（电力电子与电力传动专业论文）高性能电镀电源研制.pdf

匙夏至盈盘堂硒堂僮途塞 旦1 8 ! a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h ep a p e rf t r s t l yi n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c ，h i s t o r i c a la n dp r e s e n t s i t u a t i o no fe l e c t r o p l a t ep o w e rs u p p l y , t h e ni n t r o d u c e st h et o p o l o g yo f p o w e rc i r c u i to f t h eh i g hf r e q u e n c ys w i t c h i n ge l e c t r o p l a t ep o w e rs u p p l yb r i e f l y t l l i s p a p e rm a i n l y i m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo ft h eh i 【g hf r e q u e n c ys w i t c h i n ge l e c t r o p l a t ep o w e rs u p p l y t h r o u g ht h r e ep a r t s ，a n dt l l e ya r ea d d i n gk e y b o a r da n dl c d a sm a n - m a c h i n er e a c t i o n i n t e r f a c e ，r e p l a c i n gp a s s i v ef a c t o rc o r r e c ti na c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c tu s i n gp w m r e c t i f i e r , c u r r a n ts h a r i n gw h e nm a n yp o w e rs u p p l yw o r ki np a r a l l e lc o n n e c t i o n w i t i lm i c r o p r o c e s s o rm s p 4 3 0 f 1 3 5 t h ep a p e rd e s i g n e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r e w h i c hc o n t r o l sak e y b o a r da n dl c d ，f i n i s h e dt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e u s i n gf o rt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm s p 4 3 0 f 1 3 5a n dd s pc o n t r o l l e r t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ep r i n c i p l eo fp w m r e c t i f i e r , d e s i g no fp o w e re i r e n i t , h o w t os e l e c tt h ep a r a m e t e r so fe l e m e n t sa n dh e a ts i n k , d e s i g no fm e a s u r ec i r c u i t ，t h e p r i n c i p l eo f n u m e r i cp i dr e g u l a t o r , t h ep r i n c i p l eo f t h ep r e d i c t e dc u r r e n tc o n t r o lw i t ha f i x e ds w i s h i n gf r e q u e n c yi nd e t a i l s a ne x p e r i m e n t a ld e v i c ew a sc o n s t r u c t e dt h r o u g h w h i c hp c f fw a si m p l e m e n t e d t l l i sp a p e rs t i l li n t r o d u c e st h em a n yc u r r e n ts h a r i n gm e t h o d st h a to f t e na r eu s e d p r e s e n t l y , p r e s e n t e dt h ec u r r e n ts h a r i n gm e t h o db a s e dc a nc o m m u n i c a t i o