基于模糊控制的金刚石电镀装置的研究

1、基于模糊控制的金刚石电镀装置的研究research on diamond electroplating device based on fuzzy control学科专业： 研究方向： 作者姓名： 指导教师： research on man-made diamonds electroplating device based on fuzzy controla thesis submitted for the degree of mastercandidate：zhong wei-bosupervisor：prof. zhao shi-juncollege of information & co

2、ntrol engineeringchina university of petroleum (east china)关于学位论文的独创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学（华东）或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文使用授权书本人完全

3、同意xx大学有权使用本学位论文（包括但不限于其印刷版和电子版），使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门（机构）送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。保密学位论文在解密后的使用授权同上。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日指导教师签名： 日期： 年 月 日摘 要本文针对金刚石电镀过程中存在的能源消耗大、加工时间长、镀层厚度均匀性差、镀层容易出现缺陷等问题，从提高电源的效率和改进控制方法入手，对金刚石电镀装置进行了研究。论文在以下几个方面进行了

4、深入研究：硬件电路主要由电镀电源和单片机控制电路组成。在电镀电源的设计中，通过对电镀电源中常用电路拓扑结构的分析，采用了新型的无源无损软开关技术。无源无损缓冲电路既不使用有源器件，也不使用耗能元件。采用无源无损软开关技术，降低了开关损耗和电磁干扰，使电源的高频化得以实现，从而提高电源系统的效率和动态响应。同时，在高频输出电路中采用外驱动同步整流技术。外驱动同步整流技术中，为了实现同步，mosfet的驱动信号必须与主开关管的驱动信号保持固定的相位关系。目前，可以用于ac/dc变换器中的同步整流控制器极少，给控制芯片的选择带来了困难。本文利用控制芯片sg3525a作为电路的控制芯片，通过对信号的延

5、时和整形来获得符合驱动时序要求的四路驱动信号，实现了主开关管和同步整流管的驱动，使电源的效率得到了进一步的提高。在软件设计中，采用了以单片机mc68hc908gp32为核心的模糊控制系统。在金刚石电镀过程中，负载的变化比较大，导致电源输出电流变化较大。为了优化控制效果，引入基于自调整模糊算法的电流闭环控制，设计出一种以电流为被控量、以电流的偏差和偏差变化率为输入量，以控制电压为输出量的自调整模糊调节器。完成以上设计方案后，制作电路板并在实验室搭建实验平台进行硬件电路调试，最后利用matlab编程仿真模糊控制算法。实验结果证实了设计方案的可行性。关键词：模糊控制，开关电源，金刚石，电镀resea

6、rch on man-made diamonds electroplating device based on fuzzy controlzhong wei-bo (measurement technology and automation device)directed by professor zhao shi-junabstractbecause of serious problems, such as energy waste, long processing time, poor uniformity of coating thickness, show defect easily

7、and so on, in the process of diamond electroplating, this paper studies the device of diamond electroplating in areas of raising the efficiency of power and improving control method. paper has conducted in-depth study in the following areas.hardware circuits mainly consist of electroplating power an

8、d scm control circuit. in the design of electroplating power, paper uses a new type of passive non-destructive soft-switch technology through analysis of circuit topology commonly used in electroplating power. passive non-destructive buffer circuit is not use of active device, nor the use of energy-

9、consuming devices. the using of passive non-destructive soft-switch technology reduce the switching losses and electromagnetic interference, so that the high frequency of power can be achieved, thereby enhancing the efficiency and power system dynamic response. at the same time, it adopts outside dr

10、ive synchronization rectify technology in the high-frequency output circuit. in order to implement synchronization, the drive signal of mosfet must keep the fix phase relation with the drive signal of main switcher. at present, it uses sg3525a as the control core. it can get four phases drive signal

11、 which can meet drive timing by delaying and rectifying to the signal. so it could achieve drive of the main switcher and synchronization rectifier, which furthers improve the power efficiency.in the software part, it uses mc68hc908gp32 as the core of the fuzzy controller. in the process of diamond

12、electroplating, because of big change of load, it leads to obviously change of power output current. in order to get control effect better, it adopts self-adjusting fuzzy control in current closed-loop control. so it designs a self-adjusting fuzzy controller, which uses the current as the control pa

13、rameter, the deviation and deviation rate of current value as the input, the change value of voltage as output.after finished design plan and yielded circuit boards, it structures a experimental platform to have hardware circuit online commissioning in the laboratory. at last, it uses matlab to have

