（电力系统及其自动化专业论文）小型逆变电镀电源系统的建模和控制技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h em a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i to fas m a l le l e c t r o p l a t i n gp o w e rs u p p l ya r e d e s i g n e d s e tam o d e lo ft h ee l e c t r o p l a t i n gp o w e rs y s t e m ，a n do nt h eb a s i s ，t h ec u r r e n t c o n t r o l l e ra n dv o l t a g ec o n t r o l l e ra r ed e s i g n e da n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n f i n a l l y d i s c r e t et h ea n a l o gc o n t r o l l e r , a n dt h ee l e c t r o p l a t i n gd i g i t a lc o n t r o la l g o r i t h mi sd e r i v e d ， w h i c hi su s e di nt h es m a l le l e c t r o p l a t i n gd i g i t a lp o w e rc o n t r o ls y s t e m ，c o n t r o l l e db yd s r t h em a i nc i r c u i ti n c l u d e st h eh i g h f i e q u e n c yt r a n s f o r m e r , r e c t i f i e ri n p u tf i l t e rc i r c u i t a n do u t p u tr e c t i f i e rf i l t e rc i r c u i t a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，t h ep a r a m e t e r so f t h em a i nc o m p o n e n t so ft h ec i r c u i t sa r ec a l c u l a t e d ，a n ds o m es u i t a b l ec o m p o n e n t sa r e s e l e c t e d t h ed e s i g ns t e p so ft r a n s f o r m e ra r eg i v e n t h r o u g ht h es a t es p a c ea v e r a g i n g m e t h o d ，t h eh a l f - b r i d g ee l e c t r o p l a t i n gp o w e rc k c u km o d e li ss e t t h es t e a d ys t a t ea n d l o w 仔e q u e n c ys m a l l - s i g n a le q u i v a l e n tm o d e la r ec o n c l u d e d a c c o r d i n gt ot h em o d e l ，a s i n g l ez e r o s i n g l ep o l ev o l t a g ec o n t r o l l e ra n dad o u b l e - z e r o sd o u b l ep o l e sc u r r e n t c o n t r o l l e ro ft h eh a l f - b r i d g ee l e c t r o p l a t i n gp o w e rs u p p l yi s d e s i g n e d t h r o u g ht h e m a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o ns o r w a r e ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo f t h es y s t e mi ss e t ，a n d t h es y s t e mi sa n a l y z e d b yt h ew a yo f d o u b l el i n e a rt r a n s f o r m i n g ，t h ev o l t a g ea n dc u r r e n t c o n t r o l l e r sa r ed i s p e r s e d ，a n dt h e nt h