na n d d i s c u s s e dt h ep r i n c i p l eo f h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h i sm e t h o d t h ep r o p o s e dm e t h o d w a si m p l e m e n t e d 1 1 1 ee x p e r i m e n t a lr e s u l tw a sg i v e nt op r o v et h i sh a sa c c o m p l i s h e di t sw o r k k e y w o r d s ：e l e c t r o p l a t ep o w e rs u p p l y ；p w mr e c t i f i e r ；p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ； m s p 4 3 0 f 1 3 5 ；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ；p c f f ；c a n ；c u r r e n ts h a r i n g c i 。a s sn o ：t m 9 1 韭鏖窑道太堂亟堂僮j 金塞 l 宣 1 引言 1 1电镀电源发展的历史和现状 电化学电源是电化学研究和电化学工程中的重要设备，它通常是一种低电压、 大电流的电源。电镀电源是其中的一种。电镀是一种氧化一还原的电化学过程， 在这一过程中金属离子获得电子被还原成会属原子，金属原子按一定规则排列形 成晶体成为电镀层。电源j 下是提供电子的“源泉”和金属原子结晶的动力，在电 镀工艺中十分重要。电镀时，将金属制件作为阴极、所镀会属作为阳极浸入含有 镀层成分的电镀液中，并通入直流电流。这一过程遵从法拉第第一和第二定律。 电镀电源应满足以下基本要求： ( 1 ) 输出：输出电流应满足工艺要求，输出电压一般在8 3 0 v 之间连续可调。 输出波形可以是直流、脉冲、锯齿波等； ( 2 ) 稳压：能在电化学反应过程中自动稳压，具有较好的硬输出特性。当电 网电压波动l o 或在负载在( 1 0 0 w - 1 0 0 ) 额定负载变化时，输出变化量在 ( 1 2 ) 额定值内； ( 3 ) 安全：应具有完善的保护功能，耐蚀性好： ( 4 ) 应有较高的效率，并且符合电磁兼容要求。 电镀电源的发展大致经历了四代： 第一代电镀电源为直流电机电镀电源。由于其耗能大、效率低、噪音大，运 行很不经济，在电力电子技术诞生后不久即被淘汰。 第二代电镀电源为“自藕+ 硅整流”式直流电镀电源。它使用自耦变压器调节 输入电压，再由大功率硅整流管进行整流。虽然技术简单，但操作不便，更重要 的是其效率仍然较低，精度、纹波等技术指标差。 第三代电镀电源为可控硅电镀电源。这种电源的输出特性大大地优于前两代 产品，在额定负载下，能获得令人满意的精度、纹波系数和效率，特别是在效率 方面，比过去的产品有了显著的提高，而且功率范围宽，是目i j 电镀行业广泛使 用的电源。 第四代电镀电源为晶体管电源，又称开关型直流电镀电源。目前已进入成熟 的应用阶段，这也是高频电力半导体器件工业化水平不断提高，功率变换技术、 p w m 技术日趋成熟的必然结果。 一台与可控硅电源同等功率的开关型电镀电源，其体积、重量通常只有可控 韭童交通太堂亟堂鱼论塞 l 直 硅电源的1 3 ，而精度、纹波系数不仅优于前者，而且可在它的全输出范围内保证 额定指标。由于使用先进的控制技术，使可靠性、自保护功能明显强于前者，并 能和计算机控制系统连接，给生产自动化带来了极大方便。这些优良的特性，使 它很快在中小功率范围内，特别是精饰电镀、电子电镀领域占掘相当大的市场份 额，它将成为未来电镀行业的主体电源川。 脉冲电镀与直流电镀的主要区别在于所使用的电源不同，脉冲电镀使用的是 一种可以提供通断直流或交变电流的脉冲电源。与直流电镀相比，脉冲瞬间阴极 表面上具有很高的电流密度，例如，镀会的瞬问电流密度可比平均电流密度大 1 0 - 2 0 倍。这就使得晶核形成的速度大于晶核成长的速度，因而脉冲电镀得到的晶 粒为o 5 微米，而直流电镀得到的晶粒为2 微米。同时，在脉冲条件下阴极表面上 的电流梯度是动态的，而直流条件下是静态的，因此在脉冲条件下的电位分布要 比直流条件下均匀得多，镀层的均匀性得到改善。 脉冲电镀与传统的直流电镀相比有以下优点： ( 1 ) 大幅度提高镀件的质量。主要表现为：降低镀层孔隙率，可得到光亮均 匀致密的镀层，可大大提高镀层的抗蚀性能：有较好的结合力，较好的分散能力， 能增加镀层的密度，降低表面电阻和体积电阻，增加硬度，提高延展性和耐磨性。 ( 2 ) 在满足相同的镀层性能指标的前提下，它可使镀层厚度减薄1 3 1 2 ，从 而可节约原材料1 0 - 一2 0 。 ( 3 ) 提高生产效率，般可减少受镀时问1 3 1 2 或更多一些，因而节约能 源。 国外脉冲电镀电源的研制始于2 0 世纪6 0 年代，在7 0 年代中期以后得到了较 快发展，最大峰值电流可达4 0 0 0 0 a ，频率范围为2 0 5 0 0 0 h z 。我国的脉冲电镀电 源的研制始于2 0 世纪7 0 年代后期。 