基于电磁感应技术的自动化修正装定系统仿真分析

基于电磁感应技术的自动化修正装定系统仿真分析
Simulation analysis of automatic correction setting system
based on electromagnetic induction technology
刘党丽，王 利，张金时，赵旭瑞
LIU Dang-li, WANG Li, ZHANG Jin-shi, ZHAO Xu-rui
（中北大学 机电工程学院，太原 030051）
摘 要：目前设计的自动化修正装定系统负载电压损耗较大，导致修正距离不足。

为了解决上述问题，
基于电磁感应技术设计了一种新的自动化修正装定系统，对系统的硬件和软件进行设计。

硬件选用全桥逆变器进行数据传输，利用全桥逆变器实现快速切换，产生信号，通过整流器实现发射器电流交换。

在接收电路内部加入稳压芯片，确保芯片内部的电压输出值始终为稳定值。

通过数字通信、数据编码和电磁感应实现自动化修正装定系统软件工作流程。

仿真实验结果表明，基于电磁感应技术的自动化修正装定系统能够有效降低负载电压损耗，扩大修正距离。

关键词：电磁感应技术；自动化修正；修正装定；装定系统中图分类号：TJ43 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2021)02-0134-05
收稿日期：2019-12-06
作者简介：刘党丽（1997 -），女，山西运城人，硕士研究生，研究方向为机电控制系统。

0 引言
近年来，我国修正装订技术迎来了发展热潮，在修正装定系统更新的过程中，主要的更新目的是在能源耗用最低值下促进自动化修正装定系统的工作效率，使系统具有工作可靠性[1]。

自动化修正装定系统用来完成信息和数据等文件的装定，减轻工作人员的工作量，得到
了各个领域的广泛应用。

随着大数据时代的到来，传统
的自动化装订系统在工作时由于数据识别错误，总会出现修正装定错误，造成严重影响。

因此本文在传统的自动化修正装订系统的基础上，结合电磁感应技术，提高系统的工作效率。

为了达到以上的更新标准，本文进行基于电磁感应技术的自动化修正装定系统的研究，其主要优势是既可以保证系统的工作效率、能耗控制，也能在工作过程中进行合法的修正装定信息存储。

1 基于电磁感应技术的自动化修正装定系统硬件设计
本文设计的基于电磁感应技术的自动化修正装定系统硬件由逆变器、整流器两个主要部分组成，通过接收电路完成连接[2]。

系统的硬件结构如图1所示。

1.1 逆变器
基于电磁感应技术的自动化修正装定系统硬件区域
的逆变器设备的工作是将系统内部的直流电流转换为高频率的交流信号，自动化装定器识别高频信号，完成信息的修正装定操作[3]。

逆变器高频信号转换原理是通过直流电流的网络图结构进行信号转变，此转变方式保证了需要修正装定信息的完成性。

逆变器的优势是适用于多种频率信号的转换，并且工作能耗少。

图1 基于电磁感应技术的自动化修正装定系统硬件结构
逆变器架构如图2所示。

图2 逆变器架构
本文设计的逆变器主要由栅极驱动器、现场效应
晶体管以及其他辅助小零件构成。

IRFP260栅极驱动器
的工作是驱动逆变器晶体管工作，逆变器晶体管的工
作电压为12V，输出电压为20V，因此栅极驱动器的工
作电压为25V，输出电压为30V，才能正常的驱动逆变
器晶体管工作。

IRFP260栅极驱动器工作的额定功率为
150W
，可以满足基本的信息修正装定工作。

驱动器在
统一任务处理时，发出两个不同格式的信号，两个信号
的意义相同一旦其中的一个信号在传输过程中出现信号
格式化，立即将第二格式的信号继续传输。

现场效应晶
体管外表具有多个圆头，在信号传输时屏蔽外界的信号
干扰[4]。

逆变器电路图如图
3所示。

图3 逆变器电路图
1.2 整流器
本文分析的基于电磁感应技术的自动化修正装定
系统为了较少工作能耗，不采用传统的移动电源提供电
能，而是采用整流器作为电源转换媒介，为系统提供工
作电源。

本文选择的GJS-937整流器是目前最新版本的
整流器，其工作是将系统发射端的电流进行能耗减压
处理，处理后为系统提供电能，将直流电流的功耗最
大化。

整流器示意图如图4所示。

图4 整流器示意图
IRFP260栅极驱动器由发光二极管、无线接口、发
射器以及电容器组成。

发光二极管的工作电流为5A，
工作电压为2V，整流器内配置的发光二极管数量根据
系统的有效输出电压决定，正常输出电压为220V的系
统，需要安装200个发光二极管。