ec o r r e s p o n d i n gd i g i t a lc o n t r o la l g o r i t h mi sg o r e n c o n t r o lc i r c u i t si n c l u d eh a r d w a r ec i r c u i t sa n ds o l t w a r e i nt h eh a r d w a r ec i r c u i t ，t h e v o k a g e a n dc u r r e n t s a m p l i n g c k c u i t sa n di g b td r i v e rc i r c u i ta r e d e s i g n e d t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，w h i c hi sp r o d u c e db yt i ，i ss e l e c t e da st h ec o r ec o n t r o lc h i p ，a n dt h e d i g i t a lc o n t r o lo fas m a l le l e c t r o p l a t i n gp o w e rs u p p l yi sa c h i e v e d t h em a i np r o g r a m f l o wc h a r ta n dt h ec o n t r o l a l g o r i t h mf l o wc h a r to ft h ee l e c t r o p l a t i n gp o w e rs u p p l y , c o n t r o l l e db yd s pa r eg i v e n k e y w o r d ：e l e c t r o p l a t i n gp o w e rs u p p l y ；m o l d i n g ；d s p 学位论文独创t l ：声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中依法引用他人 的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究 成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：罗乎复 日期：年月日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任 何方式发表，复制、公开阈览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该 论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密乞一 ( 本声明的版权归青岛大学所有 年月 日 年月 日 未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 6 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的目的和意义 电镀是金属表面处理的重要方法，也是电能转化为化学能的过程。在这一过程 中金属离子获得电子被还原成金属原子，金属原子按一定规则排列形成晶体成为 镀层。电镀电源正是提供电子的“源泉”和使金属原子结晶的动力，是电镀工业的 主要设备l l 】。通过电镀可以改变固体材料的表面特性。例如，可以改善外观，提高 耐腐蚀性能、抗磨损以及其它功能特性，因此电镀在工业上得到了广泛的应用。 2 0 世纪后期，随着现代科技的迅速发展，电镀技术有了很大的进步，特别是在 电镀过程中引进诸多物理因素如：磁场、声场、温度、电流波形及频率，溶液流速 和震动等，使镀层质量和电镀效率有了明显提高。所有这些变化，对电镀设备及相 关的配套装置和元器件的性能、质量和品种提出了新的更加严格的要求。 电镀电源属于底电压大电流设备，要求操作简便，能承受输入端的突变和输出 端短路及过载的冲击。同时电源是电镀行业最主要的能量消耗者，因此，高品质的 电源是电镀行业节能增效的决定性因素，同时对电网的绿色化有重要影响，电镀电 源性能的优劣直接影响到电镀产品工艺质量的好坏。 要设计一个性能比较好的电镀电源，其控制电路的设计和控制方法选择非常重 要。近几年来，电镀电源得到了很大的发展，中小功率的高频开关电镀电源在精饰 电镀、电子电镀领域已经占据了绝对统治地位。但是其控制部分多采用的是模拟控 制，电源的智能化程度不高。而且，近年来迅速发展的铝型材表面处理技术，对质 量的稳定性要求促进了电镀电源的自动化。通过不同程序改变电源调节曲线，可调 整不同的阳极氧化层色调，使得氧化产品多姿多彩。一些在生产过程中频繁调节电 源参数的电镀工艺，也要求专用智能化电源。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，以满足新技术发展要求。通过建立小型电 镀电源系统的模型，能够设计出控制性能更好的控制器。