14、 simulation by program. the simulation results confirm the feasibility of design plan.key words: fuzzy control, switching power supply, diamond, electroplating目 录第1章 前 言11.1课题来源及研究意义11.1.1课题来源11.1.2课题研究意义11.2国内外金刚石电镀发展现状21.2.1国内外电镀工业的发展21.2.2金刚石电镀发展现状31.3电镀电源的发展现状及研究方向41.3.1电镀电源的发展现状41.3.2电镀电源的研究方向5

15、1.4课题研究内容61.4.1电镀装置的主要设计要求71.4.2课题研究的主要内容71.5论文组织结构7第2章 金刚石电镀装置整体方案设计92.1电源的主电路拓扑92.1.1单端正激变换器92.1.2半桥变换器102.1.3全桥变换器112.2 软开关技术112.2.1软开关技术的出现112.2.2软开关技术的分类142.3 同步整流技术142.3.1自驱动同步整流152.3.2外驱动同步整流152.4 pwm驱动控制电路162.4.1开关电源的控制方式162.4.2驱动电路172.5温度控制电路172.6模糊控制的基本理论182.6.1模糊控制简述182.6.2模糊控制的数学原理182.6.

16、3模糊控制器的结构19第3章 金刚石电镀装置的硬件设计213.1电源主电路的设计213.1.1 emi滤波器设计213.1.2 工频整流滤波电路设计223.1.3高频逆变电路253.1.4高频变压器的设计263.1.5高频整流滤波电路设计303.2电源控制电路的设计323.2.1 sg3525a芯片323.2.2 sg3525a的外围电路343.2.3 驱动信号处理电路353.2.4 tx-kd301驱动模块373.2.5检测保护电路设计383.2.6辅助电源设计413.3 单片机控制电路的设计423.3.1 单片机控制系统的功能423.3.2 单片机mc68hc908gp32功能分析433.

17、3.3 d/a转换电路443.3.4 继电器控制电路443.3.5脉冲封锁电路453.4温度控制电路的设计45第4章 金刚石电镀控制系统的软件设计474.1软件设计思想474.2程序模块设计484.2.1主程序模块设计484.2.2模糊控制子程序494.3模糊控制器的软件设计494.3.1输入输出量的选取504.3.2精确量模糊化504.3.3模糊算法设计514.3.4输出量的反模糊化534.3.5仿真实验54第5章 实验结果及分析585.1 实验装置与实验波形585.1.1 实验装置585.1.2 实验波形585.2 实验波形的分析60结论与展望61参考文献63致谢66v中国石油大学（华东）

18、硕士学位论文第1章 前 言1.1课题来源及研究意义1.1.1课题来源在金刚石表面镀覆一层金属能赋予金刚石许多新的特性：可以提高金刚石的强度、金刚石与基体的界面结合能力、隔氧保护、减轻金刚石热损伤程度、改善金刚石与基体界面的物理化学性能，还能提高金刚石工具的耐磨性和切削能力。另外，还可将电镀过的金刚石颗粒焊接到其他基体上，以便利用。但目前在金刚石电镀方面仍存在某些缺点，诸如加工时间长、镀层厚度均匀性差、镀层容易出现缺陷以及存在较大内应力等，出现这些问题主要是因为当前的金刚石电镀设备较为落后造成的。针对上述问题，并结合模糊控制技术的应用现状和前景选定本课题。1.1.2课题研究意义电镀是指通过电化学

19、方法在固体表面上沉积一层薄金属或合金的过程1。在镀件表面形成的这一薄层可以在不改变零件主体性能的情况下，使零件具有较强的耐腐蚀、耐磨等优良特性，同时还可以改善外观，具有极好的装饰美化作用23。金刚石具有硬度高、比热容小、抗腐蚀能力强、热稳定性好以及透光等优异特性。天然金刚石是在地层深处的超高温、超高压条件下形成的，因其资源少，开采困难，价格极其昂贵，无法满足工业应用的需要，于是出现了人造金刚石。人造金刚石同样具有硬度高、耐磨、热稳定性好等优良物理性能，广泛用于冶金、石油钻探、机械加工、仪器仪表、电子、石材加工等行业。我国在1969年建成了第一个人造金刚石及其制品的专业化生产厂，短短的四十年，我