IRFP260栅极驱动器的
无线接口的工作是完成信号的接收，继而完成修正装定
命令的执行，整流器的工作效率可以达到95%。

电容器
的规定电容为100uF，但是在电容器工作中会自动消耗
电容，因此额定电容为110Uf，本文设计的发射器的自
感系数为19.54赫兹，接收器的自感系数为21赫兹，两
个设备的互感系数为2赫兹，耦合系数为0.5。

耦合系数
代表的接收器和发送器工作时耦合操作的误差。

全桥整流器如图5所示。

图5 全桥整流器
1.3 接收电路
系统硬件区域的接收电路器的工作任务是将需要修
正装定的编码信息进行解码，然后发送修正装定指令，
驱动硬件区域的器件工作，完成自动化修正装定系统的
工作。

其工作原理是发射器接收编码信息和原有的待修正数据原码，进行数据解码，然后将解码的信息发送到接收电路器的各个引脚内，与整流器的信号波同步时，进行数据的修正操作。

接受电路的实质是谐振电路，为了准确的控制自动化修正装定系统的修正和装定操作，本文设计串联谐振电路和并联谐振电路。

谐振电路内关键参数有电阻、电容、电感，电路运行时利用调谐和滤波过滤无意义的频率，提高工作效率。

只有接收电路经过频率和阻值不断变化，导致电路是阻性时，接收电路才出现协助现象，才可以进行数据信息的修正和装定操作。

串联谐振是谐振电路中最普遍的电路形式，多个串联谐振电路和至少一个并联谐振电路就可以构成一个整体的谐振电路，其工作原理是调用接收电路内的有效电流，通过并联谐振的C2电流作为整流器的驱动命令控制接收电路的关闭与通路。

并联谐振是电路中的电感和电容并联，电流出现同相位的情况，这时电路的电源做无用功，驱动谐振电路运行。

本文选择Yu-57接收电路器，此电路器的驱动电源为12V 38AH/20HR 的铅酸蓄电池，可以持续30天的电能供给，此电池的供给距离最远位500米，并且电池一次正常续电只需要6小时，节省电能源的消耗。

为了系统可以自动分辨操作指令，本文在接收电路器内部设置一个遥感电线圈，此电线圈的驱动电压位10V ，当相邻的遥感电线圈的VVOP-DC 、VVOP-HYS 差值大于2时，调用电磁感应技术完成自动化修正操作，相反，完成自动化装定操作，条理清晰，使自动化修正装定系统稳定运行。

接受电路原理接线图如图6所示。

D
GND
GND
图6 接受电路原理接线图
2 基于电磁感应技术的自动化修正装定系统软件设计
电磁感应技术是一种通过电场和磁场的内在关系，利用变化磁通量中导体产生的电动势和法拉利电磁感应定律进行相应操作，解决各个领域常见的问题。

在自动化修正装定系统软件区域，通过融入电磁感应技术，促进系统的工作效率。

电磁感应技术主要涉及硬件区域的信号接收器、整流器、发射器，其主要工作原理是系统内部的各个硬件器件接入电源初始化后，电磁感应技术将系统内高频磁场的波动信号进行交变处理，使小的无线信号波百倍放大，然后通过空气介质将信号传输到系统的接收器中，提高接收器的数据接收完整度。

电磁感应技术在对无线信号进行调用时，计算机会记录信息信号波的变化情况。

通过以上对基于电磁感应技术的自动化修正装定系统硬件器件的分析和电磁感应技术的了解，本文总结出自动化修正装定系统的工作流程，流程主要分为三部分，分别为建立需要修正装定信息数据的通、完成数据编码、完成修订装定工作，具体流程如图7所示。

基于电磁感应技术的自动化修正装定系统软件工作流程如图7所示。

图7 基于电磁感应技术的自动化修正装定系统软件工作流程
1）构建数据数字通信模式主要经过虑渡、信号解调、解码以及识别一系列处理，首先要识别待处理的数据，将数据格式变为系统所能识别的格式，因为自动化修正装定系统内的数据格式均是数字格式，如果格式异常，则无法完成数据信息的修正装定处理。