数字化控制技术可以完成 复杂的控制算法，使电镀电源的控制策略调整更加灵活，控制精度以及控制参数稳 定性增加，使其具有更好的工艺稳定性和更好的工艺效果及节能效果。因此所研究 的小型逆变电镀电源系统的建模和控制技术具有现实意义。 1 2 国内外研究动态 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，高频开关电 镀电源的性能不断提高，更加可靠、经济和耐用，使得高频开关电镀电源研究和应 用不断深入。 我国在这方面的研究大约始9 0 年代中期，那时候有能力进行研究的单位不多， 青岛大学硕士学位论文 大都集中在国家大型企业或研究所，较早投放市场的高频开关逆变电镀电源是航天 工业总公司十四所于1 9 9 4 年研制的s p s 系列6 v 1 0 0 5 0 0 a 的小容量电镀电源，该 产品的开关器件采用的是m o s f e t 。经过十几年的积累，现在国内有能力研制开关 型电镀电源的企业、研究机构已经很多了。比较有代表性的有：中山火炬集团、成 都星同力电源设备有限公司、西交通大学工业自动化教研室、浙江大学电机工程学 系、南京航空航天大学电气工程研究所等1 3 1 。 目前，成都星同力电源设备有限公司生产的g k d p 型高频开关电镀电源，具有 全程恒压或恒流功能。输出电压0 1 2 v ，电流最大可达5 0 0 0 a 。其控制电路为专用 的脉宽调制器。工作频率可达2 0 k - 1 0 0 k h z ，直流输出效率8 0 以上，节能显著。 耗电仅为传统硅整流的1 1 3 ，体积仅为1 6 。该公司目前还没有推出数字式高频开关 电镀电源州。 2 0 0 5 年1 1 月，广州电器科学研究院申请了数字化高频软开关电镀电源的专利， 专利号为2 0 0 5 1 0 1 0 1 5 5 5 。公开了一种数字化高频软开关电镀电源，包括电磁兼容电 路、整流滤波电路、移相式全桥软开关逆变电路、高频功率变压器、磁开关、次级 高频整流滤波电路和基于d s p 的全数字化控制屯路，d s p 数字化控制电路的脉宽 调制控制信号输出连接全桥软开关逆变电路的控制端，其他各电路的输出输入端依 次串接；三相工频交流电经过电磁兼容电路处理、整流滤波后变成平滑直流电，作 为逆变电路的母线电压；由d s p 数字化控制电路使逆变电路在零电压下开通和关 断，从而得到2 5 k h z 的高频高压电，再经高频功率变压器变压、磁开关和次级高频 整流滤波环节滤波后，获得适合电镀工艺需要的0 - 1 2 v 的直流电压输出。 国外在这方面的研究比我们起步早，而且很早以前就有开关型电镀电源的产品 面世。像世界上著名的电镀电源制造商瑞典的加利富电子有限公司( k r a f l e l e k t r o n i k a b ) 早在9 3 年左右就已经推出了l o k w 以下的开关型电镀电源。由于同晶闸管相 控电源相比，同等功率的开关电源，其体积重量往往只有前者的三分之一，而且精 度、纹波系数大大高于前者。不仅如此，它在全部输出范围内都能保证标定指标。 在国外，开关电源在中小功率范围内，特别是精饰电镀、电子电镀领域已经占据了 绝对统治地位。如美国最大的电子接插件制造商a m p 公司以及h p 、i b m 等都使用 这种电源 3 1 。 d c d c 开关变换器的建模和分析是研究d c d c 开关变换器的拓扑结构和控制 方法的基础。随着d c d c 开关变换器技术的发展，其建模方法也经历了不断发展 的过程。 近年来，对d c d c 变换器进行建模分析的主要方法是连续解析法。连续解析 法的本质是平均，所以连续解析法又称平均法，平均的目的是把一个周期内有两个 或几个不同拓扑的电路，在某种意义下进行平均，将时变电路变为非时变线性电路， 2 第一章绪论 在小信号的情况下线性化，从而能利用人们熟知的经典的线性电路理论和控制理论 来解决非线性电路的工作，对开关变换器进行稳态和小信号分析，平均法一直是 d c d c 开关变换器建模理论中最为重要的建模方法，对设计有一定的指导意义。 其中最具代表性的是状态空间平均法和电路平均法，前者指对p w mi x ；d c 开关变 换器的状态变量进行平均和线性化处理，得到解析结果的通用分析方法；后者指与 电路拓扑及器件模型联系较紧密的等效电路分析法，便于使用通用电路分析程序仿 真和进一步分析研究 6 1 。 目前，高频开关电镀电源的控制技术大多采用的模拟控制，电源的智能化程度 不高。d s p 控制的数字式电镀电源尚处于研究阶段，一些高校和科研机构已在这方 面开展了工作。但目前国内d s p 电镀电源设备的研究基本处于调试阶段，成功应用 于电镀的示例较少。对数字式电镀电源系统做建模分析理论研究工作的。目前来说 更加少”。 1 3 本课题的实现方案 本课题通过对小型电镀电源系统的建模，设计出模拟电流控制器和电压控制 器，然后将所设计的控制器离散化，得到相应的数字控制算法，并把该算法运用到 d s p 控制的小型电镀电源控制系统中，实现电镀电源的数字化。该小型电镀电源系 统的电路框图如图1 i ，其工作过程如下：2 2 0 v 单相交流电经过整流桥后得到脉动 的直流电，再经过滤波电路后便得到了比较平滑的直流电。