國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目申報書

中國礦業(yè)大學(xué)國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目申報書項目名稱：***********************************項目負(fù)責(zé)人：***所在學(xué)院：專業(yè)年級：學(xué)號/身份證號：******************聯(lián)系電話：*********電子信箱：*************指導(dǎo)教師：********項目起止年限：2009年10月至2011年5月項目參與學(xué)生人數(shù)：2人中國礦業(yè)大學(xué)教務(wù)處制二〇〇八年十月

填寫說明凡申報國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目必須填寫本申報書。向?qū)W校報送本申報書時，一式5份，并報送申報書電子文檔。本書應(yīng)該填寫完整、內(nèi)容詳實、表達(dá)準(zhǔn)確，數(shù)字一律填寫阿拉伯?dāng)?shù)字。項目開展支撐平臺指支撐本項目開展的校、院級教學(xué)實驗中心、科研實驗室等，表中填寫有關(guān)實驗室名稱，可以多個。打印格式與裝訂（1）紙張為A4大小，雙面打?。唬?）文中小標(biāo)題為四號、仿宋、加黑；（3）欄內(nèi)正文為小四號、仿宋；（4）左側(cè)距邊界1厘米釘2處。項目名稱基于PSoC技術(shù)的新型煤礦PWM整流裝置申請經(jīng)費2萬元起止時間2009.10至2011.5項目所屬一級學(xué)科電氣工程項目開展支撐平臺電力電子與電力傳動(國家重點學(xué)科)電工電子教學(xué)實驗中心(國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)單位)項目負(fù)責(zé)人基本信息姓名學(xué)號專業(yè)年級所在學(xué)院電氣07信息與電氣工程學(xué)院性別聯(lián)系電話E-mail身份證號男項目組成員基本信息序號1姓名/性別學(xué)號專業(yè)年級所在學(xué)院信息與電氣工程學(xué)院聯(lián)系電話E-mail身份證號簽名指導(dǎo)教師基本信息姓名所在學(xué)院研究方向職稱/職務(wù)信電與電氣工程學(xué)院電能質(zhì)量副教授/副書記性別/年齡聯(lián)系電話E-mail簽名女/45

研究內(nèi)容概述(限200字以內(nèi))課題將深入研究煤礦PWM整流裝置的工作原理、主電路設(shè)計以及控制策略，完成電網(wǎng)電壓不平衡情況下高功率因數(shù)PWM整流裝置的設(shè)計與試驗研究，提出簡潔可靠的控制策略，消除交流測電壓負(fù)序分量和直流側(cè)電壓中的諧波分量。在此基礎(chǔ)上，完成基于可編程片上系統(tǒng)（簡稱PSoC）的新型煤礦PWM整流裝置的控制器設(shè)計，將A/D轉(zhuǎn)換、軟件算法及控制程序、數(shù)字控制電路等PWM整流裝置的主要控制功能集中于PSoC片上系統(tǒng)中，完成高性能、高可靠性控制器的設(shè)計與開發(fā)。項目創(chuàng)新特色概述（50字以內(nèi)）1、新型控制策略有助于消除裝置交流側(cè)負(fù)序分量和直流側(cè)諧波；2、基于可編程片上系統(tǒng)的新型控制器性能好，可靠性高。項目組成員分工姓名主要研究工作及申請學(xué)分?jǐn)?shù)總體設(shè)計、PSoC技術(shù)研究、硬件設(shè)計與開發(fā)PWM整流技術(shù)研究、理論分析、仿真、軟件開發(fā)與調(diào)試

