北京工业大学专业学位研究生开题报告表李小祥

北京工业大学全日制专业学位

研究生开题报告

学位级别：□博士√□硕士

学号：S3

研究生姓名：李小祥

指导教师姓名：刘嘉

专业类别：机械工程

工程领域：

所在学院：机电学院

开题报告时间：

北京工业大学研究生院制表

注意：本表基本情况及报告正文由研究生本人填写，硕士不少于3000字，博士不少于5000字。

格式要求：正文文字部分为5号宋体、单倍行间距排版，A4纸双面打印装订。

开题报告评价部分分别由指导教师及专家组书写。开题报告会结束后一周之内将报告原件交院（所）研究生教学秘书处。

一、基本情况

报告正文

（一）选题依据与研究内容

1、选题依据（专业类别或领域的研究意义、国内外研究现状等）

课题背景

传统对电容充电的方法是先经过整流桥整流，然后通过反激变换器并变压整流后给电容充电。由于整个过程没有功率因数校正环节，导致电网侧输入电流导通角很小电流波形畸变严重，产生大量谐波分量，造成功率因数很低并对电网侧造成很大污染。

本课题研究对电容充电电源不同于普通电源。普通电源的目标电容容值很小，对电容充电时电压上升很快。当用反激变换器作为主拓扑结构并采用固定的开关周期给电容充电时，次级电感电压（电容端电压和二极管电压之和）能很快等于初级电感电压。这时就满足了伏秒平衡的条件，使变压器工作在稳定的状态。本课题研究对电容充电过程PFC的目标电容容值很大，使变压器稳定状态建立过程很长。当次级电感电流还没有把能量完全传递给电容，就会在开关管打开的时候将这一部分能量传递给初级，初级的能量就会在此基础上上升。如此循环，初级的能量会越积累越多。达到一定程度就会使变压器或开关器件损坏。能量以电流的形式表示出来就是在次级把能量传给初级时电感时，初级电感的电流就会有一个突变并在此突变上继续线性上升。从宏观上看就会形成电流的突尖。为了不使电流突尖损坏开关器件，必须要压低电感电流，并保证电流在突尖顶峰时还不会损坏变压器或开关管。这样又会造成充电功率的不足，不能保证在很短的时间内将电容充满。较长的充电周期使这种方法不能应用到实际的焊接作业中。

鉴于模拟控制的缺点：进行复杂处理的能力有限，元器件数量多，控制器的参数由电阻电容等分离元器件参数决定，控制器调试复杂，灵活性差，电阻电容的参数分布影响控制器的一致性，参数不稳定并存在温漂等缺陷。本课题决定采用DSP+CPLD数字方式实现PFC控制。

本课题研究的储能螺柱焊机负载容量大，进行一次焊接过程，电容储能就会完全释放，新一次的焊接过程会再次对电容充电且充电初始电压为零，这种工艺特点对电容充电过程的功率因数校正需求更为迫切。

研究意义

本课题的研究意义是通过优化PFC控制算法使变压器初级电感电流波形近似正弦以得到较好的功率因数，减少谐波对电网的污染。用DSP实现数字化控制，使稳定性提高、调试简单富有灵活性等优点。

国内外研究现状

通过调研发现，对电容充电过程功率因数校正的研究中奥本大学获得了较好的控制效果。奥本大学发表的一篇文章讲述了在反激变换器作为拓扑电路的基础上搭建逻辑电路，通过3个信号：定时器，电感电流与正弦基准比较后信号，电容电压与目标电压比较后信号等来控制开关管。实现了电感电流近似正弦，获得了较好的功率因数。

2、选题的研究内容、研究目标以及拟解决的关键问题等

课题的研究内容

本课题的研究内容主要如下几个方面：首先通过PSIM软件仿真出电感电流波形；其次具体分析

波形缺陷原因，主要是电感电流突尖问题和正弦缺陷问题；然后改进逻辑控制电路，主要是采取方法使次级电感电流降为零时再打开开关管；最后在DSP上实现控制算法。

研究目标

本课题的研究目标主要包括：○1在PSIM中搭建逻辑电路与主电路并对波形图缺陷进行分析；○2提出改进方法。优化逻辑电路或主电路使电感电流波形没有突尖或缺陷；○3在DSP平台上实现优化后的算法。

拟解决的关键问题

本课题拟解决的关键问题包括以下的方面：○1精确仿真出电感电流波形并分析原因；○2优化控制算法使电感电流波形良好并在DSP上实现。

3、拟采取的研究方案（研究思路、技术路线或研究方法）及可行性分析

研究平台的选择

本课题是针对大容量储能螺柱焊充电过程PFC算法的优化，所以焊机平台选的是储能螺柱焊机。又因为要实现数字化控制，所以要选择一款合理的芯片。TI公司的C2000系列专门应用于工业控制，结合本课题需要的PWM控制精度、计算速度、外设接口丰富度等，本课题最终选取了TI公司的主控芯片TMS320F28335.

技术路线

本课题的技术路线大致分为以下几个部分：

○1通过PSIM精确仿真出初级电感电流波形。主要是主电路与逻辑电路的搭建

○2通过对波形图的观察分析出产生突尖与正弦缺陷的原因。

○3通过分析原因优化逻辑电路与主电路，目的都是为了保证次级电感电流能够完全释放。并在DSP中实现算法。

可行性分析

本课题主要解决的问题是通过PSIM仿真出电感电流初级波形并分析产生突尖与缺陷的原因，突尖产生的原因是因为次级电感电流没有将能量完全释放又返还给初级结果就造成初级电感电流有一个突变产生突尖。TMS320F28335主频150MHZ，完全满足本课题对PWM精度与速度的要求。

4、本课题的特色及创新之处（限博士论文开题，硕士可根据课题取舍）

5、论文研究进度计划（含研究进度计划安排、研究经费预算及解决办法）、预期研究结果

研究结果

论文研究进度计划

第一阶段：—

查阅资料，初步拟定课题设计方案，对DSP控制原理与编程有了一定的了解。

第二阶段：~

进一步优化逻辑电路或主电路，使电感电流波形良好。

第三阶段：~

确定优化方案并初步编程。

第四阶段：~

根据优化后的需要改原理图并画PCB，焊板子，测试结果。

第五阶段：~

研究总结，撰写论文

预期研究成果

1.优化逻辑电路或主电路实现电感电流无突变无缺陷波形良好；

2.通过编程在DSP和CPLD的平台上实现优化后的算法。

5.3目前已完成工作

1.查看资料，了解DSP构架与原理，初步编程。

2.通过PSIM仿真，初步分析突尖原因是次级电感电流没下降为零又将这部分能量传递给初级。（二）论文研究工作基础及条件保障

1、工作基础（含入学以来取得研究成果、参与或承担的科研项目情况等）

○1学习DSP,能在DSP平台上初步实现一定的功能。

○2学习了PSIM仿真软件，能初步仿真出电路波形。

2、工作条件（设备条件、实验场地条件、可能遇到的困难及应对措施）

储能螺柱焊焊机、DSP开发平台、PC机

（三）参考文献（参考文献目录用标准规范格式，在正文引用处须标注）

[1]顾卫钢.手把手教你学DSP，北京航空航天大学出版社。2011,4

[2]符晓，朱洪顺.TMS320F2833XDSP应用开发与实践,北京航空航天大学出版社。2013,7

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