脉冲电镀电源中的关键技术是开关控制技术，关键器件是功率开关器件。脉 冲电镀电源容量的大小、性能的优劣都是与电力电子技术的发展同步的。目前， i g b t 已开始用于脉冲电镀电源，它将使脉冲电镀电源技术迈上一个新的台阶。另 外，控制技术对脉冲电镀电源容量和性能的提高也起到了至关重要的作用【l j 。 1 2电镀开关电源的发展趋势嘲 随着应用技术的高频化，硬件结构的模块化，软件控制的数字化，新一代开 关电镀电源的性能不断提高，更加可靠、经济和耐用，高频开关电源研究和应用 也不断深入。目前高频开关电源主要发展方向如下： 一、高频高效化 j s 瘟交煎太堂亟堂焦论塞 l 直 在较大功率领域采用高频开关电镀电源代替传统整流电镀电源，降低损耗， 提高功率密度。且前电镀开关电源主要局限于1 5 0 0 a 以下的中小功率领域，所以 通过运用先进的功率电子器件和高频逆变技术，克服目前功率器件和磁性材料输 出功率的局限性，通过变压器串并联的方式发挥现有开关管的功率输出能力，提 高单机功率输出级别；采用多单元积木式并联技术进一步提高电源的输出能力。 软开关技术具有降低电力电子器件丌关功耗、提高开关频率、降低电磁干扰、 改善器件的工作环境等优点，是近1 0 年来国际电力电子领域研究的热点。这种功 率变换模式仅在短暂的功率器件换流期b j ，应用谐振原理，实现零电压或零电流 自然导通和自然关断，而在其他大部分时日j 采用恒频脉宽调制方式，完成对电源 输出电压或电流的控制。它的本质是将器件换流过程和能量转换、控制过程分时 加以区别处理。采用这种变换模式可以使工作在高频状态下的功率开关管的开关 损耗显著降低，电源整体效率提高，同时使电源工作频率进一步提高成为可能。 二、智能化 电镀工艺如何消除人为因素的影响及减少电镀过程能量损耗的需求对电源的 智能化提出了更高的要求。从节能及提高工艺质量角度出发，电镀过程中除电源 装置的能耗以外，工艺过程的能耗占绝大部分。而影响工艺过程能耗的因素主要 是电流效率和槽压，通过对电解液浓度、温度、电极距离等参数在线检测，实时 对电源的电流、电压输出进行调整和合理配置，进而达到节能增效和提高工艺质 量的目的。 从控制角度看，电镀工艺过程及开关式电镀电源的能量转换过程均为非线性 时变系统，难以建立准确的模型进行传统的控制。智能控制能够不依赖受控对象 的数学模型，利用人的操作经验、知识和推理以及控制系统的某些信息和性能得 到相应的控制规则( 如专家系统、模糊控制和神经网络等) 。这些智能控制的应用 将有效提高电镀电源的性能及工艺质量。因此，随着电镀技术的不断发展，应迅 速开发适应不同工艺过程的智能化电源设备，以满足新世纪的新技术发展需求。 三、数字化 电镀电源的数字化技术意义重大。采用数字化技术，从电源的电气性能来看， 可以应用现有电源的各种研究成果( 功率电路拓扑及控制方式等) ，通过系统软件 实现软丌关技术并降低电磁干扰，提高电源的稳定性和智能化程度；从电源的工 艺效果来看，数字化电源出于控制策略调整灵活、控制精度高以及控制参数稳定 性高，所以具有更好的工艺稳定性和更好的工艺效果及节能特征。同时，数字化 电源方便的通信接口功能为现代化的网络化控制提供了良好的硬件基础。从电镀 工艺研究的角度，数字化电镀电源为实施创新性的工艺控制策略和实现多功能提 供了全新的途径。数字化电源的在线控制程序升级将发挥作用，为新控制策略的 j b 立銮通叁堂亟堂位j 金塞 i 壹 实施提供方便、快捷的途径。 以d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 为平台实现开关电镀电源数字化主要包括三 个层面的内容：第一层面为实现电信号及过程参数的实时检测、显示及动作控制 功能；第二层面为根据检测信号采用合理的智能控制算法确保电源具有较高的动 态性能指标且满足多特性电镀工艺的需求，并达到节能增效的目的；第三层面实 现数字化p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 触发信号的输出及数字p f c ( p o w e rf a c t o r c o r r e c t i o n1 ，进一步提高电源装置的多方面性能指标。 四、绿色化 现在许多电子设备往往不同程度存在对电网的污染，向电网注入的谐波电流 使总功率因数降低，电网容量不能得到充分利用，并且干扰通信及影响电子设备 的正常工作。影响电源可靠性及绿色化的主要因素有电磁干扰、热效应、功率管 工作环境、器件质量及工艺水平等因素。国际电工委员会i e c 就此提出了一系列 标准，如i e c 5 5 5 、i e c l 0 0 0 等用来限制电力电子设备对电网的污染。在设计和研 制过程采取适当的措施使电源“绿色化”必将是电镀电源长期的追求目标。 1 3全数字化高频开关电镀电源2 】 高频开关功率变换技术是现代电力电子的一项核心技术，其系统控制的数字 化程度已经成为电力电子装置技术进步的重要标志之一。 电力电子装置的数字化控制可以分为两类：装置系统的数字化控制和开关功 率变换器的数字化控制。 装置系统的数字化主要包括： ( 1 ) 系统的人机界面； ( 2 ) 系统的程序控制； ( 3 ) 自动监控与保护； ( 4 ) 系统的遥控与计算机的通讯等。 