一、項目簡介（研究內(nèi)容、目的意義、具體目標(biāo)、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析及評價等）在現(xiàn)代化的煤礦企業(yè)供電系統(tǒng)建設(shè)中，煤礦井下電機(jī)車運輸是礦井巷道長距離運輸?shù)囊环N主要運輸形式。變流設(shè)備是牽引變流所的核心設(shè)備，其作用是將交流電源變?yōu)橹绷麟娫?，向電機(jī)車供電。目前變流設(shè)備由整流變壓器、功率二極管或晶閘管整流元件組成。二極管不可控整流以及晶閘管相控整流的不足之處在于網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)低、電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重、直流側(cè)能量無法雙向流動，濾波器的體積笨重，動態(tài)響應(yīng)慢等等。近年來提出的高頻PWM整流器可以克服相控整流和不控整流的缺點，它不僅具有可控的AC/DC變換性能，而且可以實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)和正弦電流控制，甚至能使能量雙向流動，因而可以減少網(wǎng)絡(luò)中的電流紋波和電壓畸變，實現(xiàn)了“綠色”電能的變換。隨著PWM控制技術(shù)的發(fā)展，如空間矢量PWM（SVPWM）,滯環(huán)電流PWM控制等方案的提出，以及現(xiàn)代控制理論和智能控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，PWM整流器的性能得到了不斷提高，功能也不斷擴(kuò)展。鑒于以上應(yīng)用背景，以煤礦直流牽引供電電源設(shè)計為任務(wù)，在三相電網(wǎng)電壓平衡情況與不平衡情況下，針對PWM整流裝置的工作原理、數(shù)學(xué)模型以及控制策略進(jìn)行分析，并設(shè)計基于PSoC的控制系統(tǒng)的硬件、軟件，完成新型三相PWM整流裝置系統(tǒng)的設(shè)計?？删幊唐舷到y(tǒng)（PSoC，ProgrammableSystemChip）器件是一種“在系統(tǒng)可編程”的片上系統(tǒng)，它將微控制器與可編程數(shù)字陣列和模擬陣列集成在一個芯片上，其特點在于既具有微處理器的處理能力，又具有組成多種可編程數(shù)字或模擬模塊的能力。PSoC具有A/D和D/A，可以解決模擬和數(shù)字模塊的接口問題。PSoC不需要編程器，能夠在系統(tǒng)運行過程中編程，以修改和重構(gòu)電子系統(tǒng)，使用靈活。與一般的微控制器、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA,FieldProgrammableGateArray）以及在系統(tǒng)可編程模擬器件（ispPAC,In-SystemProgrammableAnalogCircuit）不同的是，PSoC幾乎不需要外部電路，一片PSoC就可實現(xiàn)一個電子系統(tǒng)。特別地，它還具有更多的內(nèi)部資源，如低電壓監(jiān)測電路、內(nèi)部精密參考電壓等。PSoC是2003年Cypress半導(dǎo)體公司推出的芯片，代表了現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展方向。PSoC在電子系統(tǒng)設(shè)計方面正在得到越來越廣泛的應(yīng)用。在電動自行車中，PSoC可用來實現(xiàn)電機(jī)控制、電子剎車、速度監(jiān)控、防盜報警等功能。隨著PSoC技術(shù)的發(fā)展，其功能逐漸強(qiáng)大，可以較好地實現(xiàn)PWM整流裝置控制功能。由于三相負(fù)載不平衡、接地短路故障等原因，煤礦電網(wǎng)會出現(xiàn)電壓不平衡的情況。此時，采用電網(wǎng)電壓平衡條件下的控制策略，PWM整流裝置的交流側(cè)出現(xiàn)負(fù)序電流，直流側(cè)會出現(xiàn)二次諧波電壓。因此，電網(wǎng)電壓不平衡條件下的控制策略研究非常必要。本課題的研究內(nèi)容具體為：（1）在三相電網(wǎng)電壓不平衡情況下，分別建立了新型煤礦PWM整流整流裝置在三相靜止坐標(biāo)系和兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型。研究電網(wǎng)電壓不平衡情況下三相電壓型PWM整流器的網(wǎng)側(cè)電流對稱控制策略和正負(fù)序雙電流環(huán)下抑制直流側(cè)電壓二次諧波的控制策略。（2）完成新型煤礦PWM整流裝置的主電路參數(shù)設(shè)計。（3）對PSoC技術(shù)及芯片進(jìn)行學(xué)習(xí)，掌握其原理及應(yīng)用方法，選擇一種高性能的處理芯片，并研究基于該技術(shù)的PWM整流裝置控制策略實現(xiàn)。完成控制器硬件設(shè)計及軟件開發(fā)。（4）完成新型煤礦PWM整流裝置系統(tǒng)的測試和實驗，并對實驗結(jié)果進(jìn)行分析。

二、研究技術(shù)路線及可行性（1）煤礦直流牽引供電系統(tǒng)的實驗室模型構(gòu)建擬采用電能質(zhì)量分析儀對直流牽引供電系統(tǒng)整流裝置的諧波及功率因數(shù)進(jìn)行測試，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，利用專用軟件進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計出模擬直流牽引供電系統(tǒng)的MATLAB仿真模型和實驗室模型，包括交流電源、整流裝置、軌道、電機(jī)車等各個部分。（2）PWM整流技術(shù)研究在三相電網(wǎng)電壓不平衡情況下，分別建立了新型煤礦PWM整流裝置在三相靜止坐標(biāo)系和兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型。研究電網(wǎng)電壓不平衡情況下三相電壓型PWM整流器的網(wǎng)側(cè)電流對稱控制策略和正負(fù)序雙電流環(huán)下抑制直流側(cè)電壓二次諧波的控制策略。本課題擬采用正、負(fù)序兩套同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的獨立控制方案，來抑制電網(wǎng)不平衡工況下的負(fù)序問題。電流控制方案方面，為了便于硬件實現(xiàn)，確保快速電流響應(yīng)，本課題擬對將固定開關(guān)頻率、滯環(huán)及SVPWM相結(jié)合的電流控制方法進(jìn)行結(jié)合并付諸應(yīng)用。最后，通過仿真軟件對這幾種控制策略進(jìn)行了仿真驗證分析，并與平衡控制策略進(jìn)行對比。（3）完成新型煤礦PWM整流裝置的主電路參數(shù)設(shè)計本課題將根據(jù)數(shù)學(xué)模型，確定新型PWM整流裝置的交流側(cè)電感、主電路IGBT、功率二極管參數(shù)、直流側(cè)電感等元件參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對新型PWM整流裝置進(jìn)行仿真，成功后開發(fā)相應(yīng)的實驗樣機(jī)及控制系統(tǒng)。（4）完成基于PSoC技術(shù)的PWM整流裝置控制器開發(fā)對PSoC技術(shù)及芯片進(jìn)行學(xué)習(xí)，掌握其原理及應(yīng)用方法，選擇一種高性能的處理芯片，并研究基于該技術(shù)的PWM整流裝置控制策略實現(xiàn)。完成控制器硬件設(shè)計及軟件開發(fā)。（5）完成新型煤礦PWM整流裝置系統(tǒng)的測試和實驗在MATLAB仿真成功后，開發(fā)實驗樣機(jī)及基于PSoC的數(shù)字控制系統(tǒng)，并進(jìn)行實驗。實驗成功后，將樣機(jī)應(yīng)用于直流牽引供電系統(tǒng)實驗室模型，進(jìn)行整體實驗。

