CN102904477A

CN102904477A - 基于cpld控制的双向脉冲电镀开关电源

Info

Publication number: CN102904477A
Application number: CN2012103504379A
Authority: CN
Inventors: 孙宏国; 周云龙; 吴俊�; 李爱琴; 胡国文; 陈松
Original assignee: Yangcheng Institute of Technology
Current assignee: Yangcheng Institute of Technology; Yancheng Institute of Technology
Priority date: 2012-09-05
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2013-01-30

Abstract

本发明公布了一种利用CPLD实现PWM触发脉冲控制的全桥逆变及斩波电路，能够实现大功率低压大电流的双向脉冲电镀开关电源。采用单片机为核心的反馈控制系统，利用模糊PID算法并且通过单片机与CPLD的配合可以精确的实现自动控制输出脉冲电压幅值和宽度的大小，且正、负脉冲的幅值不等值，并使其维持在相应的数值上。同时，系统设置了保护电路，对系统电流和电压进行了检测，可以及时的对系统中过流、过压等异常状态进行保护，保证了驱动电路能够准确有效地驱动逆变桥的IGBT管和斩波电路的MOSFET管。在数字PWM芯片中设置相应的逆变频率和死区时间以保证全桥逆变电路和H桥斩波电路安全工作。本发明适用于工业生产及科研院所电镀技术的应用和研究。

Description

基于CPLD控制的双向脉冲电镀开关电源

技术领域

本发明涉及工业生产及科研院所电镀技术的应用和研究。

背景技术

传统的直流电镀是在直流电的作用下阴极周围的电镀液中的金属离子不断沉淀析出，破坏了电镀槽中电解液浓度的均匀性，产生了一定的浓度差。最后导致镀件上氢气析出量增加，镀层质量变坏，使镀层出现针孔，麻点，粗糙和起泡等问题。“定时反电流脉冲”方式，即双向脉冲电镀方式能够很好的解决直流电镀带来的问题。实际上，脉冲电镀可以看成是一种通断直流电镀。正向脉冲过程等同直流电镀；而反相脉冲由于峰值电流较大(为正向2-3倍)，正是这个瞬时高电流度使得金属离子在较高的过电位下还原。当负向电流关断时，阴极附近的金属子浓度又回到初始状态，浓差极化消除，这极大的优化了下一个正向脉冲周期电镀过程。同时反相脉冲还能产生对沉积层有利的重结晶、脱吸附等现象。实践证明，双向脉冲电镀在细化晶层，改善镀层质量，节约贵金属方面有着传统直流电镀不可比拟的优势。

随着电力电子技术的发展，开关电源已成为双向脉冲电源的主流，而开关电源常常使用专用的芯片如TL494、SG3525等来产生PWM波形，并由其通过反馈信号来实现对PWM波形的宽度的调节，从而获得稳定的输出。当控制电路设计完成后，就是一个相对独立的系统，调节、控制方式不能再更改，系统的总体协调功能差。采用单片机+CPLD等并通过编程来实现PWM波形。这种方法仅需要一块芯片就能完成任务，由于使用VHDL编程实现PWM的信号输出，提高占空比的调节精度可以通过改变CPLD外接的晶振的频率来改变，功率开关管的死区时间能够方便的调整，控制精度高。本发明就是基于CPLD控制的双向脉冲电镀开关电源。

发明内容

本发明的目的在于针对以往在实验室及电镀行业直流电镀工艺中存在的不足，即主要是镀层质量变坏等问题，“定时反电流脉冲”方式，即双向脉冲电镀方式能够很好的解决直流电镀带来的问题。利用CPLD实现PWM触发脉冲控制的全桥逆变及斩波电路，能够很好的实现大功率低压大电流的双向脉冲电镀开关电源。这样可以保证电镀水平在细化晶层，改善镀层质量，节约贵金属方面有着传统直流电镀不可比拟的优势。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