开关功率变换器的数字化是指对功率开关状态实时控制，采用数字控制的方 法对变换器中的功率丌关器件的状态进行直接的干预，它主要包括： ( 1 ) 对开关的频率、相位和占空比的直接控制： ( 2 ) 对软开关、有源箝位等辅助功率丌关的直接控制： ( 3 ) 对电压、电流等参数实时检测和对装置的保护； ( 4 ) 实现各种算法，如p i d ( p r o p o r t i o ni n t e g r a ld i f f e r e n t i a l ) 控制、模糊控制和 预测电流控制等。 由于开关功率变换器在开关功率变换系统中处于核心地位，系统的许多重要 4 e 塞銮堑厶堂亟坐位论塞 i 言 特性都由它体现。丌关功率变换器的数字化，是全面提升丌关变换器性能的基础， 是电力电子装置整体实现数字化的重大进步。 丌关功率变换器数字控制相对于模拟控制体具有以下优点： ( 1 ) 数字化处理和控制，可避免模拟信号传递的畸变、失真 干扰： ( 2 ) 模拟硬件电路的功能山软件形式的大量数值计算所取代 硬件结构可简化，外围器件数目可减少； 减少杂散信号的 因此控制电路的 ( 3 ) 数字电源基本不受元件性能变化的影响，电源一致性好，可靠性高； ( 4 ) 可实现丌关电源微处理器监控、电源系统内部通信、电源系统智能化；可 通过网络控制，实现遥控、遥测、遥显； ( 5 ) 便于系统调试，可以在同样的硬件环境下尝试不同的控制策略，采_ j 最 优方案或满足不同情况下的不同需要，极大地方便了丌发人员的工作。 丌关功率变换器数值化控制并不等于将现有的模拟控制技术加以简单的离散 化。i 面是需要从理论上加以研究，突破模拟控制技术传统概念的束缚，如p w m 拧 制、调频控制等。 数字信号处理是针对传统的模拟信号处理而吉，它是利川i 卜算 ：l 或驴用处删 设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处 理，以得到符合需要的信号形式。d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种特别 适合予进行数字信号处理运算的微处理器，多用于需要实时地处理各种数字信号 的场合。 数字信号处理器具有以下特点： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和加法： ( 2 ) 程序存储空间和数掘存储空问分丌，可以同时访问指令和数掘； ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数掘总线在两块r a m 中同h t 访问； ( 4 ) 具有低丌销或无丌销循环及跳转的硬件支持； ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持； ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器： ( 7 ) 可以并行执行多个操作； ( 8 ) 支持流水线操作，使取指令、指令译码、取操作数和执行等操作可以重叠 执行。 1 4 本文的主要内容 本课题是北京交通大学电气工程学院与北京京仪椿树整流器有限贵仟公州合 韭塞变通塞堂亟堂位淦塞i 壹 展的科研项目，旨在研制出高性能的全数字化控制高频开关电镀电源。论文所作 的主要工作包括以下几个方面。 ( 1 ) 概括介绍了电镀电源的历史、现状和发展趋势；对全数字化高频开关电镀 电源的特征进行了系统总结； ( 2 ) 对系统总体方案进行了介绍，重点分析了高频逆变电路； ( 3 ) 以m s p 4 3 0 f 1 3 5 单片机为核心，完成输入键盘的软、硬件设计，实现指令 的输入功能；完成对液晶显示器控制的软、硬件设计，实现所需要的显示功能； 完成m s p 4 3 0 f 1 3 5 与1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 之间通信的软、硬件设计： ( 4 ) 以t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字信号处理控制器为核心，采用p w m 整流技术作 为有源功率校f 技术，设计软、硬件，提高输入功率因数，得到所需的直流电压。 这一部分内容作为高性能电镀电源的后续研究内容而提出； ( 5 ) 以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字信号处理控制器为核心，在c a n 通信技术的基 础上，提出算法、编写软件，实现电镀电源的并联均流运行； 6 b 峦窒塑厶堂亟堂位迨塞丕丝望韭直苤缝妇： 2 系统总体方案设计 2 1技术指标 电镀电源普遍采用可控硅整流器，其存在许多缺点：设备过于笨重复杂、效 率低、提供的直流电源品质不高、纹波大等。这些固有的缺陷影响了电镀表面质 量的提高。本项目研制全数字化1 0 0 0 1 2 v 高频丌关电镀电源，同时具备d s p 的 数字控制技术和高频丌关电源的优点，是现有可控硅电镀电源的更新换代产品， 应用在需要高品质电镀的场合，具有十分广阔的应用自h 景和市场自口景。 根据电镀设备对电源系统的实际要求，提出的系统预期实现的性能指标如下 表2 - 1 所示。 