然后将数据信息所携带的信号进行简化，为数据的虑渡和信号解调奠定基础。

最后待修正装定的数据传输到逆变器中，通过循环汉明编码使数据加密，完事远程数据传输。

2）对于需要修正装定的数据编码本文采用循环汉明码技术完成，循环汉明码技术是一种有规律的编码方法，可以提高电磁场感应技术的干扰。

在进行编码前，必须明确数据编码的格式以及完整的编码数据。

先将需要修正装定的数据进行16进制转换，然后将数据录入计算机内，自动生成相应格式的多项式g（x），根据生成的多项式对需要修正装定的数据进行定位编码，具体编码过程如式(1)所示。

(1)
其中，g（x）表示编码生成的多项式；k是所有码的多项式和定位多项式的差值，其值大于0；Q（x）表示编码出的码组；R（x）表示汉明码多项式的商；m （x）表示多项式的余式。

3）通过循环汉明编码技术对需要修正装定的信息进行定位编码后，电磁感应技术调用硬件区域的逆变器和耦合器将编码后的数据传输到接收电路器内，电路器将编码数据解码，根据需求进行信息数据的修正装订。

3 仿真实验
为了验证本文提出的基于电磁感应技术的自动化修正装定系统的有效性，设计对比实验，选用的系统为基于Web技术的自动化修正装定系统和基于数据挖掘的自动化修正装定系统。

修正系统电网如图8所示。

设定实验参数如表1所示。

表1 实验参数
项目参数
输入电压/V150
输入电流/A100
输出电压/V80
输出电流/A60
输出功率/P40
根据上述参数，选用本文提出的基于电磁感应技术的自动化修正装定系统和传统修正系统进行对比实验，得到的实验结果如下。

自动化修正装定系统负载电压损耗实验结果如图9所示。

30
60
15
45
䍏
䖭
⭥
㙇
9
75
90
傼⅑ ⅑图9 自动化修正装定系统负载电压损耗
实验结果表明，随着输入电压的升高，系统输入电流减小，输入功率和输出功率均增加，系统传输效率
⇽
㓯
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图8 修正系统电网
逐渐提高。

当负载电阻设为20Ω时，通过改变输入电压值，测量输出电压和电流，得到了较高的输出电压和电流值，减小了输入电流，提高了输出功率，提高了系统的传输效率。

在相同实验次数内，本文设计的自动化修正装定系统实验结果与理论分析一致，负载电压损耗最低，基于Web技术的自动化修正装定系统的负载电压损耗相对较低，基于数据挖掘的自动化修正装定系统负载电压损耗最高。

修正距离实验结果如表2所示。

表2 修正距离实验结果
实验次数
修正距离/m
Web技术数据挖掘技术电磁感应技术
10.250.310.56
20.290.330.64
30.280.340.69
40.260.380.58
50.220.360.57
60.290.340.59
70.270.330.65
80.240.360.66
根据上述实验结果可知，本文提出的基于电磁感应技术的自动化修正装定系统修正距离更长，修正能力更好。

信息装定的自动化程度以及工作可靠性的提高决定了引信的装定要采用电磁感应装定技术，通过电磁感应技术提高参数的调配能力，和信息的选取能力。

本文提出的修正系统通过分析作用时间来减少时间差，从而减少误差。

综上所述，在相同时间内，本文提出的基于电磁感应技术的自动化修正装定系统负载电压损耗量更少，修正距离更长，具有很强的自动化能力，能够在短时间内实现修正，完成装订工作。

在实际应用中，本文提出的系统应用效果更好。

4 结语
本文分别研究基于电磁感应技术的自动化修正装定系统硬件区域和软件区域，在硬件区域构建逆变器、整流器、接收电路器，然后通过电磁感应技术，调用硬件区域的器件，使自动化修正装定系统具有工作处理意义。

通过以上的研究分析，突破传统的系统设计，在一定程度上推动系统的发展与应用。

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如，当虚拟车间将落丝车的最优接丝顺序得出时，必须快速的传达给真实车间，时效性必须得到保证，任务要及时下发，当有新的卷绕机卷绕机产生新的满卷也要第一时间被考虑到任务派发计算中，否则下发的任务就不是最优解。

5 结语
数字孪生的应用场景十分广阔。

它不但充分揉合了现有的各学科知识来进行数据分析、建立模型等，更利用了虚拟环境的仿真来预测未知的场景，不断地推进各学科的进步、探索更优的方法、追求更创新的技术。

数字孪生技术为智能制造时代的复杂产品设计提供了新的挑战，传统的设计方式没有形成良好的闭环，导致理性的设计与实际的生产往往脱节。

本文为数字孪生在前纺丝车间的应用前景进行了讨论，希望为数字孪生在前纺丝车间的落地提供一种思路。

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