直流电经过由i g b t 逆 变器、高频变压器和输出整流器组成的d c d c 变换装置便得到了电镀用的直流电。 提供给电镀负载。 图i i 电镀电源电路的框图 电源输出端的电压和电流经过电压采样电路和电流传感器采样后，再经过调整 电路调整至适合于d s p 输入的电压( 肛3 3 v ) 后输入到d s p 的a d 输入端。在d s p 3 青岛大学硕士学位论文 中进行a d 转换后，通过控制算法计算出占空比，产生p w m 控制波形，再通过驱 动电路来驱动逆变器的工作，使输出电压或电流稳定在所期望的值上。 本课题中所研究的小型电镀电源的主要技术指标如下： l 、输入电压：2 2 0 v a c - _ i - 1 5 5 0 h z 2 、输出电压：0 - 1 2 v d c 3 、输出电流：0 2 0 0 a 4 、开关频率：2 0 k h z 5 、效率：8 0 6 、纹波：s 6 0 m v 7 、隔离电压：2 0 0 0 v a c 8 、过流保护：2 2 0 2 4 0 a 9 、过压保护：1 3 1 4 v 1 4 本文的主要研究内容 本文主要完成以下几个方面的工作： ( 1 ) 小型电镀电源主电路的参数计算。 根据设计要求，计算了主电路中的各元器件的参数。选择合适的元器件，设计 了电路中的变压器。 ( 2 ) 主电路的调试 根据选择和设计的主电路中的器件，对主电路进行调试。根据调试结果，进一 步调整各元器件的参数。 ( 3 ) 系统的建模及数字控制算法推导。 采用状态空间平均法建立了小型电镀电源系统的模型，给出稳态和低频小信号 等效模型。运用数字控制器的连续化设计步骤，先为该电镀电源系统设计了模拟电 流控制器和模拟电压控制器，然后采用双极性变换法将控制器离散化，得到相应的 数字控制算法。 ( 4 ) 仿真分析研究 运用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件，建立了系统的仿真模型，对系统进行了仿真 分析，验证所设计的控制器的正确性。 ( 5 ) 电镀电源控制电路的设计 以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为控制电路的主控制芯片。设计了控制电路的硬件电路。 主要包括电压电流采样电路、保护电路、电源电路、i g b t 驱动电路。用c 语言编写 数字控制算法的程序，并在d s p 中调试通过，实现了该控制算法，完成了数字控制 的小型电镀电源的初步研究。 4 第二章电镀电源主电路的设计 第二章小型电镀电源主电路的设计 2 1 小型电镀电源主电路的拓扑结构 由于本课题所研究的是小型高频开关电镀电源，其输出电压为o 1 2 v ，输出电 流为0 2 0 0 a ，功率较小，所以选用半桥型电路就可以实现。而且半桥型电路中变压 器的利用率高，且没有偏磁问题，开关器件数量少，同样的功率成本要低一些。 主电路的原理图如图2 1 所示，输入2 2 0 v 单相交流电经d i 、d 2 、d 3 、d 4 、c 1 、 c 2 组成的整流滤波电路后转换成平直的直流。即经过整流桥后交流电变成脉动的直 流，脉动的直流经过电容滤波后，就成了较为平直的直流。该直流输入到半桥型逆 变器后变成2 0 k h z 的高频交流，并被传送给高频变压器将电压降下来，符合电镀所 需的电压；d 7 、d s 、l 、c 组成的全波整流滤波电路的功能是将高频的低压交流变成 直流或脉动的直流，这取决于半桥逆变时开关管导通的占空比，如果占空比d 保持 不变，那么将输出直流；如果占空比d 有变化且在时间t l 阶段占空比为d l ，在t 2 阶 段占空比为d 2 ，那么此时将输出脉动直流。电感l 和电容c 组成一级l c 输出滤波电路， 其作用是滤除二次侧整流电路输出的脉动直流中的交流成分，得到平滑的直流输出 【7 l a d i j啦 阡簏 9 见2【见zr b 归半乌啸z 2 2 变压器的设计 变压器是开关电源中的核心元件，许多其它主电路元器件的参数设计都依赖于 变压器的参数。因此，首先进行变压器的设计合理的设计保证了功率模块的效率 和体积。 应用面积乘积法( a p ) ，首先计算所需的变压器窗口面积有公式s 】 肌l 巧p rx 五1 剐0 4 “ z ( t ) x o k r 氕b w x jl 、。 式中a p 磁芯面积乘积( c i n 4 ) ： 5 青岛大学硕士学位论文 弓为变压器的视在功率( w ) ； 巩工作磁通密度( t ) ； 正开关工作频率( h z ) ； 窗口使用系数，表征变压器窗口面积中铜线实际占有的面积量。它主 要与线径、绕组数有关，一般典型值取0 4 ： 巧波形系数，有效值与平均值之比，正弦时为4 4 4 ，方波时为4 ； 巧电流密度比例系数； x 常数，由所用的磁芯确定。 该式说明，铁芯的选择就是选择一个a p 值达到上式计算值的铁芯，使它输送 功率弓时，铜损和铁损引起的温升在额定温升之内。设计过程如下： ( i ) 计算视在功率，视在功率随线路结构不同而不同根据半桥型电路中变压 器的结构，得到视在功率的计算公式 p r = e ( 寺+ 压 z 啦， 式中e 变压器的输出功率 町变压器的效率 考虑到整流二极管的压降和电路的损耗，副边线圈两端的电压取1 4 v , 电流 2 0 0 a ，则巧= 2 8 0 0 ，变压器的效率叶= o 9 8 。