表2 - i 系统性能指标 性能指标名称性能指标详述 参数名称技术要求备注 稳流精度 1 0 稳压精度 o ，5 纹波系数 o 5 工作噪声 5 0 d b 均流不平衡度3 o 效率 8 6 额定输出电流下 功率因数0 9 l 直流额定电压 1 2 v 直流额定电流 1 0 0 0 a 额定交流输入电压 3 8 0 v 软启动时洲( 3 8 ) s 2 2总体结构 系统总体结构如图2 - 1 所示。硬件结构由两部分组成：主电路和控制电路。主 丝塞銮垣左坐亟堂焦监童 丕缝盟佳左塞遮盐 电路包括：p w m 整流电路、高频逆变电路、高频变压器、整流电路和输出滤波电 路。控制电路包括t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 控制器、采样电路、热保护电路、隔离驱动、 m s p 4 3 0 f 1 3 5 单片机、输入键盘、液晶显示器、上位机通汛和c a n 通讯电路等。 图中的虚线框内的部分是本文所要完成的内容。 二相交漉 输入 图2 - 1系统结构示意图 f i g u r e2 1b l o c kd i a g r a mo f e l e c t r o p l a t ep o w e rs u p p l y 2 3 主电路结构 直流 输出 主电路主要包括五部分：p w m 整流电路、高频逆变电路、高频变压器、整流 电路和输出滤波电路。为了对电源的整体结构有清楚的了解，下面对这几部分电 路的拓扑结构进行说明。 2 3 1p w m 整流电路 如果电镀电源前级采用三相不控整流电路获得中耳j 直流电压，那么交流输入 电流中的谐波含量大，并且输入端功率因数下降，电能利用率降低，污染了电网 环境。为了减小开关电源对电网产生的谐波“污染”，以保证电网供电质量，提高电 网的可靠性，降低损耗，提倡电源的绿色化。 电镀电源采用无源功率因数校技术，在输入整流器和电容之问串联一个滤波 电感，所接入的电感的为6 4 m h ，使功率因数达到了o 9 3 。其主要优点是：简单、 成本低、可靠性高、e m i ( e l e e 仃o m a g n e f i ei n t e r f e r e n c e ) 小。主要缺点是：尺寸、 s b 巫交丝厶! i 三亟土堂位途塞 丕红簋签左塞缝让 重量大，难以得到高功率因数，工作性能与频率、负载变化及输入电压有关，电 感和电容b j 有大的充放电电流等。 为了获得更高的输入功率因数，必须采用有源功率校正技术。本系统中采用 的p w m 整流电路有两个功能：第一，使交流输入电流证弦化，得到接近于1 的j 力 率因数：第二，提供稳定的中问直流电压给后面的高频逆变电路。p w m 整流| 乜路 的结构如图2 2 所示。 0 幽2 - 2 二相p w m 罄流器的原理i 刳 f i g u r e2 2s c h e m a t i cd i g r a mo f t h r e ep h a s ep w m r e c t i f i e r 2 3 2 高频逆变电路2 】 j t o h r o 移相全桥软开关电路由于把p w m 控制技术与软丌关技术结合在一起，在中大 功率变换器方面成为了最有吸引力的电路形式之一。移相全桥软丌关电路的软丌 关方式有两大类：零电压丌关z v s ( z e r ov o l t a g es w i t c h i n g ) 和零电压零电流丌关 z v z c s ( z e r o v o l t a g ez e r oc u r r e n ts w i t c h i n g ) 。前者逆变桥的超前臂、滞后臂均实现 z v s 。后者逆变桥的超i j 臂实现z v s ，滞后臂实现z c s 。本系统选用图2 2 所示 的移相控制全桥( p h a s es h i f t i n gc o n t r o lf u l lb r i d g e 一一p s c f b ) 零l 乜压转换 z v t - p w m ( z e r ov o l t a g et r a n s i t i o n p w m ) 变换器方案。 2 3 2 1 移相全桥z v 一p w m 变换电路幽1 p s c f b z v t - p w m 变换器的主电路如图2 - 3 所示。 9 c d 一刖瞪哔鳖b 一刖压皂 碍哥bil n点 k b l 器 t c o 一 l蹲 图2 - 3 移相控制全桥z v t - p w m 变换电路 f i g u r e2 3p s c f bz v t p w mc o n v e r t e r 图中，t l 1 r 4 为主开关管，d i - i m 为其反并联二极管，电容c 1 - - c 4 包括开关 管的输出等效电容。l r 为谐振电感，它包括高频变压器原边的漏感。t 为高频变 压器。 与硬开关p w m 不同，移相控制全桥z v t - p w m 变换电路中，桥臂开关管对 t 1 和t 4 、t 2 和t 3 不是完全同时开通与关断的，而是采用移相控制技术，它们的 开关顺序如下： t 1 ，t 4 叮1 叮1 ，d 3 _ + t 1 ，t 3 d 3 叮3 ，d 3 叮3 ，d 3 ，d 2 fl t 4 d 1 ，d 4 - t 4 。d 4 _ t 2 。t 4 d 4 - t 2 d 4 _ t 2 _ 丁3 t 2 可以看出，在任何时刻，t 1 t 4 四只开关管都不会全部截止，而是一只一只 地按顺序开通和关断，从而使它们互为辅助开关管，实现零电压转换。