单片机控制数字脉冲电镀电源Word文档格式.docx

1、2.3.2 高频逆变电路 72.3.3 高频变压器 92.4 驱动电路设计 92.5 控制电路设计 102.5.1 单片机最小系统 102.5.2 PWM波的产生 112.5.3 反馈数据采集电路 122.5.4 键盘与显示电路 132.6 输出整流电路 142.7 输出滤波电路 152.8 辅助电路设计 162.9 保护电路设计 172.10 本章小结 18第3章 数字脉冲电镀电源软件系统设计 193.1 数字脉冲电镀电源软件设计概述 193.2 数字脉冲电镀电源的算法设计 193.2.1 数字PID算法的基本原理 203.2.2 电镀电源的数字PID算法 213.3 算法仿真 223.4

2、关键子程序 233.4.1 按键子程序 233.4.2 PWM子程序 253.5 本章小结 25第4章 总结与展望 264.1 系统调试 264.2系统改进意见 264.2.1 硬件的改进 264.2.2 软件的改进 264.3 本章小结 27结 论 28参考文献 29致 谢 31附录 A 电路总图 32附录 B 程序 33摘 要数字脉冲电镀电源是采用高频数字脉冲逆变技术进行电压变换的一种高效直流电源，在电化学工程中占有十分重要的地位，也是影响电镀效果豪华的重要因素。目前的数字脉冲电镀电源都是采用模拟电路反馈方式进行反馈电压调节，从而保证输出电压的稳定。随着以单片机为代表的通用控制器技术的不断

3、发展，为将单片机技术与数字脉冲电镀电源控制技术相结合，以实现更为方便、高效的控制。本文提出了采用STC89C52单片机进行数字脉冲电镀电源控制的方法，详细设计了采用单片机控制的数字脉冲电镀电源的硬件设计方案，详细设计了电镀电源的主电路、控制电路、辅助电路和保护电路等主要电路，并对关键器件进行了选型。同时对软件控制算法进行了设计，并通过仿真验证了设计的有效性。结果表明采用单片机控制的数字脉冲电镀电源完全能够满足设计要求，并且具有数字化、智能化的优点。关键词：电镀电源；PWM波；单片机；PID算法AbstractDigital pulse plating power is the made fro

4、m high frequency inverter technology for digital pulse voltage DC power conversion in an efficient, occupies a very important position in electrochemical engineering, plating effect is an important factor affecting the luxury.The current digital pulse plating power analog circuits are based feedback

5、 feedback voltage regulator to ensure stable output voltage. With the continuous development of a microcontroller as the representative of the universal controller technology for the microcontroller technology and digital pulse plating power control technology to achieve a more convenient and effici

6、ent control.This paper presents a method using STC89C52 microcontroller digital pulse plating power control, the detailed design of the control of single digital pulse plating power hardware design, detailed design of the main circuit electroplating power control circuit, auxiliary circuit protectio

7、n circuit and other major circuit, and a selection of key devices. While the software control algorithm design and simulation to verify the effectiveness of the design. The results show that the use of microprocessor controlled digital pulse plating power fully able to meet the design requirements,

8、and has digital, intelligent advantages.Keywords ：Electroplating power; PWM wave; MCU;PID algorithm第1章 绪论随着现代科学技术的不断发展，人们对于新型材料的要求也越来越高，电化学成为了目前化工科学的一个重要组成部分，随着电化学工程的不断发展与新技术的不断提出，对于在电化学工程中起着至关重要作用的低电压、大电流的电镀电源也提出了新的要求。首先，要求对于电镀电源的操作简单，以便工作人员将更多的精力放在其他方面；其次，也要求电镀电源能够承受输入端更宽的电压输入和突变情况，能够对输出端短路或过载等情况的

9、冲击做出及时反映；此外，由于电镀电源是电镀过程中最主要的能源消耗，故需要电镀电源能够尽量起到节能增效的作用。接下来，将通过对电镀电源发展历史的回顾、对发展现状的介绍、对脉冲电镀电源的分析确定了本文的研究方向1。1.1 电镀电源的发展历史总体上来讲，电镀电源的发展经历了四个阶段2：第一阶段是始于前苏联的交直流发电机组阶段，这种方式的转换效率仅有60%，而且噪声大、维护不方便，目前已经被淘汰。第二阶段是20世界50年代到20世纪60年代的硒整流器和硅整流器阶段，这种方式是采用变压器原边插头或调压器的方式来进行调压，而在副边是采用硒或硅，采用这种方式的电镀电源结构简单、造价低，但存在精度低、体积大、