带入式2 - ( 2 ) 得p r = 6 8 1 6 3 w 。 ( 2 ) 计算a p 值 取= 0 4 巧= 4 0 ( 方波) 工作磁通密度蜀= 0 5 t 铁芯的工作频率正= 2 0 k h z 查磁芯结构常数表，可以得到带绕铁芯允许温升2 5 时，巧= 2 5 0 ，x = - 0 1 3 。 依式2 ( 1 ) 计算 第二章电镀电源主电路的设计 _ 尸：f j 型尘一r ：f j 型尝l p 3 。- , 2 6 ( c m 4 ) k o k r b 。k i1l o 4 x 4 x 2 0 x 1 0 3x o 5 x 2 5 0 ) ( 3 ) 选用安泰科技公司生产的o n l - 1 0 0 0 6 0 0 2 0 规格的铁芯，它是底剩磁的铁基纳 米晶环形铁芯。其性能特点是： 1 1 高饱和磁感应强度，有效缩小变压器的体积。 2 ) 高导磁率低矫顽力，提高变压器效率，减少激磁功率，降低铜损， 3 1 低损耗，降低变压器的温升。 4 ) 优良的稳定性，可在5 5 1 3 0 ( 2 长期工作。 磁芯结构如图2 6 ，外经、内经和高度分别为o i ) = 1 2 0 m m 、1 1 ) = - 6 0 m m 、h t = 3 0 m m 。 外部保护盒的尺寸分别为：外经1 0 5 m m ，内经5 6 r a m ，高度2 3 r a m 。 乍令 心夕 卜h 叫 图2 6 磁芯结构图 计算该磁芯粕值：磁芯窗口面积匆= 石( 罢) 2 _ 2 8 砸c m 2 ) 、 磁芯有效截面积4 = 册、0 1 ) 2 - i d = 4 ( c m 2 ) a p = , 1 w a e = 1 1 3 ( c m 4 ) 有效4 尹值取9 0 a ( 取面积系数为0 8 ) ，所以，选择该磁芯足够。 绕在该磁芯上平均每匝导线的长度舭= ( 堡专堑叫x 2 = 9 5 锄 磁芯的重量形= o 5 l c g ，查铁芯损耗特性曲线( 2 0 k h z ，o s t ) ：3 5 w k g ；面积 4 = 5 4 1 e r a 2 。 ( 4 ) 计算原边绕组的匝数：计算原边绕组线圈匝数的时候，在输入电压为最差 的情况下设计，这时原边线圈两端的电压圪= o 8 5 x 2 2 0 x 1 4 1 2 = 1 3 1 v ，则匝数可由 了一1 青岛大学硕士学位论文 下式求得：尸= 历v s x 丽1 0 4 = 孬而1 3 1 x 而1 0 4 丽z 8 1 8 匝。取整数9 匝 ( 5 ) 计算原边绕组电流= 吉= 1 3 2 l 8 0 0 0 9 8 = 2 1 8 a ( 6 ) 计算电流密度，= 巧一j p = 2 5 0 9 0 4 - 0 ”= 1 3 9 2 a e m 2 。 ( 7 ) 计算原边绕组裸线面积= = 1 2 3 1 9 _ s 2 _ s = 1 5 6 6 m m 2 在高频率大电流工作时，绕组导体的集肤效应影响很大，必须加以考虑。集肤 效应就是导体中通过交变电流时，导体横截面上的电流分布不均匀，内部电流密度 小，边缘部分电流密度大，使导线有效截面积减小，电阻增大。导体中通过交变电 流时，有效截面积减少可以用穿透深度来表示【1 3 14 1 。的意义如下，由于集肤效应， 电流密度下降到导线表面电流密度的o 3 6 8 ( 即l e ) 时的径向深度称为穿透深度。穿 透深度与交流频率厂 导线的磁导率以及电导率有下述关系 式中，为角频率( = 2 t f ) y 为铜导线的电导率 _ 臣 、f 掣r 2 - ( 3 ) 为导线的磁导率 k 为材料的电导率温度系数 对于2 0 k h z 的开关频率，有a = 0 5 m m ，显然在选用绕组的导线时，应使线径 小于两倍穿透深度。由于变压器次级电流密度较大，若用圆铜漆包线，则需要很多 股并绕，很难绕整齐，因此使用扇铜带绕制。 根据绕组裸线面积查找t z 1 0 型斜纹铜编织线的型号表【1 9 l ，选择截面积为 1 5 8 3 m m 2 的斜纹铜编织线。其直流电阻为1 3 6 f 2 k m 。 计算原边绕组电阻： r p = m l t ( n p ) x 1 3 6 1 0 。5 = 9 5 x 9 x 1 3 6 x 1 0 = 1 1 6 x 1 0 - 4 f 2 计算原边绕组铜耗：= e r p = 2 1 8 2 x 1 1 6 x 1 0 - 4z o 5 5 w 8 第二章电镀电源主电路的设计 ( 8 ) 计算副边绕组匝数：假设最大占空比。= 。9 ，则以= 睾告= 淼a l 匝，取整数l 匝。 ( 9 ) 计算副边绕组裸线面积。因为半桥型电路中的变压器副边有中心抽头，所 以变压器中的电流l 需再乘0 7 0 7 校正因素 4。一lox0707200。0_707：10158mm2 w ，1 3 9 2 据绕组裸线面积查找t z - 1 5 型斜纹铜编织线的型号表，选择截面积为 1 1 8 7 4 m m 2 的斜纹铜编织线。其直流电阻为o 1 8 f 2 k m 。 计算副边绕组电阻墨= ( m l t x n ) x 0 i g x l o 巧= 1 7 1 x l o - 5 q 计算副边绕组铜耗= ，d 2 忍= o 6 8 4 w 因此变压器总铜耗( 原边加副边) 气= 己。