20、国的金刚石工业已经形成了完整的工业体系。人造金刚石的产量逐年增加，特别是进入90年代后，产量呈直线上升趋势，发展势头强劲。至2005年，我国的人造金刚石年产量已达到33亿克拉左右，约占世界总产量的70%。虽然我国在金刚石电镀及其制品行业获得了巨大的发展，但同时也应该清楚地看到我们目前存在的许多问题：1由于电镀工艺和电镀设备等方面的原因，国产的金刚石及其制品的质量均属于中低档，与发达国家的产品差距较大。2由于电镀行业是一个重污染行业，在生产过程中使用了大量强酸、强碱、重金属溶液等有毒有害化学品，在工艺过程中排放了含高毒物质的废水、废气和废渣，这些物质严重污染环境，危害人类健康。我国电镀行业每年排

21、放大量的污染物，包括4亿吨含重金属的废水、5万吨固体废物、3000亿立方米酸性废气。对人体、动物和自然环境产生不同程度的危害4。3电镀是高耗能行业，每年都需要耗费大量的能源。能源、环境、发展是当今世界的三大主题。为了国家的可持续发展，国家已经采取了一系列措施，加大节能产品的研究开发，强制性淘汰高耗能设备。在电镀行业采用高性能、高效率的高频开关式电镀装置，可以根据电镀工艺的具体要求，通过合理地调整电镀各阶段的电流、电压及镀液温度等参数，来提高金刚石制品的质量和生产效率、减少电镀溶液及其它添加剂的使用量。这样可以为国家节约大量的贵重金属和能源，也可以减少对环境的污染。这对于改变我国人均资源极度缺乏

22、的现状有着极其重要的意义。1.2国内外金刚石电镀发展现状1.2.1国内外电镀工业的发展世界上最先公布的电镀文献是1800年由意大利brug-natelli教授提出的镀银工艺1，1805年他又提出了镀金工艺；到了1840年，英国elkington提出了氰化镀银的第一个专利，并应用于工业生产，这被认为是电镀工业的开始。电镀合金开始于19世纪40年代的铜锌合金(黄铜)和贵金属合金电镀。由于合金镀层具有比单金属镀层更优越的性能，人们对合金电沉积的研究也越来越重视，已由最初的获得装饰性为目的合金镀层发展到装饰性、防护性及功能性相结合的新合金镀层的研究上。到目前为止，电沉积能得到的合金镀层大约有250多种

23、，但用于生产上的仅有30余种。 我国电镀工业的发展是在新中国成立以后。首先，为解决氰化物污染问题，从20世纪70年代开始无氰电镀的研究工作，陆续使无氰镀锌、镀铜、镀镉、镀金等投入生产；大型制件镀硬铬、低浓度铬酸镀铬、低铬酸钝化、无氰镀银及防银变色、三价铬盐镀铬等相继应用于工业生产；并实现了直接从镀液中获得光亮镀层，如镀光亮铜、光亮镍等，不仅提高了产品质量，也改善了繁重的抛光劳动；在新工艺与设备的研究方面，出现了双极性电镀、换向电镀、脉冲电镀等；高耐蚀性的双层镍、三层镍、镍铁合金和减摩镀层亦用于生产；刷镀、真空镀和离子镀也取得了可喜的成果。八十年代以来，我国的电镀工业得到了突飞猛进的发展。尤其是

24、在锌基合金电镀、复合镀、化学镀镍磷合金、电子电镀、纳米电镀、各种花色电镀、多功能性电镀及各种代氰、代铬工艺的开发取得重大进展。1.2.2金刚石电镀发展现状1954年美国ge公司研制成功了世界上第一颗人造金刚石。1963年12月6日，我国第一颗人造金刚石研制成功。1969年，我国第一个人造金刚石及其制品专业化生产厂第六砂轮厂建成投产。至此，我国逐步形成了66兆牛顿（mn）六面顶设备为特色的人造金刚石工业体系。人造金刚石的应用领域十分广泛，几乎涉及国计民生的各个领域。金刚石在光学玻璃冷加工、地质钻探、陶瓷、汽车零件等机械加工、金属拉丝等方面引起了革命性的工艺改革，使加工效率、精度几十倍甚至上百倍提