10、效率不高等问题，目前仍有一些厂商在生产和使用这种电镀电源。第三阶段是20世纪70年代提出的晶闸管整流器，这种电镀电源采用了五芯变压器和高压大功率晶闸管等新技术，相比于前两代产品在性能方面有较大提升，但是由于仍然使用工频变压器，并且工作在低频段，所以仍然存在体积大、效率低等问题，制约了性能的进一步提高。第四阶段是20世纪80年代以后出现的基于高频开关电源技术的数字脉冲电镀电源，这种数字脉冲电镀电源有着效率高，体积小、重量轻、易集成等优点，因此便于实现工艺过程中的自动化和智能化控制，基于以上优点，数字脉冲电镀电源成为了最近几年的研究热点。1.2 数字脉冲电镀电源的研究现状与发展概况1.2.1 国内

11、外数字脉冲电镀电源的研究现状为了满足电镀工艺提高对电镀电源越来越严格的要求；同时，为了响应国家对用电质量日益提高的重视程度，对电镀电源提出了大功率、高功率密度、高频化的新要求。在这种情况下，数字脉冲电镀电源已经成为了近些年来的研究热点。一方面，随着20世纪90年代以来集成电路技术的不断发展与日益成熟，促进了集高压、大电流和高频于一身的专用控制器的高速发展；另一方面，以单片机为代表的通用控制器为电镀电源的自动化控制和智能化控制带来了新的契机3 4。国外在这方面的研究相对较早，而且在较早的时候就有数字脉冲电镀电源问世，国外有很多比较有名的数字脉冲电镀电源制造商，比如，瑞典的Kraftelektro

12、nik AB，早在1993年左右就推出了高达10kW以下的数字脉冲电镀电源，与同等级的晶闸管电镀电源相比，在重量和体积上都有明显优势，而且相应的稳定性也更高。在国外，数字脉冲电镀电源在中小型功率，尤其是精饰制造和电子元件制造中占据了统治地位，比如，美国最大的电子接插件制造商AMP公司、HP公司、IBM公司等都是在用数字脉冲电镀电源进行电镀5。国内在这方面的研究是在90年代中期开始的，当时有能力进行这方面研究的单位并不对，大部分都是些大型企业或研究所来进行这方面的研究工作，较早投入市场的数字脉冲电镀电源是由航天工业总公司十四所于1994年研制成功的SPS系列6V/100500A的小型数字脉冲电镀

13、电源。经过十几年来的技术积累，现在有越来越多的企业和研究机构投入了数字脉冲电镀电源研制工作中来，而且输出功率也越来越大6。1.2.2 数字脉冲电镀电源的控制技术数字脉冲电镀电源的控制技术对于数字脉冲电镀电源的输出性能起着至关重要的作用。在以往对于数字脉冲电镀电源的研究中，大部分都是采用新型功率器件来实现高频率的数字脉冲和PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）控制，从而尽量减小滤波器尺寸；同时通过对滤波器的优化设计，来降低逆变换电源的输出阻抗，从而尽量抑制由于输出阻抗过高而导致的输出波形过度失真，达到进一步改善负载的试用性的目的。随着新技术的不断发展与成熟，为了进一

14、步改善数字脉冲电镀电源的整体性能，对数字脉冲电镀电源的控制方式也提出了更高要求7 8。高频数字脉冲电镀电源的核心部分是逆变器，引入逆变器的可控制技术的目的是获得高质量的输出电压、输出电流。另外，从控制方面来说，通过引入输出电压、输出电流的瞬时值进行反馈控制，能够有效抑制负载带来的扰动，抑制谐波，这样做显然是相当合理的9。因此对于逆变器控制技术的研究成为了提高数字脉冲电镀电源性能的关键所在。早期的高频数字脉冲电源都是采用分立元件搭建非标准电路来进行对逆变器的模拟控制，采用这种方式制造的数字脉冲电源使用的元件多、结构复杂，而且稳定性不高。1977年开始，技术逐渐成熟的控制电路集成技术为数字脉冲电源

