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1、摘要本文针对目前电镀电源在我国的发展速度很快，以及脉冲电镀电源与直流电镀电源有很多优点对脉冲电镀电源进行设计。本设计首先从脉冲电镀电源的技术性能指标出发，设计了主电路，其中包括整流电路、滤波电路、斩波电路等。其次，根据主电路的特点，设计了控制电路的硬件和软件，控制电路核心采用SPCE061A单片机来实现。控制电路主要完成对晶闸管触发角的控制、功率开关管IGBT的开关频率和占空比的控制，还有电流反馈的闭环控制。其中，电流反馈的闭环控制，采用数字PID控制算法。关键词:脉冲电源 三相整流 直流斩波 滤波AbstractAccording to the fast development of the
2、 electroplating power in our country ,and there being many advantages of the pulse electroplating power and direct current electroplating power, the pulse electroplating power is designed in this design.This design being firstly from the beginning of the technical specifications of the pulse electro
3、plating power, design the main circuit that includes rectifier, filter,chopper,and so on.Secondly, according to the characteristics of the main circuit ,the control circuit is designed. The core of the control circuit is based on the single chip computerSPCE061A. And the tasks of the control circuit
4、 are to control the thyristors trigger angle ,and the switching frequency of the IGBT ,and the duty ratio,still and the closed loop control of the current feedback.The closed loop control of the current feedback adopts the digital PID control.Keywords: Pulse power,Threephase rectifier, DC Chopping ,
5、Filtering 目 录第1章 绪论11.1 电镀电源的发展阶段11.2 脉冲电镀电源的优点21.3 本设计的内容2第2章 电源总体方案的确定42.1 概述42.2 脉冲电源工作原理和系统组成4第3章 主电路的设计63.1 系统的主电路拓扑结构63.2 整流电路的设计73.2.1 整流电路方案的确定73.2.2整流变压器的设计93.2.3晶闸管的选择103.2.4晶闸管的保护113.3中间滤波电路的设计163.4斩波电路的设计173.4.1斩波电路的选择173.4.2功率开关器件的选择183.4.3 IGBT的保护193.4.4 吸收电路参数计算21第4章 控制电路的设计244.1 SPCE
6、061A单片机概述254.2 零电压检测电路的设计294.3 过电流检测及保护电路314.3.1 电流检测314.3.2 电流采样电路324.3.3 过电流保护电路324.4 晶闸管驱动电路的设计334.4.1 晶闸管驱动信号要求334.4.2 晶闸管驱动电路344.5 IGBT驱动电路的设计344.5.1 IGBT的驱动电路的要求344.5.2 IGBT驱动电路354.6 辅助电源的设计38第5章 软件设计395.1 主程序设计395.2 外部中断程序的设计395.3 AD转换程序的设计405.4 电流采样程序的设计415.5 晶闸管触发程序的设计425.6 定时器中断程序的设计435.7
7、PID控制程序的设计43设计总结52参考文献53英文资料原文54英文资料译文63致谢72附录73第1章 绪论1.1 电镀电源的发展阶段就电镀电源技术来讲，电镀电源的发展经历了4个阶段：直流发电机组、不可控整流器、晶闸管整流、高频开关电源。1交-直流发电机组50年代的电镀电源主要是交-直流发电机组，即用交流电机带动直流电机，产生直流电压电流。若想调节直流发电机的输出，则把直流发电机的输出作为采样信号，调节交流电机转速以改变直流输出。这种系统始于前苏联；由于具有较高的可靠性，曾一度占据电镀行业的统治地位。但是经过两次的能量转换，机组的效率低，噪音大且直流电机维修不方便。这类变流设备在有些行业已被国