25、高。由于金刚石本身固有的性质，在实际应用中也存在许多不利因素，主要表现为以下几点5 6：（1）金刚石是非金属，与一般的金属或合金间有很高的界面能，其表面不能被低熔点金属或合金所浸润，与金属结合剂的结合性能差。（2）热膨胀系数远远小于金属结合剂的膨胀系数，在加工弧区温度的作用下，由于结合剂与金刚石颗粒的热膨胀程度不一样，使得结合剂对金刚石的把持力减小，导致金刚石颗粒的脱落，引起金刚石工具非正常失效。（3）金刚石的热稳定性不好，在空气中高于800下的情况下，易发生氧化或石墨化等化学反应，在真空中1000以上，也会开始石墨化。正是由于金刚石的这些特征，使得金刚石磨料的应用范围受到一定程度的限制。为了

26、能够在加工过程实现对金刚石的有效把持，人们提出了包括在金刚石表面镀覆金属材料在内的多种方法。通过在金刚石表面镀覆ni、ti、mo、w、cr等金属或其合金，可以提高金刚石的许多性能：一是能够有效地降低金刚石和金属结合剂之间的界面能，增加金刚石表面的粗糙度；二是镀层对金刚石具有隔离保护作用，能防止发生氧化或石墨化，提高了金刚石的热稳定性；三是镀层也可以起到增强和补韧作用，有效地增加了金刚石颗粒的强度。目前金刚石表面镀覆方法主要有湿法镀和真空镀。而湿法镀中的电镀是应用较为普遍的方法之一。电镀人造金刚石的镀种和工艺也不是唯一的，镀前处理就有许多不同作法，而且镀种与磨具种类、用途、金刚石粒度等都有关系。

27、1.3电镀电源的发展现状及研究方向1.3.1电镀电源的发展现状常用的金刚石电镀设备是由镀槽、加热与温控装置、搅拌装置、电镀电源装置等部分组成。其中，电镀电源是一个非常关键的部分，它的输出性能对电镀的质量有着极其重要的影响。随着电力电子技术和元器件制造工艺的迅速发展，电镀电源的发展也是极为迅速。电镀电源的发展大致经历了四个阶段7：第一阶段是交流-直流发电机组。这种机组的效率低、噪声大，而且直流发电机的整流子可靠性不高、维修不方便，所以这类变流设备现在已经基本被淘汰；第二阶段是硒整流器和硅整流器。这种电源采用变压器一次侧抽头或用调压器、饱和电抗器方式调压，二次侧采用硒或硅二极管整流作为电镀电源。该

28、类电源结构简单、造价低，但都存在体积大、笨重和输出指标低、精度差和效率低等缺点，这种电源已经基本停产；第三阶段是晶闸管整流器，其性能指标比前两代产品有较大改善。采用了五芯柱变压器、高压大功率晶闸管等新技术，并出现了恒压、恒流和恒电流密度等新特性。但是由于还是使用工频变压器和工作在低频段，所以整流器体积大、重量重、效率较低，性能的进一步提高也受到电源体积的限制。为克服上述产品的缺点，近年来，以现代电力电子技术的高速发展为基础，国内外相继研制出电镀用第四代直流电镀电源-高频开关式电镀电源。它采用了最新的开关变流技术，与传统工频整流电源相比，这种电源具有高效节能、重量轻、体积小、动态性能好、适应性强

29、、有利于实现工艺过程自动化和智能化控制等显著的优点，是当前国内外研究、开发、应用的主流和方向8。当前国内外现有电镀电源应用情况对比如表1-1所示9：表1-1 国内外电镀电源对比表table1-1 comparative table of electroplating power at home and abroad国内现有主流高频电镀电源瑞典kraft硬开关电镀电源1000a/12v工频变压器无无控制方式pwm脉宽调制，硬开关pwm脉宽调制，硬开关输入滤波器有(lc滤波)有(lc滤波)表1-1 国内外电镀电源对比表（续）table1-1 comparative table of electro

30、plating power at home and abroad国内现有主流高频电镀电源瑞典kraft硬开关电镀电源1000a/12v工频变压器无无控制方式pwm脉宽调制，硬开关pwm脉宽调制，硬开关输入滤波器有(lc滤波)有(lc滤波)输出滤波有有冷却方式风冷风冷效率80以上80以上功率因数0.9全范围达0.9纹波系数额定负载1.5约1恒流恒压精度半载到全载大于1小于1控制电路专用集成电路专用集成电路/模块化体积较小小(晶闸管的1/8)重量较小小(晶闸管的1/10)调节响应速度一般快节能效果较明显明显(比晶闸管节电20)1.3.2电镀电源的研究方向开关式变换器的高频化可以使变换器的体积、重量