+ p 黜= o 5 5 + 0 6 8 4 = 1 2 3 w 0 0 ) 计算在满足效率叩。下允许的总损耗悬2 音一艺= 5 7 1 2 w ( 1 1 ) 计算允许的铁耗= 龟一名= 5 7 1 2 1 2 3 z5 5 9 w ( 1 2 ) 根据铁芯损耗曲线，可求出该铁芯工作在2 0 k ，o 5 t 时，每公斤损耗3 5 w k g 。 实际发生的损耗为匕= 3 5 x 0 5 = 1 7 ，5 w 。实际发生的铁耗小于允许发生的铁耗。 ( 1 3 ) 计算单位面积耗损量m = e c 。一+ p f e = 等= 。0 3 5 w ，c m 2 。 资料表明此值下温升将在2 5 c 内，设计通过。 2 3 输入整流管的选择 在选择整流管时，首先要使整流管的反向峰值电压大于实际承受的最大反向电 压，并留有一定的余量。一般取2 3 倍”1 。对于单相桥式整流电路，整流管所承受 的最大反向电压y 赢= 2 v ，其中矿= 2 2 0 x ( i + i 5 ) ，所以= 3 5 7 7 v 。其次要考虑 整流管电流平均值大于实际通过管子的电流平均值，并留有余量。整流管的输出电 压平均值蚴= o 9 x 2 2 0 = 1 9 8 v ，效率，7 - - 0 8 ，输出功率最大值 9 青岛大学硕士学位论文 巴一= 1 2 2 0 0 1 j = 2 6 4 0 w ，则流过每个二极管的电流平均值厶2 考署2 8 3 aa 2 4 输入滤波电容的选择 损耗增加；同时，电容过大，成本也会增加。一般面言，用下述经验算法【1 4 1 。 输入滤波电容容量的精确计算相当复杂，在工程应用中可以使用下式进行近 ：剥 ：删 2 丽袁若 2 - ( 4 ) 式中弓输出功率 五电网频率 整流桥导通角( 若未知，可假设为= 3 m s ) 匕m 输入交流电压最小值 p ，曲脉动直流电压最小值 吃m = 2 2 0 x ( 1 一1 5 呦= 1 8 7 v ，选择输入直流l o o h z 纹波的最大值为输入交流电压 第二章电镀电源主电路的设计 峰值的8 ，即a v = 8 x 压。= 2 1 2 v ，则有脉动直流电压最小值 = 1 4 k | i 血一a v = 2 4 0 6 v 。 带入式2 ( 4 ) 可得输入滤波电容的容量为9 9 5 9 妒，考虑到半桥电路中是两个电 容串联，所以每个电容值为1 9 9 1 8 t t f ，最后根据经验和实验调整，最后选用c 1 ，c 2 为两个2 2 0 0 t t f 2 5 0 v 的电解电容。 2 5 高频开关管的选择 电力m o s f e t 是近年来发展比较快的全控型电力电子器件，它的显著特点是用 栅极电压来控制漏极电流，因此所需驱动功率小、驱动电路简单；又由于是靠多数 载流子导电，没有少数载流子导电所需的存储空间，是目前开关速度最高的电力电 子器件，但是其导通后呈现电阻性质，在电流较大时的压降较高。大功率晶体管 ( g t r ) 的饱和压降低、容量大，但其为电流驱动，驱动功率较大。开关速度低。 2 0 世纪8 0 年代出现的绝缘栅双极性晶体管( i g b t ) 是把m o s f e t 和g t r 复合而 成，除具有m o s f e t 的电压型驱动、驱动功率小的特点，同时具有g t r 饱和压降 低和可耐高压和大电流等一系列应用上的优点，近年来在各种电力变换装置中得到 广泛应用【”1 。 正因为如此，本变换电路中逆变器件功率开关管采用i g b t 管。根据功率计算 公式e o = 印7 可知，当电网电压最低时，直流侧输入电流最大，所以当电网电压 为正常值的8 5 时，此时整流输出直流电压为 u = 0 8 5 x 2 2 0 1 4 = 2 6 1 8 v 电流最大为l = 丽p o = 罴罴- 1 1 4 6 a 根据变压器原边工作波形和i g b t 的工作波形可知，i g b t 的工作平均电流为直 流侧输入电流的一般，所以流过i g b t 的平均电流为5 7 3 a 。 而承受的最大正向电压为 u l a a r = 1 1 5 x 2 2 0 x l a = 3 5 4 2 v 考虑到电压尖峰、电流的影响以及可选的开关管，采用美国仙童( f a i r c h i l d ) 公司生产的i g b t 模块f m g 2 g 5 0 u s 6 0 。它的主要参数是： 集电极一发射极击穿电压岱= 6 0 0 v 青岛大学硕士学位论文 连续集电极电流七= 5 0 a ( t c - = 2 5 。c ) 栅极一射极电压船= ：t ：2 0 v 2 6 输出整流管和r c 吸收网络 q 图2 7 输出整流二极管和r c 吸收网络示意图 输出整流二极管和r c 吸收网络示意图如图2 7 ，r s 、c s 构成吸收网络( s n a b b e r ) ， 其作用是防止二极管关断时因反向恢复引起的震铃。 选择整流二极管时，首先要考虑的是流过管子的电流。从工作过程分析可知， 流过二极管d 7 、d 8 的平均电流是输出电流的二分之一。