15、控制电路的集成化提供了可能，集成的控制电路逐渐替代了采用分立元件的控制电路，这也标志着数字脉冲电源的重大进步。目前市场上有很多成熟的数字脉冲电源集成控制器芯片，比如美国RNITRODE公司的移植控制芯片UC3845系列，TEXAS INSTRUMENT的模拟PWM控制芯片TL94系列等等。然而采用模拟控制技术的控制芯片仍存在诸多缺点，随着微控制器的发展，为逆变电源的数字化控制技术带来了新的契机10 11。1.3 本文的研究内容近几年来，数字脉冲电镀电源已经得到了极大的发展，但是多是采用模拟电路进行控制。最近几年，单片机技术的不断发展，为数字脉冲电镀电源的数字化提供了新的思路和技术手段12。本文

16、将单片机应用于数字脉冲电镀电源的高频逆变控制当中，并设计了更为人性化的人机交互接口，具体工作有以下两项：1、详细设计了基于单片机的数字脉冲电镀电源，包括主电路、控制电路、保护电路和辅助电路，并对其中部分关键器件的参数进行了详细推导，并进行了器件选择。2、对控制器的控制算法进行详细设计与介绍，并对所设计的PID控制器进行了效果仿真。 第2章 数字脉冲电镀电源硬件系统设计2.1 电源主要参数1. 输入交流电压：三相380V，50Hz2. 输出峰值电流：440A，连续可调3. 输出峰值电压：330V，连续可调4. 脉冲频率110kHz，可调5. 脉冲占空比：0100%，可调6. 脉冲电流导通时间to

17、n：0.1999.9ms，可调7. 脉冲电流断电时间toff：8. 能够实现键盘对输出电压的设置，并能够通过液晶屏对输出电压值和设定值进行显示。2.2 数字脉冲电镀电源的组成数字脉冲电镀电源由主电路、驱动电路、控制电路、辅助电路和保护电路五部分组成13，如图2 .1所示。图2 .1 数字脉冲电镀电源原理框图主电路是整个数字脉冲电镀电源的核心部分，负责对电压转换工作，包括输入电压的转换，包括输入整流滤波、高频逆变、高频变压、输出整流和输出滤波五部分组成；驱动电路负责对主电路中的大功率开关管驱动，由于控制电路是由单片机作为CPU，单片机引脚的驱动能力不足以直接驱动大功率开关管，故设置此模块单元；控

18、制电路负责对于反馈信号的采集与分析，并根据预设的算法生成反馈信号反馈给驱动电路，完成逆变过程，同时控制系统也负责人机交互工作，将电流、电压、温度等信息进行显示，工作人员也可以通过键盘对系统参数进行设置；保护电路负责对温度、输出电流、输出电压等信息进行检测，根据监测结果来采取保护措施。2.3 主电路设计主电路由输入整流电路、高频逆变电路、高频变压器、输出整流电路和输出滤波电路五部分组成14，如图2 .2所示。图2 .2 主电路原理框图输入整流电路将输入的交流电压转换成直流电压，经高频逆变电路转换为高频数字脉冲信号，经高频变压器转换为合适的电压，经最后的整流电路和滤波电路后形成需要的数字脉冲信号，

19、作为输出电压送入到电镀电极中。下面详细的对各部分进行说明。2.3.1 输入整流滤波电路输入整流滤波电路的功能是将输入的工业交流电整流滤波，得到变换的中间直流电压。输入滤波电路的输入电压为380V交流电，频率为50Hz。具体的三相输入整流滤波电路15如图2 .3所示。图2 .3 三相输入整流滤波电路图首先进行输入整流电路参数的计算。在空载时，三相整流桥的最大输出电压平均值为：，U2=220V （2-1）随着电源所带负载的增加（这是电镀过程的正常工作状态），电源所输出电压的平均值也会随之减小，当输出电压减小至ud时，输出电流id，从而进入连续状态输出电压的波形也会成为线电压的包络线，其平均值为 （

20、2-2）整流桥的平均电流为： （2-3）取电源转换的功率因数，最大输出功率为，可得。从而能够得到三相整流桥的电流有效值为： （2-4）再以输入电压的纹波为 ，整流桥必须能够承受最大电流和电压为： （2-5） （2-6）根据以上计算得到的极限数据，将采用日本SanRex公司的三相整流模块DF150AA160作为输入端整流模块，完全能够满足设计需求。接下来进行输入滤波电容的选择。三相380V的交流输入电压经过输入整流变换后，都到脉动的直流电压。再经过滤波电容的Cin的平滑、减小脉动，从而得到转换的中间直流电压。一般而言，采用以下的经验常数进行滤波电容Cin进行选择是比较合理的。一般来将经过整流滤波