31、大为减轻，从而提高开关变换器的功率密度，提高设备的集成化程度。此外，提高开关频率也有利于降低电镀电源的音频噪声，改善动态响应。电镀电源目前的研究方向是：高频高效化、智能化、数字化、绿色可靠。1高频高效化在较大功率领域采用高频开关式电镀电源代替传统整流电源，可以降低损耗、提高功率密度。但是由于功率开关管在导通或关断时，器件上的电压和电流不等于零，所以功率管的导通和关断都会有较大的功率损耗，而且，开关频率越高，开关损耗就越大，导致变换器效率下降。为了解决这一问题，人们开始研究高频软开关技术，使电镀电源能够在高频下高效率地运行。2智能化电镀工艺如何消除人为因素的影响及减少过程能量损耗的需求，对电源的

32、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（如专家系统、模糊控制和神经网络等）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。这些智能控制的应用将大大提高电镀电源的性能及工艺质

33、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。3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开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，数字化电源由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生产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

34、功能提供了全新的途径。4绿色可靠电镀电源长时连续工作在极为苛刻的工况下，因此其可靠性和绿色化是电源推广应用的前提。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。根据工程可靠性理论，在设计和研制过程采取适当的措施使电源绿色化高可靠性必将是电镀电源长期的追求目标。在国内，将软开关技术用于电镀电源的研究已经开始，但是将同步整流技术应用于电镀电源，还需要做大量的研究工作。1.4课题研究内容本课题的主要任务是设计制作金刚石电镀装置的硬件电路，在此基础上设计模糊控制器并进行仿真。1.4.1电镀装置的主要设计要求金刚石电镀装置的硬件电路主要包括电镀电源、温度控

35、制电路、搅拌控制电路等。其中，电镀电源是电镀装置的主要组成部分，其主要的设计技术参数如下：1输入电压：ac22020%v；2输出电压：0-12v；3输出电流：0-20a；4纹波电压：85%。1.4.2课题研究的主要内容课题研究的具体工作主要有以下几部分：1根据电镀装置的设计要求，分析各种开关电路的拓扑结构，选择合适的电源主电路拓扑结构，然后分别对emi滤波电路、输入整流滤波电路、高频逆变电路、高频变压器和输出整流滤波电路进行设计。2从理论上分析开关管的开关过程和实现软开关技术的条件，通过对各种软开关技术进行比较，本文选用了无源无损软开关技术。3研究分析同步整流的有关控制理论和控制技术问题，设计

36、同步整流管的驱动控制电路。4根据金刚石电镀过程中对温度的要求，设计温度控制电路，实现在最佳的温度状态下进行电镀。5根据模糊控制理论，设计自调整模糊控制器，以输出电流为被控量，以电流的偏差和偏差变化率为输入量，以电压的变化量为输出量，提高了金刚石电镀的精度。1.5论文组织结构本文的组织结构如下：第1章，前言，主要阐述了本课题研究背景，简要分析了其研究意义，介绍了相关技术与国内外发展现状，给出了本课题的主要研究内容。第2章，金刚石电镀装置的整体方案设计，介绍了金刚石电镀装置的构成，简单分析了电镀电源模块、温度控制模块、搅拌控制模块和模糊控制模块的原理和设计。第3章，金刚石电镀装置的硬件设计，详细介

37、绍了装置中电源主电路、电源控制电路、单片机控制电路及温度控制电路的硬件电路设计。第4章，金刚石电镀控制系统的软件设计，介绍了各程序模块的设计及模糊控制器的设计，并利用matlab编程进行仿真实验。第5章，实验结果及分析，对电路中的驱动电路和主电路的相关部分进行了测试，并对实验数据进行了简要的分析。第2章 金刚石电镀装置整体方案设计金刚石电镀装置主要由电镀电源、单片机控制单元、温度控制单元、搅拌控制单元和瓶式电镀箱等构成，电镀系统构成如图2-1所示。图2-1 金刚石电镀装置主要构成示意图fig2-1 main frame schematic diagram of man-made diamond

38、s electroplating device2.1电源的主电路拓扑在金刚石电镀装置中，对电镀产品质量影响较大的就是电镀电源。在实际应用中，从安全、实用、控制的角度出发，电镀领域中使用的开关式电源基本上都采用带变压器隔离的开关变换器。常用的主电路拓扑有单端正激变换器、半桥变换器和全桥变换器10。2.1.1单端正激变换器单端变换器的电路结构如图2-2所示。单端正激变换器实际上是在buck变换器的基础上插入高频变压器，实现输入和输出电气隔离的一种dc-dc变换器。单端正激变换器的高频变换器铁心工作在磁化曲线的第一象限，即单向磁化。所以变换器必须附加磁复位电路，以避免磁积累而造成磁芯饱和。最常用的磁

