设备的抗振动设计
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电子设备受到振源传输来的强迫振动,不同的振源,不同的振动环境,对产品的影响是不相同 的.车载设备及运输中的振动环境是中低频的随机振动,垂直方向的振动占优势,水平方向的振动 量值远小于铅垂轴.在喷气式飞机及导弹上,其振源是发动机和气动扰流,以及着陆,滑行时机体 的振动 ,其振动环境是宽带随机振动 ,垂直方向与水平方向的激励最值相当.舰船的主要振源是螺 旋桨产生的低频周期振动 一般来说 为了避免共振现象,电子设备的固有频率应避开振动
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平板的弯曲 方程为:
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密集阵列波导光栅的偏振相关波长优化分析
第52卷第12期2021年12月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.52No.12Dec.2021密集阵列波导光栅的偏振相关波长优化分析吴瑶，郑煜，何浩，刘志杰，段吉安(中南大学高性能复杂制造国家重点实验室，湖南长沙，410083)摘要：对阵列波导光栅(AWG)器件的偏振相关波长(PDW)进行理论分析，研究PDW 产生的机制以及优化方案。
以石英基二氧化硅密集AWG 作为研究对象，针对AWG 中易于产生PDW 的波导部位即与输入/输出平板波导连接处的波导间距在1~5µm 范围内的阵列波导进行分析。
利用有限元法分析上述连接处阵列波导的热应力分布，基于热应力仿真分析及相关理论分析，对这部分波导对应的包层进行掺杂以调节包层的热膨胀系数，从而减小波导正交方向的热应力差，达到优化PDW 的目的；提出一种新工艺流程以实现AWG 不同波导处包层的掺杂，使PDW 优化得以实现。
研究结果表明：对连接处陈列波导的包层掺入不同氧化物如P 2O 5和B 2O 3，在保证包层折射率不变的条件下，增加包层的热膨胀系数至2.42×10−6/℃，可将AWG 的PDW 优化至0.05nm 以下；结合新工艺可制备出低PDW 的AWG 器件，从而满足商业要求。
关键词：阵列波导光栅(AWG)；偏振相关波长(PDW)；热膨胀系数；热应力中图分类号：TN252文献标志码：A文章编号：1672-7207（2021）12-4296-09Optimization of polarization-dependent wavelength of densearrayed waveguide gratingWU Yao,ZHENG Yu,HE Hao,LIU Zhijie,DUAN Ji'an(State Key Laboratory of High Performance and Complex Manufacturing,Central South University,Changsha 410083,China)Abstract:The polarization-dependent wavelength(PDW)of arrayed waveguide grating(AWG)device was theoretically analyzed,and the mechanism and optimization method of PDW were studied.Taking the dense AWG of silica based quartz as the research object,the analysis was carried out for the waveguide part of the AWG that was prone to PDW,i.e,the arrayed waveguide with a waveguide gap within 1−5μm at the connection with the收稿日期：2021−02−12；修回日期：2021−04−20基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(52175445)；高性能复杂制造国家重点实验室开放课题基金资助项目(ZZYJKT2020-09)；湖南省自然科学基金资助项目(2020JJ4247)(Project(52175445)supported by the National Natural Science Foundation of China;Project(ZZYJKT2020-09)supported by the State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing;Project(2020JJ4247)supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province)通信作者：郑煜，博士，教授，从事光机设计与精密运动控制、光电子器件封装装备、集成光子器件设计与制造研究；E-mail ：***************.cnDOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2021.12.010引用格式：吴瑶,郑煜,何浩,等.