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                    IGCT測試夾具壓力和溫度控制系統的設計

                    添加時間:2021/06/16 來源:未知 作者:樂楓
                    摘要 隨著電力半導體器件的快速發展,集成門極換流品閘管(IGCT)在高壓大功率領域已經開始應用,同時器件的測試設備也不斷向智能化方向發展。為了適應該發展趨勢的要求,本文針對IGCT的測試夾具進行智能化研究。主要研究內容如下。 首先,簡要介紹了I0CT測
                    以下為本篇論文正文:

                    摘要

                      隨著電力半導體器件的快速發展,集成門極換流品閘管(IGCT)在高壓大功率領域已經開始應用,同時器件的測試設備也不斷向智能化方向發展。為了適應該發展趨勢的要求,本文針對IGCT的測試夾具進行智能化研究。主要研究內容如下。

                      首先,簡要介紹了I0CT測試夾具的結構和工作原理。井根據IGCT器件的測試要求,確定了測試夾具的壓力和溫度控制系統的設計指標。然后對測試夾具進行結構強度、熱場及熱固耦合分析。

                      其次,研究了IGCT測試夾具的壓力控制系統。對系統的液壓動力參數進行計算。

                      得出了液壓缸。伺服阿以及力傳感器等的傳遞函數。分析了系統的穩定性,并利用AMESim和MATLAB軟件搭建了壓力控制系統常規PID控制和模物自適應PID控制算法的仿真模型,通過對傷真結果的比較和分析。對所設計結果進行了驗證。

                      再次,研究了IGCT測試夾具的溫度控制系統。確定了溫度控制系統的總體柜架,分析了微處理器外圍電路并對溫度傳感器進行選型,設計了溫度采集電路和升溫控制電路,井采用了數字增量式PID算法實現恒溫控制,上位機軟件能實時采集溫度信息。

                      最后。對系統的硬件和軟件進行了聯合調試。測試結果表明。系統控制的精度士0.1C.

                      超調低于25%.系統響應速度快且穩定性好,達到設計指標。

                      該研究結果對研發智能化IGCT測試夾具有一定的參考價值。

                      關鍵詞:集成門極換流品閘管:夾具:電液力伺服控制:模糊自適應PID:溫度控制

                    Abstract

                      With the mapid development of power semiconducor devices, the Integrated Gate  Commutated Thyitor (GCT) has begun to be plied in the field of high vlage and high  power. At the same time, the test cquipmeant of the device has also contiued t0 develop in the  dection of itlginece In order to meet the requirements of this development rend, this  paper conducts ielligent resarch on I0CT test fixbures. The main resach contents are B  fllowls

                      Fistly. the stnucture and is operntion pincile of the 1oCT test fisure are biely  indueed, and the design indxes of the test fixture presure and temperaure control sysem  are determined according to the lest requirements of the I0CT derice. And then the sinuctural  strength, termal field and thm-solid coupling of the fxure are analyzed.

                      Scondly, the pessure contol sysem of ICCT test fsture is studied. The hyrulie  power penmeters of the system are clculateda and then the transfer finctions of the hyrnulie  cylinder, servo ralve and force sansoer are obaind. The sbii of the sstem is salyzed and  fnally AMESim and MATLAB sofware are used 1 built a simultion model of the  convcntional PID conrol and fuy ndipive PID control algorithm of the pessre contol  systm. The design is verified by analyzing and conmpring vith the simulation rsuls.

                      Thirdly, the temperature control ystem of 1GCT tet fixture is studied. The design  fanework of the temperature corod sysem is detemined, then the peripheal circuit of the  miroprocessor is analyzed and the temperaure sansor is sleeted The temperaure acquistion circuit and the heating control circuit is designed, and the digital incremental PID algorithm is  adopted to realize the constant temperature contol system, and the PC software can collet  information about temperature in real time.

                      Finally, the handware and sofware of the system are joindty debugged.The experimental test  shows that the accunacy of the control system is +0.1 C, and the overshoot is less than 2.5%. The  system responds quicky and has good stability, meeting the design specifications.

                      The research results have ertain referenee valve for the development ofthe itelligentIGCTr  tst fixture.

                      Keywords: Integratod Gate Commutated Thyristor(IGCT); Fixture; Eletro-hydraulie servo .control; Fuzzy adaptive PID; Temperature control

                    IGCT測試夾具壓力和溫度控制系統

                    目 錄

                      1 緒論

                      1.1 研究背景與意義

                      隨著電力半導體技術日新月異的發展,大功率的電力半導體器件廣泛應用在機車牽引、風力發電、特高壓直流輸電(UHVIC)、柔性交流輸電系統等領域。為國民經濟帶來了巨大的效益,同時也為國家日益短缺的能源問題提供了保障。如今電力半導體器件飛速發展,越來越向著大容量、高頻化、高功率密度、集成化及智能化方向發展。電力半導體器件的快速發展,尤其是集成門極換流晶閘管(Integrated Gate Commutated Thyristor,IGCT)的快速發展,可以進一步降低功耗,節約能源,提高效率和可靠性[1].IGCT 作為電力半導體器件的重要成員,它的研究不斷趨于完善,是一種各方面性能相對理想的大功率開關器件,同時性能較為穩定可靠,主要優勢是成本低廉且成品率極高,將會在中高壓直流輸電、高壓調速傳動、無功補償、有源電力濾波、城市軌道交通及智能電網建設等領域具有良好的應用前景[2].