21、后的直流电压是峰峰值Vpp是交流电压最小输入时峰峰值的20%到25%，所以按一下步骤来计算Cin的值。1. 线电压有效值为；2. 线电压峰值为：3. 整流滤波后直流电压的最大脉动值为 （2-7）取10%，可以得到Vpp=43V。4. 整流滤波后的直流电压为： （2-8）5. 设电源的功率因数为，则 （2-9）为了保证输出的直流电压符合技术要求，每个周期内Cin所提供的能量Win为 （2-10）其中A为交流输入电压的相位数，即A=3。fmin为最小频率数，这里设为45Hz，留有一定的余量。从而可以得到在正弦波的半个周期内，滤波电容所要提供的能量为： （2-11）最终我们得到Cin=5009uF。

22、2.3.2 高频逆变电路高频逆变前路是数字脉冲电路电源中的核心部分，负责将滤波整流电路输出的直流电压进行高频逆变换，转换为高频交流脉冲信号，再经过招聘变压器进行变压，得到需要的电压值，再经过输出整流电路和输出滤波电路后，转换为直流电压信号输出给电镀电极。可以看到，在整个过程中，高频逆变器负责了输出电压值的调节、功率能量的转换与传递等重要工作。近几年出现了许多不同拓扑的高频逆变电路。比如，零电压PWM逆变电路（ZVS-PWM）、零电压零电流PWM逆变电路（ZVZCS-PWM）等等。但是这是电路目前还不成熟。市面上最为常用的还是基本全桥型PWM高频逆变电路。高频逆变电路16如图2 .4所示。图2.

23、4 高频逆变电路电路图1. 高频逆变电路的工作原理根据供电方式的不同，基本的全桥逆变电路可以分为电压型和电流型两大类，本文中的逆变电路为电压型逆变电路。如图2 .3所示，由输入整流滤波电路输出的直流电压加在功率开关管的集电极与基极之间，由单片机引脚模拟输出的PWM脉冲经驱动电路进行功率放大后加在功率开关管的发射级，通过PWM脉冲与直流电压进行比较，控制功率管Q1Q4轮流导通，最终输出交流数字脉冲信号给高频变压器。D1D4为寄生二极管，能够起到保护三极管的作用17。以这种方式构成的高频逆变电路中的PWM脉冲是由单片机引脚输出的，故可以通过单片机灵活控制所输出的PWM脉冲的频率与占空比，从而灵活的

24、对输出电压进行调整。设经过输入整流滤波电路后输出电压为Vm，而后续高频变压器的原边、副边的变压比为K= NP /NS，其中，NP为变压器的副边绕组，NS为变压的原边绕组；由单片机输出PWM脉冲的占空比，那么，最终输出电压约为 （2-12）通过程序控制来改变输出PWM脉冲的占空比D就能够实现对输出电压幅值的调节。2. 功率开关管的选择功率开关管是高频逆变电路的核心部件，直接影响电源的整体效率，所以功率开关管的选择至关重要。常用的功率开关管有绝缘栅双极性晶体管（IGBT管）和场效应晶体管（MOSFET）两大类。IGBT管的功率较大，但高频率开关特性并不好，一般应用于开关频率低于20kHz的应用场景

25、；而MOSFET管的高频开关特性教好。本文中要求的脉冲频率最高为10kHz。故选择IGBT管作为功率开关管。根据功率计算公式可以看出，当输出电压降为最低时，电流为最大，在电网电压下降到标准电压的85%时，最大电压值为437V，可以得到此时的输出电流最大为： （2-13）而经过全桥逆变电路后的平均电流为Id（max）的一半，即IIGBT=1.61A。而承受的最大正向电压为 （2-14）综上所述，再为计算的极限参数留有一定的余富量，本设计中选用德国SEMIKRON公司生产的IGBT功率开关管SM75GB124，其内部自联了一个并联二极管，故在实际进行电路搭建过程中无需在并联二极管。主要参数为：集电