39、复位电路是在输入端接复位绕组，使能量再生而返回电源。单端变换器是由逆变器、输出电流滤波电路、反馈控制pwm驱动电路等部分组成。开关管vt1按pwm方式工作，其导通占空比d受输出电压或电流信号控制调节，vd1是整流二极管，vd2是续流二极管，l1为储能滤波电感，c1为输出滤波电容，vd3和绕组n3构成磁复位电路，反激时将磁化能量返回至电源。图2-2 单端正激变换器电路fig2-2 circuit of single-ended converter2.1.2半桥变换器半桥变换器实际上是由两个单端正激变换器组合而成的。其中一个桥臂由两个特性相同、容量相等的电容器组成，每个电容承受二分之一的电源电压；

40、另一桥臂由两个受pwm信号控制的功率开关管承担。半桥变换器的高频变压器的磁芯是双向磁化，工作在磁化曲线的第一象限和第三象限。但由于开关器件特性和驱动电路的不对称，可能会引起偏磁并导致变压器因磁积累而出现磁饱和，使变换器的效率下降，严重时会使开关器件损坏，所以在半桥电路中应有防偏磁措施。半桥变换器的电路如图2-3所示。图2-3 半桥变换器电路fig2-3 circuit of half bridge converter上图中电容c1、c2组成变换器的一个桥臂，且c1=c2。两电容上并接的电阻为均压泄放电阻，且需要保证r1=r2。功率开关管vt1、vt2构成变换器的另一桥臂，高频变压器t1经串接直

41、流阻隔电容c3，接至两桥臂的中点a、b处。开关管vt1、vt2的导通与关断受pwm驱动脉冲控制，并接在开关管vt1、vt2其上的二极管vd1、vd2用来提供变压器漏感储能得释放通路。输出一般采用二次绕组中心抽头的全波整流电路，电感l1和电容c4构成输出滤波电路。2.1.3全桥变换器全桥变换器电路相当于两组双管正激式变换器电路的组合，它由四个开关管构成，每一个桥臂有两个开关管。全桥变换器的变压器磁芯也是工作在双向磁化状态，同半桥变换器电路一样，也存在发生偏磁的可能，所以也需要采取防偏磁措施。全桥变换器的电路如图2-4所示。图2-4 全桥变换器电路fig2-4 full-bridge conver

42、ter circuit上图中的四个开关管vt1-vt4构成桥式电路，与它们并联的四个二极管vd1-vd4用于能量恢复，可清除漏感产生的部分瞬时过电压。变压器t1的一次绕组n1的两端分别接在两桥臂的中间，桥臂对角的开关管在pwm驱动信号作用下同时导通或截止，即vt1和vt4导通时，vt2和vt3截止，vt1和vt4截止时，vt2和vt3导通。在一次及二次绕组上形成极性相反的对称方波脉冲电压。输出绕组为中心抽头。二极管vd5、vd6构成全波整流。电感l1、电容c2构成高频输出滤波电路，其纹波电压和电流的频率为二倍的开关频率。串接在变压器一次绕组中的电容器c1也是用于隔离直流成分，防止磁饱和发生。根

43、据设计的具体要求和对三种拓扑的分析，选择半桥拓扑结构作为设计电源的拓扑结构。2.2 软开关技术2.2.1软开关技术的出现随着科技的进步，越来越多的设备将开关式变换器作为提供直流动力的主要装置，这也对变换器提出了更高的要求，要求变换器的体积更小、重量更轻、效率与可靠性更高。为了达到这些要求，就必须提高变换器的频率。在开关电路中，开关管工作在硬开关状态时的电压和电流波形如图2-5所示。由于开关管不是理想器件，所以在开关管开通时，开关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降的过程，同时开关管的电流也不是立即上升到负载电流，也有一个上升的过程。在这段时间里，电流和电压有一个交叠区，在这个交叠区会产生损

44、耗，这个损耗被称为开通损耗。同理，在开关管关断时，开关管的电流也不会立即下降到零，也有一个下降的过程，同时开关管的电压也不是立即上升到电源电压，也有一个上升的过程。在这段时间里，电流和电压也有一个交叠区，也会产生损耗，这个损耗被称为关断损耗。开通损耗和关断损耗被统称为开关损耗11。图2-5 开关管开关时的电压和电流波形fig2-5 waveform of voltage and current when switch is working在一定条件下，开关管在每个开关周期中的开关损耗是恒定的，变换器总的开关损耗与开关频率成正比。开关频率越高，总的开关损耗就越大，变换器的效率就越低。其次，开关管