密集阵列波导光栅的偏振相关波长优化分析[J].中南大学学报(自然科学版),2021,52(12):4296−4304.Citation:WU Yao,ZHENG Yu,HE Hao,et al.Optimization of polarization-dependent wavelength of dense arrayed waveguide grating [J].Journal of Central South University(Science and Technology),2021,52(12):4296−4304.第12期吴瑶，等：密集阵列波导光栅的偏振相关波长优化分析slab waveguide.The finite element method was used to analyze the thermal stress distribution of the arrayed waveguides at the junction.Based on thermal stress simulation analysis and related theoretical analysis,the cladding layer corresponding to this part of the waveguide was doped to adjust the coefficient of thermal expansion,thereby reducing the thermal stress difference in the orthogonal direction of the waveguide,and achieving the purpose of optimizing the PDW.A new process was proposed to support the realization of PDW optimization design method.The results show that the PDW of AWG can be optimized to less than0.05nm byadding different oxides such as P2O5and B2O3into the waveguide cladding at the junction and increasing thecladding coefficient of thermal expansion to2.42×10−6/℃under the condition of keeping the refractive index of the cladding constant.Low PDW AWG devices can be fabricated through the new process,which can meet the commercial requirements.Key words:arrayed waveguide grating(AWG);polarization-dependent wavelength(PDW);coefficient of thermal expansion;thermal stress随着5G网络时代的到来，物联网、大数据、云计算等网络技术得到飞速发展，光纤通信技术在信息技术领域的地位越来越重要，其应用逐步扩展到工业、军事及电力等领域[1]。
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作者简介：高力夫（1997.02-）性别：男籍贯：辽宁省葫芦岛市龙港区专业：产品设计胡雨铮（1998.07-）性别：男籍贯：辽宁省鞍山市专业：产品设计
张瀚文（1998.05-）性别：男籍贯：辽宁省营口市鲅鱼圈区专业：数字媒体艺术
姜跃钊（1997.04-）性别：男籍贯：河北省廊坊市大城县专业：数字媒体艺术
电子产品结构的规范化设计探究
高力夫胡雨铮张瀚文姜跃钊
大连工业大学
摘要：现如今随着我国科技水平的不断发展，用户对于电子产品的要求也愈发的复杂，电子产品结构设计的规范性要求也越来越高。
电子产品的结构设计中存在着较多技术性内容，电子产品规范化内容包括整个电子产品系统、设备元件及数据处理等内容，而这也是判定电子产品质量的关键因素。
而电子元件也是其中的重要影响因素，为更好的保证产品质量就需要做好元器件的选择工作。
本文对电子产品结构设计过程中重要的相关内容和设计原则等加以讨论，明确得出提升电子产品结构设计规范程度的相关策略。
关键词：电子产品；机构规范化设计
引言：电子产品结构设计在较长阶段中主要是以电子产品中元件的装容及支承和对外界环境的防护等作为主要发展方向，在元器件装置和壳体设计等方面都得到较快发展，这一阶段中结构设计对电子产品的发展存在着重要作用，但是对于综合性的专业技术而言其仍然处在初级阶段，还有比较多不足，需要深入研究和不断完善，以下主要对结构设计过程中重要的相关内容和设计原则等加以讨论。