也就是说 i d = 0 5 i o = 1 0 0 a 2 - ( 5 ) 而计算d 7 、d s 的额定电压对，需要考虑电网电压为正常值的1 1 5 时的最恶劣 情况。这时候d 8 导通，d 7 关断时的情况，计算整流二极管d ，的反向承受的最大电 压：u m = u x l 1 5 x 2 = 坐学2 - 3 9 3 6 v 。 考虑到关断时产生的关断尖峰，选用的快恢复二极管的型号为m u r 2 0 0 6 0 c t ， 其额定电压为6 0 v ，额定电流2 0 0 a 。 关断时产生的尖峰的大小还与吸收网络有关。吸收网络选的好可以降低关断时 产生的尖峰电压。这里吸收网络的选择有多种方案，我们通常选择吸收电容的值为 整流二极管节电容的i o 倍 9 j ，即 e = 1 0 x 2 7 5 p f = 2 7 5 0 p f2 - ( 6 ) 根据充放电时间常数，可以确定r s 。为了保证吸收网络可靠的工作，必须知道 二极管恢复震荡的周期( 频率 ，震荡周期大约是开关周期的十分之一。选择的r s 电阻值必须使电容在十分之一个周期内充、放电完成【1 4 】。 f s 吾 2 - ( 7 ) i o 震荡周期t s s 大约是开关周期的十分之一。所以 妇 第二章电镀电源主电路的设计 血s 二= 1 8 2 q 2-(8)ioo l g 、。7 2 7 输出滤波器的设计 输出滤波器的设计主要围绕着输出纹波指标来考虑。一般情况下，以在最坏情 况下计算的参数为依据选择滤波电容和电感值。显然，半桥变换器输出电流频率是 开关频率的2 倍。根据数学推导【1 哪可知，在占空比5 0 的时候，输出纹波最大。所 以，我们在该条件下设计l c 的值。图2 8 所示为理想情况下副边各点的电压和电流 波形。 有 i c u c 图2 8 副边各点的电压电流波形 设计滤波电感时，假设滤波电容无穷大，相当于是对恒压源进行充放电根据 巩= 三等 2 ( 9 ) 曲 7 工：竽：7 5 ( 岫 j ， “2 - 0 0 ) 其中取电流纹波系数为士5 。实际当中可以适当取大一些，实际中取2 0 9 h 。 设计电容时，假设电感无穷大，相当于是对电容进行恒流充电。根据 青岛大学硕士学位论文 = c 警 得 c - - 丝：2 0 s 3 0 心 以 其中取电压纹波系数士o 5 。 考虑电解电容等效串联电阻和电感影响，电容应该尽量选的大些， 话，越大越好f 2 0 l 。实际当中我们选择了高频低阻抗的电解电容， 1 6 v 1 0 0 0 0 1 t f 的电解电容并联。 1 4 2 - ( 1 1 ) 2 - ( 1 2 ) 如果可能的 使用3 只 第三章电镀电源主电路的建模及其闭环控制系统设计 第三章小型电镀电源系统的建模及控制算法研究 3 1 小型电镀电源系统的建模 3 1 1 半桥型电路小信号数学模型的建立 在对d c d c 变换器的解析建模分析中，状态空间平均法具有建模简单，物理 概念清楚，便于利用线性电路理论和控制理论对变换器进行稳态和动态分析的优 点。所以下面应用该方法对电镀电源系统进行建模。 该电镀电源的主电路采用的是半桥型电路，其原理图如图3 1 。在建模时，逆 变器输入端的直流电压用一个直流电压源来等效。 图3 1 半桥型电路原理图 在电镀过程中，将被镀件与直流电源的负极相连。随后，把它们一起放在电镀 槽中，镀槽中有含欲镀覆金属离子的溶液，在接通直流电源时，就有电流通过，欲 镀的金属便在阴极上沉积出来。溶液中的离子浓度变化不大，对电镀电源来说，也 就是其负载的变化不大，在建模的过程中，可以用一个阻值比较小的电阻来代替。 假设开关管q l 、q 2 ，二极管d 7 、瑰均为理想器件，变压器为理想变压器且副 边中心抽头两端绕组完全对称。电容c 1 ，c 2 两端分得的电压完全相等，都为一半 的直流输入电压开关频率远大于低通滤波器的转折频率。 在上述假设下，对半桥电路的工作过程进行分析。当半桥型电路工作在电感电 流连续模式时，在一个开关周期内，有四个开关状态，如图3 2 所示 1 5 青岛大学硕士学位论文 卵。圈爵翔 t c ：辜6 e l j 畿u 由吁翔 1 6 第三章电镀电源主电路的建模及其闭环控制系统设计 刀： l 口 + 图3 3 等效状态1 的电路图 分析开关状态2 和开关状态4 ，从图b 和图d 可以看出，两个开关状态是完全 一样的。故是一个开关状态，即为两开关管都关断的开关状态。绕组w 2 、w 3 相当 于两个易名端并联的电感。由于变压器是理想变压器，故w 2 和w 3 完全耦合，w 2 和w j 问互感m 与w j 、w 3 自感幻、厶问的关系为： m = 之岛 3 - ( 1 ) 易名端并联的等效电感公式： 上：垒刍二丝 3 - ( 2 ) 上2 + 厶一2 m 将式3 ( 1 ) 代入到式3 ( 2 ) 中可得l = o ，则可将两电感等效为一根导线。所以两个 开关管都关断时的等效状态如图3 4 所示 乙 + 图3 4 等效状态2 的原理图 在一个开关周期内，电路工作在两等效开关状态各两次，且间隔工作，所以在 等效后，整个电路的工作频率是原电路工作频率的两倍。 选择电感电流屯和电容电压作为状态变量，输出电压和输入电流0 作为 输出变量。 