按照上述 的开关顺序，有关电压、电流波形如图2 - 4 所示。假设直流输出电流i o 比较大，则 电路的具体工作过程如下( 参见图2 - 4 ) ： 1 ) 正向能量输出阶段l ：t 1 ，t 4 同时导通，v p 为正，i p 正向上升，变压器向 副边输出能量。 2 ) 电压变换阶段2 ：t 4 关断后，i p 为c 4 正向充电，为c 3 反向充电( 放电) ， 开关管t 3 两端的电压v d s 3 下降到零，变压器原边电流i p 下降，但变压器 仍然输出能量。 3 ) 续流阶段3 ：也叫零电流保持阶段。i p 经过t 1 、d 3 续流，i p 继续下降，变 压器仍然输出能量，v o s 3 保持为零。 4 ) 上臂环流阶段4 ：t 3 的门极信号虽然在t 3 时刻变为高，但t 3 并没有真正 1 0 韭塞銮逼盍堂亟堂僮途塞丞绮簋往左塞遮盐 仍然输出能量。需要注意的是，如果l r 太小或i p 太小，l r 在阶段l 储存 的能量会过早释放完，就不能使下一阶段正常转化电压。 5 ) 电压转化阶段5 ：t l 关断，i p 给c 1 充电，给c 2 放电，开关管1 r 2 两端的 电压v d s 2 下降到零，故v a b 反向，i p 快速下降。 6 ) 续流阶段6 ：i p 经过d 2 、d 3 续流，保持v d s 2 为零，但这时由于v a b ：j v d ， 电流i 一会快速下降，但不能到零，否则v d s 2 会上升，t 2 将不能实现零电 压开通。 7 ) 反向能量输出阶段7 ：当i p 下降到零之后，髓零电压开通，t 3 在此时才真 正开通，而且也是零电压开通。v a b = v d ，电流i p 反向增加，等到变压器 副边电压高于v o 之后，开始输出能量。 8 ) 电压转化阶段5 ：t 3 关断后，i p 给c 3 充电，给c 4 放电，开关管t 4 两端 的电压v d s 4 下降到零。 9 ) 续流阶段9 ：i p 经过t 2 、d 4 续流，v d s 4 保持为零。 1 0 )下臂环流阶段l o ：t 4 的门极信号虽然在t 9 时刻变为高，但t 4 并没有 真正开通( 造成占空比的丢失) 。i p 继续经过t 2 、d 4 续流而继续下降，变 压器仍然输出能量。需要注意的是，如果l r 太小或i p 太小，l r 在阶段7 储存的能量会过早释放完，就不能使下面两个阶段正常转化开关管t 1 和 t 2 两端的电压。 1 1 )电压转化阶段l l ：1 r 2 关断后，i p 给c 2 充电，给c 1 放电，直到开关 管t 1 两端的电压v d s l 下降到零，故v a 8 反向，i p 快速下降。 1 2 )续流阶段6 ：i p 经过d 1 、d 4 续流，这时由于v b = v d ，电流i p 会快速 下降，但不能到零，否则v d s l 会上升，t 1 将不能实现零电压开通。 i 茸挈掣冀。 l 0n |? n曩 n ： z 一 r n | 一 一 l | 爿1 bt l t 2 t 3t 4 t 6 kt 7 t a bt ；o h t t l 2 图2 4p s c f bz v t - p w m 变换器工作波形 f i g u r e2 4w a v e f o r m so f p s c f bz v l - _ p w mc o n v e r t e r 2 3 2 2 移相全桥z v t - p w m 变换电路的特点 由以上的分析可以看出p s c f bz v t - p w m 变换电路有以下特点1 2 4 1 ： 1 ) 如果电感l r 足够大、直流输出电流i o 不太小，逆变桥中的4 只开关管都能 实现零电压开关，开关损耗小，可实现高频化。 2 ) 在每次能量传输过程中，都是右桥臂的开关管( t 3 、t 4 ) 首先关断，进行 端电压转换。因此，右桥臂被称为领先桥臂或超前桥臂，左桥臂则被称为 滞后桥臂。是驱动信号的时序，而不是桥臂的位置决定了超前、滞后的关 系。由于领先桥臂电压转换时电流i p 大，且励磁能量参与，所以很容易实 现零电压开关，条件如下式： ( 工，+ k ) ( ，o 拧) 2 2 ( 4 c 3 + c 2 ) 巧 ( 2 1 ) 式中 三。变压器原边励磁电感； j b 鏖窑通左堂亟堂位鲶毫丕红盟佳左塞途让 c 开关管并联输出电容量； c 变压器绕组分却电容量。 3 ) 滞后桥臂开关管电压转换时，己没有励磁能量，只有l r 上储存的能量。 要使t l 或t 2 实现零电压开关，需要满足以下条件： 三，? 2 ( 4 c 3 + c ，2 ) 嘭( 2 2 ) 式中 为变压器原边电流在滞后桥臂电压转换时的值。 由上式可见，要使滞后桥臂在轻载时( i 。很小) 实现零电压开关，需要 l r 很大，这不仅给设计带来困难，而且会严重地限制输出占空比。实际上， 在工程设计中，这是没有必要的，因为轻载时电流i 很小，硬开关的损耗也不 大。 4 ) 因为有环流过程，开关管的导通损耗比硬开关管要大，所以要尽量选择导 通电阻小的、导通压降低的开关管，以减小通态损耗，提高效率。 2 3 2 3 移相全桥z v t - p w m 变换电路的设计方法 移相全桥z v t - p w v l 变换电路的设计包括开关器件的选择、逆变变压器的设 计、输出滤波电路的设计、z v t 辅助谐振电路设计和控制电路设计。