45、工作在硬开关时还会产生比较高的和。过大的和会使开关管发热，如果不采取保护措施，可能会使功率开关管超出安全工作区而损坏。同时，过大的和也会产生大的电磁干扰。开关损耗包括开通损耗和关断损耗，要降低开关损耗可以通过减少开通损耗和关断损耗来实现。1减小开通损耗在开关管开通时，使电流保持在零，或者限制电流的上升率，从而减少电流和电压的交叠区，称为零电流开通。或者在开关管开通前，使电压下降到零，称为零电压开通。2减小关断损耗在开关管关断前，使其电流减少到零，这是零电流关断。在开关管关断时，使其电压保持在零，或者限制电压的上升率，从而减少电流和电压的交叠区，这是零电压关断。零电流开关和零电压开关的波形如图2

46、-6和图2-7所示，由图也可以看出，采用软开关技术可以降低客观损耗，提高电源效率。图2-6 零电流开关 图2-7 零电压开关fig2-6 zero current switch diagram fig2-7 zero voltage switch diagram开关管在硬开关条件下和在软开关条件下的开关轨迹分别如图2-8和图2-9所示，从图中也可以看出，在软开关条件下，开关管工作在比较安全的区域，不会出现开关管因损耗过大而损坏。 图2-8 硬开关条件下的开关轨迹 图2-9 软开关条件下的开关轨迹fig2-8 switch track in condition of hard switch fi

47、g2-9 switch track in condition of soft switch2.2.2软开关技术的分类根据开关器件开通和关断时电压、电流的状态，软开关电路分为零电压电路和零电流电路两类；根据软开关技术发展的历程，可以将软开关电路分为准谐振变换器、零开关pwm变换器和零转换pwm变换器12。无源无损软开关技术是指不附加有源器件，只是采用电感、电容和二极管来构成的无源无损缓冲网络。电路中常用的软开关技术有：有源缓冲电路、rcd缓冲电路、谐振变换器和无源无损缓冲电路。其中，有源缓冲电路通过增添辅助开关以减少开关损耗，但这使主电路和控制电路变的比较复杂，降低了性价比和可靠性。rcd缓冲电

48、路虽然结构简单，价格便宜，但由于电阻消耗能量，降低了效率，在所有软开关技术中性能最差。谐振变换器虽然实现了zvs或zcs，减少了开关损耗，但谐振能量必须足够大才能创造zvs或zcs条件，而且谐振电路中的循环电流较大，另外还必须在特定的开关控制器的控制信号作用下工作。增加了通态损耗和成本，降低了可靠性。无源无损缓冲电路既不使用有源器件，也不使用耗能元件，其结构与rcd缓冲电路一样简单，效率与有源缓冲电路和谐振变换器一样高，同时具有电磁干扰小、造价低、性能好、可靠性高等优点，因而获得了广泛的应用13。2.3 同步整流技术开关变换器的输出整流电路的种类很多，常用的普通整流电路有半波整流电路、全波整流

49、电路和桥式整流电路，整流管一般采用快恢复二极管或者肖特基二极管。快恢复二极管的导通压降一般在1.0-1.2v之间，肖特基二极管的导通压降也在0.6v左右。导通压降的存在导致了导通损耗的出现，在输出电压较高的情况下，导通损耗对变换器的整体效率影响不大，但在变换器输出电压较低的情况下，就必须要考虑整流管导通损耗对整机效率的影响。为了提高变换器的效率，必须降低整流器的导通损耗。随着制造工艺的提高，mosfet的导通电阻已经降到几毫欧左右，于是出现了采用低导通电阻的功率mosfet来代替整流二极管进行整流的同步整流技术。所谓同步整流就是实现功率mosfet整流管的栅源驱动信号与mosfet管的漏源开通

50、、关断同步。同步整流与二极管整流相比，除正向压降小外，还具有阻断电压高、反向漏电流小等优点。但是由于mosfet不能像二极管那样自动截止反向电流，所以必须采用适当的控制方式来控制mosfet的导通和关断。按照驱动信号的不同，同步整流分为电压驱动和电流驱动14。电压驱动方式因为结构简单、经济高效而得到较为普遍的应用。电压驱动的同步整流器又可按驱动方式分为自驱动和外驱动两种。2.3.1自驱动同步整流自驱动就是利用输出变压器二次测的信号来控制mosfet的导通和关断。自驱动同步整流电路如图2-10。图2-10 自驱动同步整流电路fig2-10 circuit of self-drive synchr