26、极发射极击穿电压VCES=200V；脉冲集电极电流IRCM=200A；栅极射极电压VGES=20V。2.3.3 高频变压器高频逆变电路也是整个数字脉冲电镀电源的核心部分电路之一，将高频逆变器输出的脉冲电压信号变压后，施加于负载上。高频变压器起到了能量转换传奇、电压变换和输入输出隔离等至关重要的作用。本论文中采用多组变压器原边串联，副边并联的方式进行高频电压变换，采用这种变压方式的电路图18如图2 .5所示。图2.5 多组原边串联副边并联的高频变压器电路图采用这种连接方式的好处是能够避免由于输出端整流二极管因正的电流温度系数而导致的并联不均流的问题。可以通过调整原边电压来抵消由二极管特性不同所带

27、来的电流不均，保证副边输出电流的均衡。2.4 驱动电路设计由于PWM脉冲使由单片机引脚直接输出的，故不能够直接对IGBT功率该款管进行驱动，需设施驱动电路。目前常用的驱动电路有采用光电耦合方式的驱动电路、采用脉冲变压器的驱动电路和采用专用驱动器件进行驱动三种方式。出于成本、体积、电路复杂度等多方面的综合考虑，本文中采用光电耦合方式进行驱动。具体驱动电路图如图2 .6所示。本设计中采用隔离电压高达2500V高速光耦TLP250来进行驱动电路设计。芯片供电电压为+24V。图2 .6 采用光电隔离方式的驱动电路图2.5 控制电路设计控制电路负责对整个数字脉冲电路电源的控制工作，包括PWM数字脉冲的产

28、生、根据反馈变量对PWM脉冲记性调节、通过键盘与显示的人机交互工作、反馈数据的采集4方面工作。其中，根据反馈信号对PWM波进行调节将由单片机软件来实现，下面对这其它三工作进行具体说明。2.5.1 单片机最小系统本文中将采用STC89C52单片机作为CPU进行数字脉冲电镀电源的控制。STC89C52单片机具有P0、P1、P2、P3四个通用接口，三个定时器、两个外部中断等丰富的片上资源，STC89C52单片机的最小系统如图2 .7所示。图2.7 STC89C52单片机最小系统在这个最小系统中，包括了单片机的复位电路、晶振电路和通讯电路，晶振选用的是的12M晶振，根据51单片机的特点，当晶振为12M

29、时，计数器的计数间隔为1us，能够产生高达1M的数字脉冲，故完全能够满足产生110kHz数字脉冲可调的要求。PR1为上拉电阻，通讯方式采用RS232接口。2.5.2 PWM波的产生采用模拟电路的方式产生PWM脉冲，首先要产生一个频率为50Hz的参考正弦波，和一个与载波频率一致的三角波或是锯齿波；然后通过对正弦波和三角波的比较产生一系列脉冲宽度按照正弦波变化的脉冲，就是我们要得到的PWM脉冲。而本文中PWM波是通过单片机引脚模拟来产生的，我们首先根据预先设定的频率和所要输出的电压，根据式 计算出要输出的PWM脉冲的脉冲宽度和脉冲间隔，然后采用的单片机定时器辅助PWM脉冲的产生，具体流程如图2.8

30、所示。图2.8 PWM脉冲产生流程图当进入PWM脉冲输出程序后，首先对单片机进行初始化，包括开终端，开定时器等工作，然后进行一次报警信息判断，如果有报警信息就退出PWM脉冲输出程序，并进行保护工作，如果没有就读取预先设定的PWM脉冲频率和输出的电压值，根据采集到的当前电压值对脉冲宽度和脉冲间隔继续宁计算，设施定时器初值，开启定时器，进行PWM波输出，完成后返回到异常状态的判断处进行循环输出。2.5.3 反馈数据采集电路控制电路的一项主要功能就是根据从输入端和输出端的电压和电流进行一定的算法控制，最终输出一定占空比的PWM脉冲，从而完成对输出电压的控制，所以对反馈电压、电流的采集电路就有高的地位。对于电压信号可以将输入和输出电压经过电阻分呀后经过低通滤波器得到电压平均值，再经过电压跟随器后送入到光耦中，进入数字电路部分，再经过A/D转换后送入到单片机中进行测量。电压采集电路的电路图19如图2.9所示。图2.9 电压测量电路图本设