设计的方法 和步骤如下： 1 ) 根据输入、输出电压等级和输出电流，选定刀：关器件类型和开关频率。 2 ) 确定开关管的电压、电流定额，查出其等效输出电容e 。 3 ) 设计逆变变压器，并估算其绕组分白电容和漏感。 4 ) 根据散热条件，确定使滞后桥臂实现零电压开关的最小输出电流l 。和。 5 ) 由式( 2 1 ) 求出电感l r 。 实际设计时，利用高频变压器原边的漏感作为l r ( 约为1 6 u j - ) ，根据计算确 定l o r e = 4 4 3 a ，然后根据式( 2 2 ) 和求出电容c 为3 3 n f 。为了防止高频变 压器出现偏磁的情况，在高频变压器的输入端还串入了容量为8 , u f 的c b b 电容作 为隔直电容。 图2 5 是移相全桥z v t - p w i v l 变换电路主要电量的波形。 e 基窑丝厶：羔亟：羔位监塞 丞绽簋佳直塞毽盐 a ) 高频变压器原边l 乜流波形i ：2 0 a d i v ，t ：1 0 u s d i v a ) w a v e f o r mo f p r i m a r yc u r r e n to f h i g hf r e q u e n c yt r a n s f o r m e r ”滞后臂电乐和高频变压器原边电流的波形 i ：2 0 a d i v ，v ：1 0 0 v d i v ，t ：1 0 u s d i v b ) w a v e f o r mo f v o l t a g eo f l a gb r i d g ea n dw a v e f o r m o f c ) 隔直电容两端l 乜乐波形v ：1 0 v d i v ，t ：1 0 u s d i v c 、w a v e f o r mo fv c d 图2 - 5p s c f bz v t - p w m 变换器土要电肇的波形 f i g u r e2 5m a i n l yw a v e f o r m so f p s c f bz v t - p w mc o n v e r t e r 2 3 3 高频变压器2 】 多组变压器原边串联副边并联的结构如图2 - 6 所示，这种结构可以避免组变 压器一组原边、多组副边并联而产生输出整流二极管因正的电流温度系数并联不 1 4 e j ! 銮迪厶堂亟：! j 三位途塞 丞丝簋佳直塞邀u 均流的问题。即使整流二极管的特性不同，但由于原边绕组串联相接，流经各个 变压器的原边电流相等，迫使各个变压器的副边电流也相等。多个变压器的这种 连接方式可以使变压器设计模块化，简化变压器制作工艺。 幽2 - 6 多组变席器原边串联副边，1 联 f i g u r e2 6 s t r u c t u r eo f h i g hf r e q u e n c yt r a n s f o r m e r 通过以上的分析可以知道，多组变压器原边串联副边并联的结构可以实现副 边均流。但考虑到性价比，实际中只使用了一只变压器，磁芯为超微晶合会磁性 材料，形状为环形。原、副边绕组均匀分御在环形磁芯上，且副边的输出铜板也 为环形结构，从结构的设计上保证副边的均流。 2 3 4 输出整流电路2 j 主电路采用移相全桥z v s 软丌关的形式，丌关频率2 0 k h z ，副边为全波整流， 使用了四组变压器，每组匝比9 ：l ，变压器原边串联副边并联，输出整流二极管 使用尉压为8 0 v ，电流为4 0 0 a 的肖特基二极管，总共使用了1 6 只m b r 4 0 0 8 0 c t 肖特基二极管。 2 3 5 输出滤波电路 输出滤波电路采用两级l c 滤波器，如图2 7 所示。 圈2 7 输山滤波电路 f i g u r e2 7 o u t p u tf i l t e r 蛩： 一 用等效串联阻抗e s r ( e q u i v a l e n ts e r i a lr e s i s t a n c e ) 很低的铝电解电容，容量均为 3 3 0 0 0 z f ，各使用1 0 个并联组成。 2 4电镀电源的照片 图2 8 是电镀电源的实物照片。 a ) 电源的正面 a 、f r o n t v i e w b ) 电源的背面 b a c k v i e w 幽2 - 8 电镀也源的照片 f i g u r e2 8e l e c t r o p l a t ep o w e rs u p p l y sp i c t u r e s 1 6 韭塞銮烫塞堂亟堂焦途塞 捡毽盔厘渡函显丞墨鳇退盐 3 输入键盘及液晶显示器的设计 3 1m s p 4 3 0 系列单片机简介3 】 1 1 公司的m s p 4 3 0 系列单片机是一种具有超低功耗特性的功能强大的单片机。 它有几个子系列，m s p 4 3 0 f 1 3 x 是其中之一，该系列产品具有以下的共同特点： 超低功耗，m s p 4 3 0 f 1 3 x 运行在i m h z 时钟条件下时，工作电流视工作模式 不同为o 1 - - - 4 0 0 a a ，工作电压为1 8 3 6 v 。 强大的处理能力，m s p 4 3 0 f 1 3 x 具有丰富的寻址方式，但只需简洁的2 7 条 指令；片内寄存器数量多，存储器可实现多种运算：有高效的查表处理办法；中 断源较多，并且可任意嵌套，使用灵活方便。