国家大学生创新性实验计划项目申报书

中国矿业大学国家大学生创新性实验计划项目申报书项目名称：***********************************项目负责人：***所在学院：专业年级：学号/身份证号：******************联系电话：*********电子信箱：*************指导教师：********项目起止年限：2009年10月至2011年5月项目参与学生人数：2人中国矿业大学教务处制二〇〇八年十月

填写说明凡申报国家大学生创新性实验计划项目必须填写本申报书。向学校报送本申报书时，一式5份，并报送申报书电子文档。本书应该填写完整、内容详实、表达准确，数字一律填写阿拉伯数字。项目开展支撑平台指支撑本项目开展的校、院级教学实验中心、科研实验室等，表中填写有关实验室名称，可以多个。打印格式与装订（1）纸张为A4大小，双面打印；（2）文中小标题为四号、仿宋、加黑；（3）栏内正文为小四号、仿宋；（4）左侧距边界1厘米钉2处。项目名称基于PSoC技术的新型煤矿PWM整流装置申请经费2万元起止时间2009.10至2011.5项目所属一级学科电气工程项目开展支撑平台电力电子与电力传动(国家重点学科)电工电子教学实验中心(国家级实验教学示范中心建设单位)项目负责人基本信息姓名学号专业年级所在学院电气07信息与电气工程学院性别联系电话E-mail身份证号男项目组成员基本信息序号1姓名/性别学号专业年级所在学院信息与电气工程学院联系电话E-mail身份证号签名指导教师基本信息姓名所在学院研究方向职称/职务信电与电气工程学院电能质量副教授/副书记性别/年龄联系电话E-mail签名女/45

研究内容概述(限200字以内)课题将深入研究煤矿PWM整流装置的工作原理、主电路设计以及控制策略，完成电网电压不平衡情况下高功率因数PWM整流装置的设计与试验研究，提出简洁可靠的控制策略，消除交流测电压负序分量和直流侧电压中的谐波分量。在此基础上，完成基于可编程片上系统（简称PSoC）的新型煤矿PWM整流装置的控制器设计，将A/D转换、软件算法及控制程序、数字控制电路等PWM整流装置的主要控制功能集中于PSoC片上系统中，完成高性能、高可靠性控制器的设计与开发。项目创新特色概述（50字以内）1、新型控制策略有助于消除装置交流侧负序分量和直流侧谐波；2、基于可编程片上系统的新型控制器性能好，可靠性高。项目组成员分工姓名主要研究工作及申请学分数总体设计、PSoC技术研究、硬件设计与开发PWM整流技术研究、理论分析、仿真、软件开发与调试

一、项目简介（研究内容、目的意义、具体目标、国内外研究现状分析及评价等）在现代化的煤矿企业供电系统建设中，煤矿井下电机车运输是矿井巷道长距离运输的一种主要运输形式。变流设备是牵引变流所的核心设备，其作用是将交流电源变为直流电源，向电机车供电。目前变流设备由整流变压器、功率二极管或晶闸管整流元件组成。二极管不可控整流以及晶闸管相控整流的不足之处在于网侧的功率因数低、电网谐波污染严重、直流侧能量无法双向流动，滤波器的体积笨重，动态响应慢等等。近年来提出的高频PWM整流器可以克服相控整流和不控整流的缺点，它不仅具有可控的AC/DC变换性能，而且可以实现网侧单位功率因数和正弦电流控制，甚至能使能量双向流动，因而可以减少网络中的电流纹波和电压畸变，实现了“绿色”电能的变换。随着PWM控制技术的发展，如空间矢量PWM（SVPWM）,滞环电流PWM控制等方案的提出，以及现代控制理论和智能控制技术的发展和应用，PWM整流器的性能得到了不断提高，功能也不断扩展。鉴于以上应用背景，以煤矿直流牵引供电电源设计为任务，在三相电网电压平衡情况与不平衡情况下，针对PWM整流装置的工作原理、数学模型以及控制策略进行分析，并设计基于PSoC的控制系统的硬件、软件，完成新型三相PWM整流装置系统的设计。可编程片上系统（PSoC，ProgrammableSystemChip）器件是一种“在系统可编程”的片上系统，它将微控制器与可编程数字阵列和模拟阵列集成在一个芯片上，其特点在于既具有微处理器的处理能力，又具有组成多种可编程数字或模拟模块的能力。PSoC具有A/D和D/A，可以解决模拟和数字模块的接口问题。PSoC不需要编程器，能够在系统运行过程中编程，以修改和重构电子系统，使用灵活。与一般的微控制器、现场可编程门阵列（FPGA,FieldProgrammableGateArray）以及在系统可编程模拟器件（ispPAC,In-SystemProgrammableAnalogCircuit）不同的是，PSoC几乎不需要外部电路，一片PSoC就可实现一个电子系统。特别地，它还具有更多的内部资源，如低电压监测电路、内部精密参考电压等。PSoC是2003年Cypress半导体公司推出的芯片，代表了现代电子技术的发展方向。PSoC在电子系统设计方面正在得到越来越广泛的应用。在电动自行车中，PSoC可用来实现电机控制、电子刹车、速度监控、防盗报警等功能。随着PSoC技术的发展，其功能逐渐强大，可以较好地实现PWM整流装置控制功能。由于三相负载不平衡、接地短路故障等原因，煤矿电网会出现电压不平衡的情况。此时，采用电网电压平衡条件下的控制策略，PWM整流装置的交流侧出现负序电流，直流侧会出现二次谐波电压。因此，电网电压不平衡条件下的控制策略研究非常必要。本课题的研究内容具体为：（1）在三相电网电压不平衡情况下，分别建立了新型煤矿PWM整流整流装置在三相静止坐标系和两相同步旋转坐标系的数学模型。研究电网电压不平衡情况下三相电压型PWM整流器的网侧电流对称控制策略和正负序双电流环下抑制直流侧电压二次谐波的控制策略。（2）完成新型煤矿PWM整流装置的主电路参数设计。（3）对PSoC技术及芯片进行学习，掌握其原理及应用方法，选择一种高性能的处理芯片，并研究基于该技术的PWM整流装置控制策略实现。完成控制器硬件设计及软件开发。（4）完成新型煤矿PWM整流装置系统的测试和实验，并对实验结果进行分析。