一、产品结构设计的主要方式
（一）确定设计方案
设计人员需要对设备协议中的相关内容得出必要的技术指标，其是设计、检验及使用的主要标准，所以在电子产品方案中：一要能够充分确定设备的主要利用方式和使用参考条件等方面的要求;二要明确得出生产制造的工艺和包装运输等方面的需要;三要能够认识到电子产品工作的实际情况，得出各项技术指标的具体内容。
（二）确定外形尺寸
根据具体设备的需要确定电子产品结构的外形尺寸，首先需要明确对电子产品内部各元件需要的空间大小进行堆叠加以确定，随后需要在实施电子产品安装场地情况考察的基础上认真分析，同时结合车载船运和航空运输等的相关设备来确定电子产品的具体外形及其大小。
（三）确定结构方式
电子产品结构中的表现形式包含插件结构形式、插箱组成结构形式及机体具体结构形式等，特别是机体的结构形式得到较大范围的应用，其样式包含柜式、箱式及盒式等。
设计人员需要结合实际情况确定产品适合的结构方式、结构材料、加工工艺、装配工艺和安装方式等，同时也需要确定内部的分机、模块、元器件的连接关系和方式。
二、产品结构规范化设计的重要原则
（一）通用性原则
在设计中必须尽量减少特殊零部件的数量，尽可能采用标准化、规格化、模块化的零部件和尺寸系列，尺寸和公差系列采用国家标准，提高产品的互换性。
（二）EMI设计
EMI设计的首先关键是降低辐射，然后才是考虑结构的屏蔽，要使产品壳体有良好的接地和正确接地点，尽量减小壳体开孔面积，合理布置孔的位置及孔分布，选用屏蔽效能好的孔形，例如蜂窝状通风孔形的屏蔽效能较高，既能起到电磁屏蔽作用又能起到静电屏蔽作用，同时设计合理的屏蔽壳体形状和选择合理屏蔽材料。
（三）散热设计
散热设计可分为自然冷却、强迫冷却和风管传热。
设计中要注意将发热量大的元件放置在产品的上方，根据允许温升和热流密度确定合适的散热方式和散热器结构。
进气孔应设置在机箱下侧或底部，排气孔应靠近产品顶部，应使冷却空气从热源中间流过，防止气流短路[1]。
（四）防腐蚀原则
在电子产品结构设计的时候，需要选取比较耐腐蚀、耐候的材料，采取完整、可靠的表面处理，采取合理的结构形式，避免小孔、缝隙和积水结构，谨慎使用电镀锌表面，不同金属接触应达到规定值，否则需要考虑对接触面采取保护措施，对于活动磨擦部件较难进行表面处理，因此在设计中尽量使用防锈材料或局部镶入防锈材料。
三、产品结构规范化设计的重点
（一）提升生产率
电子产品的结构尽量选取创新的结构技术，利用各种全新的技术及比较新的操作工艺提升设计效率，减少产品中的零部件和生产元器件规格等，机械零器件也要具备比较完好的结构工艺性特点，零部件和各个元器件的技术参数及尺寸也要充分满足标准化和规格化的具体要求，减少整个产品中所使用的原材料品种和规格，零部件加工精细化程度和技术条件也要相匹配，从而有效追求更高的生产率。
（二）有利于操作和维修
为使电子产品操作更加简单可靠，相关设计人员要在产品设计实施前就增强对产品设计的全面研究和分析，对同类产品的工作情况进行观察和比较，更好的记录一些需要修理的部位;
为满足户外设备经常维护的需求，设计中应减少专用工具的使用，减少紧固件的类别和数量，对于故障率高或者需经常更换的零部件、模块，可单独设计转接件，提高维修效率[2]。
（三）保持造型外观的美观性
电子产品的美感也是影响产品结构的一项重要评估标准，例如产品的便捷性、色彩特点以及使用手感等等。
如若电子产品的外观不符合用户的需求，即便是的产品本身有着极其优良的性能，也可能不会引起用户的重视。
造型设计主要是将当前相对更加先进的科学技术及现代化审美观念等有效结合在一起，得到比较和谐统一、遵守相关协调要求、操作方便、灵活、安全、外形美观，符合人的生理和心理特点的外形的设计，结构设计的过程中也需要保持美观和实用的关系得到有效协调，从而创造得到更加美观的产品，也提升产品的实用程度。
（四）注重可靠性
电子产品的可靠性是影响用户使用的重要因素之一，电子产品的可靠程度是产品在限定时间内和规定实用条件基础上完成力所能及的任务，在这一基础上提高电子产品的可靠程度及规范化程度，分析电子产品可靠性提升的具体要点，以提高电子产品可靠程度。
可靠性是衡量产品质量极其重要的指标，设备必须满足可靠性试验指标及使用要求，以确保设计的正确性及可靠性[3]。
四、电子产品结构设计的系统思维
结构总体设计需要能够从系统设计和综合设计方面出发，使用新的设计理论和设计概念实施电子产品结构总体设计处理，且有效将新得到的设计相关理论内容及相关概念能够移植其它行业已相对成熟的设计成果，使用新的材料和工艺，贯穿机电一体化思维，提升产品结构总体设计质量。
结束语：
电子产品结构设计涉及到多门学科，知识庞大而散乱，设计人员既要提高理论基础和工程意识，又要反映科学发展动向，本文从设计的重要方式、重要原则、设计重点、系統思考等方面进行了讨论，系统阐述了电子产品结构的规范化设计，对确定产品的设计方案，提高产品的设计质量有着较大的参考价值。
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