利用CPLD实现PWM触发脉冲控制全桥逆变及斩波电路，用CPLD实现PWM触发脉冲，实现主逆变桥的IGBT管和斩波电路的MOSFET管的开通和关断。主逆变桥的功率管开通和关断时间是由测量数据、参数设置、单片机的PID计算来共同决定的，H桥的通断时间可以根据电镀工艺的要求通过单片机的键盘输入进行参数设置，能够实现输出脉冲电压正负脉冲的宽度和幅值可控。CPLD的开发应用是基于Altera公司Quartus II编译环境，利用VHDL语言进行编程并通过Altera公司的EPM7128芯片来实现的。参数的设置是通过OCMJ15X20D液晶屏，触摸屏驱动芯片为ADS7843。

单片机为核心的反馈控制系统，测量电路是通过分流器和分压电路分别对全波整流电路后的直流电流以及H桥的输出电压进行测量，根据测量电路测得的电压、电流参数，传送单片机，利用模糊PID算法并且通过单片机与CPLD之间的数据通信，由单片机把所需产生的PWM脉冲信息传送给CPLD，这样可以精确的控制输出脉冲电压的大小。

保护电路是对电流采样回路和电压采样回路中取得的电流和电压信号，经判断后去控制或封锁逆变桥触发脉冲，从而起到保护电源系统的作用，保证了驱动电路能够准确有效地控制逆变桥的IGBT管和斩波电路的MOSFET管的工作状态。

软件采用模块化设计，主要由PID调节软件设计、触摸屏程序设计、LCD显示字符串子程序、通讯程序等部分组成，能完成参数设置、实时工作电压、工作电流显示等功能。

附图说明

下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。

图1：基于CPLD控制的双向脉冲电镀开关电源的系统框图；

图2：CPLD实现的数字PWM芯片控制信号分配图；

图3：触摸屏及其接口电路；

图4：测量电路图

图5：保护电路图

图6：输出脉冲波形图

图7：主程序流程图；

具体实施方式

由图1系统框图可知，基于CPLD控制的双向脉冲电镀开关电源包括电源主电路、数字PWM脉冲产生电路、单片机电路、测量电路、LCD触摸屏以及电源等几部分组成。其中电源主电路由三相整流桥电路、逆变电路、全波整流电路及H桥斩流电路，能够实现AC-DC-AC-DC-AC，即从三相低频(50Hz)交流电变为直流电，经逆变桥转变为高频(20kHz)交流电，通过高频变压器降压为低压，全波整流为低压直流电以满足电镀所需电压的大小，最后经H桥斩波电路再转换为双向脉冲电源。测量电路测出电压、电流的大小，一方面送给单片机，经计算，传给PWM脉冲产生电路，产生逆变电路和H桥斩波电路的控制信号，并经各自的驱动电路送到逆变电路的控制端；另一方面送给保护电路，对电路起到及时保护的作用。辅助电源电路是给系统提供工作电源的。

PWM脉冲产生电路是由CPLD实现，其控制信号分配图如图2所示。它的外部引脚oc为过流保护控制端；uv为欠压保护控制端。pwm_en为输出PWM脉冲输出的使能控制端。除上述保护信号输入端外，数字PWM芯片控制还有一些控制信号。图中左侧是各种保护信号和控制信号输入控制端，右侧为信号输出控制端。其中clk为时钟信号控制输入端它是整个数字PWM芯片进行计数控制的基准节拍，是整个系统的基础，具有稳定输出和提高精度的作用。ce为片选端，wr为写信号控制端，wid[9..0]是设定双向正负脉冲宽度的数据输入端，可以设置成正负脉冲PWM(pwm3，pwm4)宽度不相同，如图3所示仿真波形，正负脉冲的幅值的大小由width[9..0]设定，当width[9..0]数值不相同时，输出电压的幅值不相同，其值越大，输出的PWM(pwm1，pwm2)脉冲越宽，输出电压越高，要实现正负脉冲不等幅时，可以由输出wid[9..0]设定值和单片共同决定width[9..0]，即正脉冲时，width[9..0]值小，负脉冲时width[9..0]大。右侧pwm1、pwm2、pwm3和pwm4为PWM脉冲输出端，用以输出两路相位差180°驱动脉冲信号。syn_out为输出信号协同控制端，它也是要连接到单片机中用以整个系统的控制的。系统的逆变频率和死区时间决定了双路PWM脉冲的占空比不得超过80％。