这些特点保证了可以编制出高效的 程序。 丰富的片上外围模块，m s p 4 3 0 f 1 3 x 的各个成员集成了较多的片上外围资源， 比如1 2 位的a d 、时钟模块、带有大量捕获比较寄存器的1 6 位定时器、看门狗、 u s a r t 、数十个可实现方向设置及中断功能的并行输入输出端口等。 方便商效的开发方式，m s p 4 3 0 f 1 3 x 具有f l a s h 存储器，这一特点使得它 的开发工具相当简便。利用单片机本身具有的j t a g 接口或片内b o o tr o m ，可 以在一台p c 机及一个小巧的j t a g 控制器的帮助下实现程序的下载，完成程序的 调试。 多种存储器形式，m s p 4 3 0 f 1 3 x 的各个型号大多有性能相同而存储器不同的 r o m 型、o t p 型，以适应产品在设计、开发、生产的各个不同阶段的需要。 适应工业级运行环境，m s p 4 3 0 f 1 3 x 的运行环境温度为- 4 0 - 一- 9 5 。c ，所设计 的产品适合运行于工业环境下。 本系统中选用m s p 4 3 0 f 1 3 5 单片机来实现对键盘和液晶显示器的控制，并通 过与主控制器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 之间的通信交换数据，完成指令的发送和数据的 接收。m s p 4 3 0 f 1 3 5 的组成部分如下： 基础时钟模块，包括1 个数控振荡器( d c o ) 和2 个晶体振荡器； 看门狗定时器w a t c h d o gt i m e r ，可用做通用定时器； 带有3 个捕获比较寄存器的1 6 位定时器t i m e r _ a ) 带有3 个捕获比较寄存器的1 6 位定时器t i m e rb ； 2 个具有中断功能的8 位并行端口：p 1 、p 2 ； 4 个8 位并行端口：p 3 、p 4 、p 5 、p 6 ； 模拟比较器c o m p a r a t o r a ； 1 2 位a d 转换器a d c l 2 ； 1 个串行通信接口u s a r t o ： 1 6 k b + 2 5 6 字节f l a s h ，5 1 2 字节r a m 。 3 2m s p 4 3 0 f 1 3 5 与键盘的接口设计 在单片机应用中，键盘是人机对话的输入设备，借助键盘可以向系统设置参 数，发出控制指令。键盘的基本元素是按键，通常情况下，一个键盘由几个或十 几个按键组成。 在单片机应用设计中常用轻触按键作为输入设备。它的一般结构是由两个电 极和一个弹簧金属片构成，如图3 - 1 所示。当金属弹簧片上的按键k 被按下时， 两个电极a 和b 被连通，此时a 、b 之间的电阻约为几十欧至两百欧。但实际应 用中，因为单片机的运行速度要比操作者按下按键的速度快得多，所以还要考虑 抖动的消除问题d 1 。 上 _ 。口旦 图3 - 1 按键单元电路结构图 f i g u r e3 1s t r u c t u r eo f k e y 抖动问题的产生是因为按下按键的前后都有抖动。如果按键的a 端接地，b 端通过上拉电阻接电源，则平时按键的b 端为高电平，当按键被按下时为低电平， 按键被松开后，b 端又为高电平。但这只是理论上的情况，实际上，在这一过程中 b 端的电平如图3 - 2 所示。 图3 - 2 按键的抖动 f i g u r e3 2w a v eo f ak e y 如果将按键的b 端信号送到单片机，单片机就会认为输入了几个低电平，也 即该按键被按了好几次。这是因为单片机认为低电平是键被按下的结果，而抖动 过程中有很多低电平，同时这些低电平又有足够的维持时间，足以被单片机识别。 抖动的时间一般在1 0 m s 左右。常用的清除抖动的方法有以下三种1 4 j ： 使用i 卜- s 触发器构成消抖动开关； 1 8 韭豆銮煎叁堂亟主堂位边塞箍毽盘厘速昌显丞墨盟超让 使用电阻和电容构成积分器消除抖动； 使用软件延时消除抖动 前两种方法是使用硬件，将会增加电路的复杂性。第三种方法是使用软件， 即当单片机得知按键的b 端出现低电平时，就知道可能有键被按下，于是等待 1 0 r e s ，l o m s 之后再检测按键的b 端，如果还是低电平，则就一般的机械按键而占， 已经处于稳定期了，就认为该键确实是被按下了；如果1 0 m s 之后检测到按键的b 端不是低屯平，则说明是干扰信号，而非有键按下。本系统中m s p 4 3 0 f 1 3 5 单片 机的任务并不繁重，因此使用软件来解决抖动问题是最好的选择。 键盘由0 - - 9 十个数字键、小数点键、选择键、删除键、确认键、上翻键、下 翻键共1 6 个键组成。图3 3 是其示意图。0 - - 9 十个数字键、小数点键用于输入电 压指令和电流指令数据；选择键用于选择电压指令或电流指令；删除键用于对输 入的数据进行修改；确认键用于使输入的指令生效；上翻键和下翻键用于显示页 面的翻页，因为液晶显示器最多可以显示6 页的页面。 圈3 - 3 键盘示意图 f i g u r e3 3p i c t u r eo f k e y b o a r d 图3 4 是键盘与单片机m s p 4 3 0 f 1