                      IGCT 是一種從門極可關斷晶閘管(GTO)發展而來的大功率半導體開關器件,本質是通過對傳統的 GTO 實施硬驅動技術形成的一種新型全控式半導體開關器件,它吸取了GTO 功率大和 IGBT 頻率高的優點,因此成為了當前功率最大的全控器件[3].GCT 管芯在 GTO 的基礎上,增加了透明陽極、緩沖層和逆導技術,將低通態損耗能力的晶閘管和穩定關斷能力的晶體管的優點結合在一起,再采用門極硬驅動技術[4],使 IGCT 裝置的體積縮小、重量減輕、可靠性提高,最大的優點是開關損耗低、速度快、頻率高且不需要吸收電路,雖然電流關斷增益小,但功率關斷增益卻很大[5].相比其他功率半導體器件,IGCT器件具有較高功率等級、低通態損耗、無需吸收電路等優點,所以在大功率應用領域更是展現出極大的優勢。

                      所有器件的制造和應用都需要以測試手段作為產品質量的保障,因此 IGCT 測試技術的研究以及測試設備的開發與研制非常重要。在器件測試過程中,器件的支撐、定位、夾緊以及保持壓力的大小都依靠測試夾具來提供,因此壓力夾具是 IGCT 器件測試設備中必不可少的重要部件,為了提高測試效率,并且保證操作人員安全測試,所以對 IGCT 測試夾具的研究同樣重要,其性能直接關系到測試的效率和精度[6].通過對 IGCT 測試設備的研究,有助于更方便、更有效的完成 IGCT 器件的相關參數測試,獲得所需要的實驗數據,加快 IGCT 的研制進程,使國產 IGCT 產品早日實現市場化。隨著 IGCT 功率和電壓等級越來越高,需要更好地保障器件的測試效率和測試質量,所以本文研究效率高、成本低、技術先進的 IGCT 測試夾具非常必要。

                      在 IGCT 器件測試過程中,測試夾具可以給被測器件提供實際應用的工況,如恒定的壓力可以保證器件測試中可靠接觸、恒定的溫度可以提供良好的測試環境[7].因此 IGCT測試夾具給被測器件提供恒定的溫度和壓力,成為實現測試系統自動化的重要環節[8].所測試的器件溫度與壓力條件和測試精度存在密切的關聯,因此需要合理的設計夾具壓力及溫度控制系統。由于測試時會出現高電壓、大電流,所以設計安全可靠的測試夾具也能為測試人員提供一定的安全保障。所以本課題對 IGCT 測試夾具的控制系統研究具有重要意義。

                      1.2 國內外研究進展

                    (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

                      2 系統總體分析與設計

                      2.1 IGCT 測試夾具設計指標

                      2.2 夾具控制系統總體框架

                      2.2.1 硬件總體設計

                      2.2.2 軟件總體設計

                      2.3 測試夾具的結構與工作原理

                      2.3.1 測試夾具結構

                      2.3.2 測試夾具的工作原理

                      2.3.3 測試夾具的設計考慮

                      2.4 夾具結構仿真分析

                      2.4.1 夾具結構強度仿真分析

                      2.4.2 夾具熱場與熱固耦合分析

                      2.5 本章小結

                      3 夾具壓力控制系統的設計

                      3.1 測試夾具工作原理

                      3.2 電液力控制系統數學建模及主要參數計算

                      3.2.1 液壓動力系統主要參數計算

                      3.2.2 液壓缸

                      3.2.3 伺服閥

                      3.2.4 其他環節數學模型

                      3.2.5 傳遞函數及系統穩定性分析

                      3.3 電液力控制系統控制策略研究

                      3.3.1 常規 PID 控制

                      3.3.2 模糊自適應控制器的設計

                      3.4 電液力控制系統仿真分析

                      3.4.1 PID 控制仿真結果及分析

                      3.4.2 模糊 PID 控制仿真結果及分析

                      3.5 本章小結

                      4 夾具溫度控制系統的設計

                      4.1 溫度控制系統總體框架

                      4.2 溫控硬件設計

                      4.2.1 微處理器及外圍電路設計

                      4.2.2 溫度傳感器的選型

                      4.2.3 溫度采集電路設計

                      4.2.4 升溫控制電路

                      4.3 溫控軟件設計

                      4.3.1 溫度采集程序

                      4.3.2 數字增量式 PID 算法

                      4.3.3 上位機軟件設計

                      4.4 溫控實驗及分析

                      4.4.1 系統調試

                      4.4.2 測試結果及分析

                      4.5 本章小結

                    5 總結與展望

                      5.1 工作總結

                      本文主要對IGCT測試夾具的壓力和溫度控制系統進行了研究。設計了基于ARM控制的恒溫恒壓測試夾具,主要完成了IGCT測試夾具結構的應力分析、壓力控制系統設計和溫度控制系統設計三個部分工作,得出以下主要結論:

                      1. 本文對IGCT測試夾具的結構進行了應力分析。通過對夾具的結構強度、熱場與熱固耦合分析,優化了夾具的結構參數。

                      2. 本文對夾具的壓力控制系統進行設計。首先對夾具壓力控制系統進行參數計算和系統建模,通過開環傳遞函數的波特圖分析了系統的穩定性,并用AMESim和MATLAB軟件進行聯合仿真,分別采用PID控制算法和模糊自適應PID控制算法進行了比較分析。結 果表明,采用模糊自適應PID控制的方法可以到達超調小于1%,壓力上升時間小于5秒的設計指標,系統穩態精度高響應速度快,獲得較為理想的控制效果。

                      3. 本文對夾具的溫度控制系統進行設計。以STM32F103C8T6微處理器為核心,采用數字增量式PID算法對器件進行升溫控制,通過對加熱功率的調節,從而實現對溫度的精確控制。上位機采集軟件可以采集溫度數據并實時顯示測試的溫度曲線。實驗結果表明,IGCT測試夾具恒溫控制系統超調小于2.5%,控制精度為±0.1℃,系統響應速度快且穩定性好,達到設計指標。

                      本文通過對IGCT測試夾具的應力分析以及壓力控制系統和溫度控制系統設計,積累了寶貴的經驗,對后續開發智能化IGCT測試夾具有一定的參考價值。

                      5.2 工作展望

                      本文針對IGCT測試夾具的結構、壓力控制系統和溫度控制系統進行了設計。由于時間和本人能力有限,課題中還存在一些不足,后續相關研究工作可以從以下幾方面進一步改進:

                      1. 本文采用PID控制和模糊自適應PID控制對夾具電液力伺服控制系統進行了仿真,并對這兩種控制算法的控制效果進行了對比分析。以后還可以用神經網絡、智能自適應等多種控制算法分別進行仿真,然后通過對比分析得出更好的夾具壓力控制算法。

                      2. 單溫度傳感器無法準確測量被測器件的各項溫度,考慮采用多個溫度傳感器或者更合適的方法測出被測器件的相關溫度。本文借助數字增量式PID算法雖然能夠達到一定的控制效果,然而其局限性仍存在,特別是關于PID參數整定部分。在后期研究工作當中,可以借助更加先進的算法來提升系統控制精度和響應速度。

                      3. 夾具的壓力和溫度控制可以結合IGCT特性測試臺,開發出功能更全面、更智能、體系更完善的綜合性測試臺。

                      參考文獻

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                    致 謝

                      美好而短暫的三年時光即將過去,在這里我要感謝我敬愛的老師、親愛的各位同窗好友以及一直陪伴支持我的家人們。

                      首先,我要感謝我敬愛的導師王彩琳教授和許長安高工。王老師在學術研究上是一位學識淵博、嚴謹認真的導師,她廣博的學識以及在科研時嚴謹認真的態度讓我受益良多,成為了我學習過程中的指路明燈,對我整個研究生期間的學習與生活上給予了無私的指導和幫助。許長安高工,感謝他三年以來對我的嚴格要求以及當遇到問題時給予我技術上的支持。感恩兩位導師在我畢業設計時期的各個階段給予我耐心的指導和無微不至的幫助。

                      其次,感謝我的師兄張琦、張磊、楊晶、楊武華、吳伯居以及師姐宋陽、鄭一虹在我遇到問題時給予我的幫助和鼓勵,無論是在課程的學習時期還是做論文階段,他們給我提供的思路點睛以及技術層面的支持都讓我受益匪淺。同時感謝和我同級的田昊、郝爽等伙伴們,平日里和他們的交流與互動也為我研究生學習生活增添了不一樣的色彩。感謝我的師弟張陽、李未末、郝春潮等人,珍惜和你們在一起短暫而愉快的學習時光。

                      另外,感謝我的親人,是你們的照顧與陪伴讓我的學習沒有后顧之憂,你們給予的希望與鼓勵是我不斷前進的最大動力。

                      最后,感謝可以在百忙之中抽出寶貴時間為我評審論文的各位老師!

                    (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

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