二、研究技术路线及可行性（1）煤矿直流牵引供电系统的实验室模型构建拟采用电能质量分析仪对直流牵引供电系统整流装置的谐波及功率因数进行测试，并进行数据存储，利用专用软件进行分析。在此基础上，设计出模拟直流牵引供电系统的MATLAB仿真模型和实验室模型，包括交流电源、整流装置、轨道、电机车等各个部分。（2）PWM整流技术研究在三相电网电压不平衡情况下，分别建立了新型煤矿PWM整流装置在三相静止坐标系和两相同步旋转坐标系的数学模型。研究电网电压不平衡情况下三相电压型PWM整流器的网侧电流对称控制策略和正负序双电流环下抑制直流侧电压二次谐波的控制策略。本课题拟采用正、负序两套同步旋转坐标系的独立控制方案，来抑制电网不平衡工况下的负序问题。电流控制方案方面，为了便于硬件实现，确保快速电流响应，本课题拟对将固定开关频率、滞环及SVPWM相结合的电流控制方法进行结合并付诸应用。最后，通过仿真软件对这几种控制策略进行了仿真验证分析，并与平衡控制策略进行对比。（3）完成新型煤矿PWM整流装置的主电路参数设计本课题将根据数学模型，确定新型PWM整流装置的交流侧电感、主电路IGBT、功率二极管参数、直流侧电感等元件参数。在此基础上，对新型PWM整流装置进行仿真，成功后开发相应的实验样机及控制系统。（4）完成基于PSoC技术的PWM整流装置控制器开发对PSoC技术及芯片进行学习，掌握其原理及应用方法，选择一种高性能的处理芯片，并研究基于该技术的PWM整流装置控制策略实现。完成控制器硬件设计及软件开发。（5）完成新型煤矿PWM整流装置系统的测试和实验在MATLAB仿真成功后，开发实验样机及基于PSoC的数字控制系统，并进行实验。实验成功后，将样机应用于直流牵引供电系统实验室模型，进行整体实验。

三、对项目的参与兴趣和已有的知识积累或实践基础项目主持人及各成员均完成了相关基础课程的学习，成绩良好，能够积极主动地参加到本项目的研究中。具体如下：***：项目主持人。学习成绩优秀，获校级一等奖学金。通过了大学英语四级考试、江苏省计算机三级考试（偏软），其中江苏省计算机二级优秀。机器人创新实验室成员，参加过循迹小车的制作，机器人情景剧的制作，有很强的动手能力和良好的团队精神，并利用课余时间完成了MATLAB、AutoCAD等软件的学习。曾参加校级科研项目。***：项目成员。学习成绩优秀，获校级一等奖学金。曾参加过机器人创新实验室培训。积极参加各种课外实践活动，并被评为学校军训先进个人、社会实践先进个人。有较强的动手能力和良好的团队精神。四、研究计划和进度（可就文献查询、社会调查、方案设计、实验研究、数据处理、研制开发、撰写论文或研究报告、结题和答辩、成果推广、论文发表、专利申请等工作逐项进行安排）2009.10-2009.12 进一步文献资料查阅，调研；总体研究方案设计，课题分解，具体方法、步骤拟定。2010.01-2010.05研究新型PWM整流装置的数学模型、控制策略；完成计算机仿真。2010.05-2010.11学习PSoC技术，在此基础上开发控制器；完成新型PWM整流装置开发；撰写论文，申请专利。2010.12-2011.03新型整流装置及其控制器的实验研究。2011.04-2011.05整理资料，编写研究报告，项目总结。

五、项目研究支撑条件1、国家重点学科中国矿业大学电力电子与电力传动学科既是国家重点学科，又是江苏省工程研究中心，实验室面积4500m2，设备总值2700万元。为开展本课题的研究提供了良好的研究平台。2、国家级实验教学示范中心中国矿业大学电工电子教学实验中心为国家级实验教学示范中心建设单位，建有大学生创新教育基地、电子创新设计实验室、机器人创新实验室等，已成为大学生科技创新活动和电子设计竞赛、机器人大赛和“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛等各类学科竞赛活动的重要基地。大学生科技创新活动获国家级奖57项、省级奖40项，获国家授权专利72项，江苏省大学生实践创新训练计划立项3项、校级立项91项。六、预期提供的成果及形式1、申请专利至少1项；2、发表研究论文2篇以上，至少1篇为核心期刊论文；3、完成PWM整流装置的MATLAB仿真；4、完成PWM整流装置的开发，并进行试验研究；5、完成基于PSoC技术的PWM整流器的控制器设计，并进行试验研究；6、提供PWM整流装置及其控制器1套；7、撰写总结报告一份。七、项目经费概算(包括调研、耗材、资料、发表论文、印刷等费用)1、元器件费 0.70万元 电子元件、电力电子器件、制版等2、资料费0.20万元购买书籍、资料、复印等3、差旅费 0.30万元 参加学术会议、学习等4、版面费0.70万