51、onization rectifier自驱动控制电路结构比较简单，但是这种电路的控制信号随输出电压变化，较低的驱动电压会引起开关管损耗的增加，输出电压过低时甚至会影响mosfet的开通，而且这种控制电路中两个mosfet的驱动时序也不够精确。2.3.2外驱动同步整流外驱动同步整流电路与自驱动同步整流电路基本相同，唯一的区别就是外驱动同步整流电路是采用专门设计的驱动电路来控制mosfet的导通和关断。控制信号在时序上与主开关管的驱动信号保持一定的关系，这种电路结构比较复杂、成本稍高，但是这种电路可以保证精确的控制时序，而且外驱动与自驱动相比具有较高的效率。外驱动同步整流电路如图2-11，其中，m

52、os管的栅极pulsea、pulseb接外部驱动信号。电镀电源属于低电压大电流设备，一般输出都不高于12v，而且经常会出现工作在2-5v的情况。随着功率变换器输出电压的降低，整流损耗成为变换器的主要损耗。根据电镀电源的应用特点，本电镀电源的输出整流采用同步整流方式，并采用外驱动方式对mosfet进行控制。图2-11 外驱动同步整流电路fig2-11 circuit of out-drive synchronization rectifier2.4 pwm驱动控制电路2.4.1开关电源的控制方式开关电源的控制方式有两种基本形式：脉冲宽度调制（pwm）方式和频率调制（pfm）方式。脉冲宽度调制方式

53、是指开关频率固定，通过改变脉冲宽度来调节占空比。频率调制方式是指脉冲宽度固定，利用改变开关频率的方法来调节占空比。目前大多数开关电源采用pwm方式，但也有极少数的电源采用pfm方式。pwm方式电路的工作原理如图2-12所示。图2-12 脉宽调制原理图fig2-12 schematic diagram of phase width modulation若用表示开关的脉冲周期，表示导通时间，n表示高频变压器的变比，则在脉冲周期一定的前提下，功率变换器输出的电压和输入电压的关系用式2-1表示。 (2-1)由式（2-1）可以看出，当开关电源的输入电压或输出电压发生变化时，只要适当控制占空因数，就可以使

54、输出电压保持不变，控制电路的作用就是实现这个功能。脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，通过控制开关器件的通断状态来调节输出电压的高低，达到稳压的目的。锯齿波发生器用于提供恒定的时钟频率，偏差放大器和pwm比较器形成闭环调压系统。如果由于某种原因使升高，脉宽调制器就改变驱动信号的脉冲宽度，即改变开关管的占空比，使斩波后的平均值电压下降，反之亦然。2.4.2驱动电路驱动电路的主要功能是对脉宽控制器输出的pwm信号进行功率放大，放大以后作为功率开关器件的驱动信号。驱动电路的形式多种多样，一般有ttl电路驱动、cmos电路驱动和隔离变压器驱动等，在大功率的开关电源中，驱动电路一般都使用具

55、有隔离作用的脉冲变压器来实现对高压功率开关器件的驱动和隔离。2.5温度控制电路在金刚石电镀的过程中，电镀的工艺要求比较严格，影响电镀质量的因素有电流密度、温度、主盐浓度、ph值等。如果参数不合适，将会使镀层质量下降，甚至无法使用，所以必须对镀液的温度进行控制。温度对金刚石电镀效果的影响如表2-115。表2-1 温度对金刚石电镀效果的影响table2-1 impact of temperature to man-made diamonds electroplating effect由上表可以看出，温度对电镀质量影响是非常大的，所以必须设计温度控制电路，使温度稳定在一个合适的范围之内。2.6模糊控

56、制的基本理论2.6.1模糊控制简述模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论、模糊技术与自动控制技术相结合的产物。1965年美国控制论专家la.zadeh教授创立了模糊集合论，从而为描述、研究和处理模糊性现象提供了一种新的工具。一种利用模糊集合理论来建立系统模型，设计控制器的新型方法模糊控制随之问世了。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法。这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效地控制。将模糊集合理论运用于自动控制系统而形成的模糊控制理论，近年来得到了迅速的发展，原因