在电路工作在等效开关状态l 时，对应的状态方程为： 1 7 青岛大学硕士学位论文 扣4 = , - z t r , , 抖 y 料黜划 在电路工作在等效开关状态2 时，对应的状态方程为 状态方程对应的系数矩阵分别为 4 = 4 = r i i 且= l g - l l l 0j 岛= 圈 建立状态空间平均方程的步骤如下： ( 1 ) 平均化，令： 其中：x 为状态变量 彳= d a i + d 4 嚣= 4 心 一扣m c - = 瞌 g = ： d b , + d 垦；c = d q + d q ；d = 卜d ，带入得： c = 匮 1 8 3 - ( 3 ) 3 ( 4 ) o 一c ，i1 1j乜吣 。，l 仉up 1j。j = 盟西堕西r=叫叫 ，。l p。l = = x y， q l 抛o = 日 第三章电镀电源主电路的建模及其闭环控制系统设计 施加扰动，扰动是在稳态量的基础+ i - 进行的，令d 为控制鼍d 的稳态值。对k 、 d 、，x 、y 施加扰动，并将稳态分量与暂态分量分离，可得： 胁) = 似f ) + 臃( d + m 一4 + 假一马取珈) + “一4 丘 o 廊) + 假一垦俄f 境( f ) b 仰= c 砸) + ( c c 2 ) x a ( t ) + ( q c 2 ) a ( o ：r ( o 3 ( 6 ) 式中0 ，i ，多是相应d ，u ，x ，y 的扰动量。 稳态模型 肖= 一彳“曰u3 一( 7 ) l f2 c x ( 2 ) 线性化，忽略二阶微小量0 ( f 碡( ，) ，0 ( f ) 露( ，) ，则式3 - ( 6 ) 变为 2 d = 麒d + 口反f ) + 【，一4 ) x + ( 骂一最渺m ( ) 3 ( 8 ) 【j ，( f ) = ( 鬻( f ) 十( c l g ) x d ( t ) 上式即为变换器在小信号扰动式的状态平均方程，其频域形式是 j 矗8 = 麒8 + 肋8 + 1 4 4 ) z + ( 置一岛) u 】d ( 3 ) 3 ( 9 ) 沙( d = c ( 曲+ ( c l c 2 ) 涮【s ) 整理后得 辫黜g 吼。( s ) j 忡l d ( s ) ， 其中 删；靴p = 瞄 d = ( 豇一彳) 。矗= 警 酬= 辨砷= 黜 1 一 吃c 1 c 旦 = ( 盯一一) 。 ( 4 4 ) x + ( 马一垦) u 。警 1 9 1 l 一 吃c 1 c 3 - ( 1 1 ) 3 - 0 2 ) 青岛大学硕士学位论文 洲= 貅旷黜 d = c ( “一爿) 。b = 警 d f i1 i r 面j l c 3 - ( 1 3 ) 叫= 料冲= 黜 = c ( 盯一彳) _ 1 ( 4 4 ) x + ( 且一呸) u + ( c i c 2 ) x 3 0 4 ) k ：鱼生 d f 11 i r 丽j l c 盛一 ql帆。 一2 第三章电镀电源主电路的建模及其闭环控制系统设计 路中的物理元件值。冠用于模拟各种寄生电阻引起的功率损耗，理想变换器中， 冠= 0 ；丘= 三e = c 。 ( 3 ) 控制变量的控制作用。控制变量荆的小信号分量含( f ) 的作用是由一个电压源 e ( s ) c l ( s ) 与一个电流源_ ，( 5 ) 0 ( j ) 来模拟的，f 例与俐为控制系数，由变换器的元件 参数及静态工作点决定。 吖( d ) = 五d 3 ( 1 5 ) 小) = 器= 告= 等 s ，( s ) = ( s ) 一e ( s ) 吼( s ) = 被u o ，= 尝鲁 3 羽7 ) 3 i 2 半桥型电镀电源模拟控制器设计 在运用状态空间平均法建立了半桥型电路的小信号模型后，就可以利用该模型 设计电路的电流控制器和电压控制器了。下面将具体介绍其双闭环控制系统的设计 方法和设计过程1 2 4 2 8 】。 3 1 2 1 双闭环开关调节系统的组成 双闭环开关调节系统的原理框图如图3 6 。图中i v 表示电流采样器，将主电路 的电感电流屯变换为电压信号。v a 是电压控制器，将经电压采样器w v 采样的 输出电压与参考电压相比较产生误差电压信号夥c p ，为电流控制环提供一个控 制信号。c a 是电流控制器，将电流采样器的输出电压醪。与参考电压相比较产 生控制电压口“并作用于开关控制器，将模拟量调制为脉冲量a ( o 。电流控制环可以 等效为一个新的功率级，称之为等效功率级。等效功率级和电压控制器组成了电压 控制环电流控制环是内环，实现电流自动调节；电压控制环是外环，实现电压自 动调节。 2 i 青岛大学硕士学位论文 图3 6 双闭环开关调节系统的原理框图 3 1 2 2 电流控制环的设计 本设计中采用平均电流控制方法，在平均电流控制中，通常选取电感的电流作 为反馈信号，因为工作的电流比较大，主电路和控制电路之间需要隔离，所以选用 霍尔电流传感器。霍尔电流传感器的输出电压很小，只有几伏，可检测的电压范围 很大，可达到几百安，所以霍尔电流传感器可以等效为一个阻值非常小的电流采样 电阻，记为冠。 为了便于推导由电流补偿网络的输出到电流采样电阻置两端电压的小信号函 数口。女。控制对象的传递函数，对于c c m 型d c d c 变换器，假定：输出 电压的扰动量五= 0 ，则电压控制器输出电压的扰动量幻= 0 ；足很小， l m