电压测量、电流测量电路设计：如图4所示，由于被测对象是双向脉冲低压的脉冲宽度是由触发脉冲PWM(pwm3，pwm4)宽度决定的，其幅值的大小由输入电压(即全波整流输出电压)决定的，因此电压的测量可以直接对整流输出电压进行分压来实现，电镀电流电流值较大且是直流电，因而可以采用分流器来测量，系统中选用的分流器是将1500A的电流转换为75mV的直流电压，然后经过电压放大，得到适合于C8051F020的ADC的输入电压，电路可设计为如图4所示电路。

保护电路设计：如图5所示，这部分电路由LM393芯片组成比较电路，它内部其实是两个比较电路。SCR2组成记忆电路，LED和R25组成显示电路以及D34和R27组成的逻辑电路四个单元构成。当正常工作时输入比较器同相端的电流信号形成的输入电压小于反相端定值电压(即所要求的保护定值电压)，比较器输出低电平，SCR2处于截止状态，过流指示灯LED不亮；当电流信号形成的输入电压大于设定的定值电压(即保护值)时，比较器输出高电平，SCR2导通，点亮过流指示灯LED，并记忆故障信号。同时，通过D34和R27使CPLD的oc端变成高电平，从而数字PWM芯片封锁触发脉冲，保护主电路。电压保护部分与电流相似，SW4为复位按钮。

输出脉冲波形如图6所示。T_W1、T_W2是正负脉冲的宽度，V_M，Vm是正负脉冲的幅值，都可以根据实际生产需求通过外部进行设置。

软件系统设计：程序开发使用的环境是Keil集成开发软件(要安装驱动)，使用C语言进行程序设计，程序设计为模块化设计，这样的结构调试比较方便，其主程序很简洁，流程图如图7所示。系统中选择单片机C8051F020内部的定时器3来实现PID调节相关功能，设计定时时间为5ms，中断600次为一个调节周期(3S)，分辨率为1/600能够达到系统的要求。

Claims

1.一种利用CPLD实现PWM触发脉冲控制的全桥逆变及斩波电路，能够实现大功率低压大电流的双向脉冲电镀开关电源。采用单片机为核心的反馈控制系统，利用模糊PID算法并且通过单片机与CPLD的配合可以精确的实现自动控制输出脉冲电压幅值和宽度的大小，且正、负脉冲的幅值不等值，并使其维持在相应的数值上。同时，系统设置了保护电路，对原边电流和输出电压进行了检测，可以及时的对系统中过流、过压等异常状态进行保护，保证了驱动电路能够准确有效地驱动逆变桥的IGBT管和斩波电路的MOSFET管。在数字PWM芯片中设置相应的逆变频率和死区时间以保证全桥逆变电路和H桥斩波电路安全工作。

2.根据权利要求1所述的基于CPLD控制的双向脉冲电镀开关电源，其特征在于所述利用CPLD实现PWM触发脉冲，实现主逆变桥的IGBT管和斩波电路的MOSFET管的开通和关断。主逆变桥的功率管开通和关断时间是由测量数据、参数设置、单片机的PID计算来共同决定的，H桥的通断时间可以根据电镀工艺的要求通过单片机的键盘输入进行参数设置。

3.根据权利要求1所述的基于CPLD控制的双向脉冲电镀开关电源，其特征在于所述单片机为核心的反馈控制系统，根据测量电路测得的电压、电流参数，通过A/D转换传给单片机，利用模糊PID算法并且通过单片机与CPLD之间的数据通信，由单片机把所需产生的PWM脉冲信息传送给CPLD，这样可以精确的控制输出脉冲电压幅值和宽度的大小。

4.根据权利要求1所述的基于CPLD控制的双向脉冲电镀开关电源，其特征在于系统设置了保护电路，对输出电流和输出电压进行了检测，可以及时的对系统中过流、过压等异常状态进行保护，使CPLD能够关断脉冲的产生，保证了驱动电路能够准确有效地控制逆变桥的IGBT管和斩波电路的MOSFET管的工作状态。

5.根据权利要求1所述的基于CPLD控制的双向脉冲电镀开关电源，其特征在于所述数字PWM芯片中设置相应的逆变频率和死区时间以保证全桥逆变电路和H桥斩波电路安全工作。