三、對項目的參與興趣和已有的知識積累或?qū)嵺`基礎(chǔ)項目主持人及各成員均完成了相關(guān)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，成績良好，能夠積極主動地參加到本項目的研究中。具體如下：***：項目主持人。學(xué)習(xí)成績優(yōu)秀，獲校級一等獎學(xué)金。通過了大學(xué)英語四級考試、江蘇省計算機(jī)三級考試（偏軟），其中江蘇省計算機(jī)二級優(yōu)秀。機(jī)器人創(chuàng)新實驗室成員，參加過循跡小車的制作，機(jī)器人情景劇的制作，有很強(qiáng)的動手能力和良好的團(tuán)隊精神，并利用課余時間完成了MATLAB、AutoCAD等軟件的學(xué)習(xí)。曾參加校級科研項目。***：項目成員。學(xué)習(xí)成績優(yōu)秀，獲校級一等獎學(xué)金。曾參加過機(jī)器人創(chuàng)新實驗室培訓(xùn)。積極參加各種課外實踐活動，并被評為學(xué)校軍訓(xùn)先進(jìn)個人、社會實踐先進(jìn)個人。有較強(qiáng)的動手能力和良好的團(tuán)隊精神。四、研究計劃和進(jìn)度（可就文獻(xiàn)查詢、社會調(diào)查、方案設(shè)計、實驗研究、數(shù)據(jù)處理、研制開發(fā)、撰寫論文或研究報告、結(jié)題和答辯、成果推廣、論文發(fā)表、專利申請等工作逐項進(jìn)行安排）2009.10-2009.12 進(jìn)一步文獻(xiàn)資料查閱，調(diào)研；總體研究方案設(shè)計，課題分解，具體方法、步驟擬定。2010.01-2010.05研究新型PWM整流裝置的數(shù)學(xué)模型、控制策略；完成計算機(jī)仿真。2010.05-2010.11學(xué)習(xí)PSoC技術(shù)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)控制器；完成新型PWM整流裝置開發(fā)；撰寫論文，申請專利。2010.12-2011.03新型整流裝置及其控制器的實驗研究。2011.04-2011.05整理資料，編寫研究報告，項目總結(jié)。

五、項目研究支撐條件1、國家重點學(xué)科中國礦業(yè)大學(xué)電力電子與電力傳動學(xué)科既是國家重點學(xué)科，又是江蘇省工程研究中心，實驗室面積4500m2，設(shè)備總值2700萬元。為開展本課題的研究提供了良好的研究平臺。2、國家級實驗教學(xué)示范中心中國礦業(yè)大學(xué)電工電子教學(xué)實驗中心為國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)單位，建有大學(xué)生創(chuàng)新教育基地、電子創(chuàng)新設(shè)計實驗室、機(jī)器人創(chuàng)新實驗室等，已成為大學(xué)生科技創(chuàng)新活動和電子設(shè)計競賽、機(jī)器人大賽和“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽等各類學(xué)科競賽活動的重要基地。大學(xué)生科技創(chuàng)新活動獲國家級獎57項、省級獎40項，獲國家授權(quán)專利72項，江蘇省大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃立項3項、校級立項91項。六、預(yù)期提供的成果及形式1、申請專利至少1項；2、發(fā)表研究論文2篇以上，至少1篇為核心期刊論文；3、完成PWM整流裝置的MATLAB仿真；4、完成PWM整流裝置的開發(fā)，并進(jìn)行試驗研究；5、完成基于PSoC技術(shù)的PWM整流器的控制器設(shè)計，并進(jìn)行試驗研究；6、提供PWM整流裝置及其控制器1套；7、撰寫總結(jié)報告一份。七、項目經(jīng)費概算(包括調(diào)研、耗材、資料、發(fā)表論文、印刷等費用)1、元器件費 0.70萬元 電子元件、電力電子器件、制版等2、資料費0.20萬元購買書籍、資料、復(fù)印等3、差旅費 0.30萬元 參加學(xué)術(shù)會議、學(xué)習(xí)等4、版面費0.70萬