8、家明令为淘汰产品，但电镀行业仍有少数单位在使用这种高能耗的变流设备。2不可控硒或硅整流器（带饱和电抗器或者磁放大器）60年代发展了硒、硅整流器，它采用变压器原边抽头或者用调压器、饱和电抗方式调压，副边用硒或硅二极管整流作为电镀电源。虽然在技术上比“交-直发电机组有了一定的进步，但由于在控制上需要用电机或人力去拖动自耦变压器的调压端，很不方便。这类电源在我国电镀电源生产中所占比例不轻，据1988年的不完善统计就占到76%，如GDA、GDAJ-F、GDS等系列。该列电源结构简单、造价低，但重量大、体积大、效率不高、功率因数也不高，难以实现高精度的控制。3 晶闸管相控电镀电源70年代出现的晶闸管相控
9、电镀电源具有体积小、重量轻、效率高，控制方便等一系列优点。它的出现使得整个电化学工业的面目焕然一新。晶闸管相控电镀电源，在电路结构上主要有两种形式：一是利用晶闸管在供品变压器的原边进行调压，然后在副边用硅二极管整流；二是直接用晶闸管在供品变压器副边进行调压整流。不论哪种形式，都把成熟的调压控制原理通过电子电路，运用到对晶闸管导通角的控制中，使得晶闸管相控电镀电源的输出特性大大的优于以往的产品。在额定负载情况下，往往能获得令人满意的精度，波纹系数和效率。特别是在效率上，比过去的产品有了显著提高。功率容量的范围也很宽。这些优良特性使得它已经出现，便成为直流电镀电源的主流。至今国内大量使用的仍是一这
10、种电源为主（如ZDDKF系列、KGD系列等），国外工业化国家多在中大、大功率范围使用（如日本Sanrex的MRS-PR系列，瑞典HBQ系列等），我们把它称为第三代滞留电镀电源。4高频开关电源 运用比较成熟的共模滤波器的设计技术，开关期间所产生高频干扰可以被有效的抑制，从而达到电磁兼容(EMC)要求。软开关技术经过多年的发展，现在已经成功的应用到高频开关电源的设计中。基于软开关技术的开关电源利用本身寄生参数或者进行适当调整产生谐振，是开关期间达到零电压开通或者零电流关断，减小开通或关断损耗。从而为开关电源向更高频化发展打下了良好的基础。这样一来就会产生一个良性循环：变压器、滤波电感体积可以进一步
11、减小。特别是现代大容量电力电子器件(IGBT) 的出现，使得开关电源在中、大频率领域的发展前景一片光明。因此，大功率开关电源必将成为电镀电源的最佳选择。1.2 脉冲电镀电源的优点在我国，电镀行业发展较快，随着市场对电镀产品的提高，电镀工艺对电源的要求也越来越高。开关电源产品由于其具有体积小，重量轻，节能节材，调节精度高，易于控制等诸多优点，正逐渐被广大用户所采用。脉冲电镀电源作为开关电源的衍生产品，其应用于电镀与直流电镀相比有如下优点：首先，脉冲电源可通过控制输出电压的波形、频率和占空比及平均电流密度等参数改变金属离子的电沉积过程，使电沉积过程在很宽的范围内变化，从而在某种镀液中获得具有一定特
12、性的镀层。其次，脉冲电镀不仅能提高镀层的质量，缩短电镀周期，节约能源，而且能节约贵金属。据估计脉冲电源用于贵金属电镀，可以节约成本30%左右，它在普通金属电镀以及Al、Mg及合金的阳极氧化等方面也起着越来越重要的作用。 1.3 本设计的内容本设计完成脉冲电源的设计，其性能指标如下：（1）输入参数 电压：3AC 380V 50HZ（2）输出参数 脉冲电流频率：10001500HZ连续可调 脉冲电流幅值：1000A 输出电压：010V 脉宽：1020S连续可调 频率误差：0.5% 脉宽误差：1% 幅值误差：0.3% 输出电流波形如图1-1:图1-1 电流输出波形图 第2章 电源总体方案的确定2.1
13、 概述设计合理的方案、有效可靠的电路和先进的系统控制算法是脉冲电源总体设计的主要任务，本章分析了脉冲电镀电源的组成和工作原理。该电源将三相380V的交流电经过整流、滤波、斩波等主要环节得到规定要求的脉冲电流，且脉冲电流的脉宽和频率可以在规定范围内连续可调，并通过控制三相整流桥的移相角，对脉冲电流幅值进行闭环调节。2.2 脉冲电源工作原理和系统组成图 2-1 脉冲电源原理框图根据脉冲电源系统的组成原理给出脉冲电源的工作原理略图，如图2-1所示。把脉冲电源分为主电路和控制电路两部分。其中，主电路包括整流电路、滤波电路和斩波电路。在一般全桥或者半桥直流电源中，都是将电网电压不可控整流后的直流电压经过
14、变压器升压或者降压，然后再整流得到隔离的直流输出电压。本设计的脉冲电源可以在上述直流电源的基础上实现。设计逆变型脉冲电源系统由三大部分组成：（1）采取可控整流，使输出的脉冲电流峰值可调。（2）由于电源输出电流比较大，采用带脉冲变压器的斩波电路。（3）控制电路是系统的核心，它包括主电路功率器件需要的驱动脉冲生成、控制算法、信号采样及处理等。第3章 主电路的设计电源技术要求来看，要实现脉冲电源输出电流的频率、占空比等参数调节范围宽，必定使电路复杂化、造价高、可靠性降低。因此，设计实用、可靠且便宜的电源是选择方案的基本出发点。本章将简述脉冲电镀电源电源的主电路结构、参数选择计算。3.1 系统的主电路拓扑结构主电路包括整流、滤波、斩波电路，主要任务是输出符合要求的脉冲电流波形。其电路如图3-1：图 3-1 主电路图3.2 整流电路的设计3.2.1 整流电路方案的确定整流电路主要是把三相交流电变为直流电，根据需要可选三相半波可控整流电路和三相桥式全控整流电路。三相半波可控整流电路只用三个晶闸管，接线和控制都很简单，但要输出相同的Ud时，晶闸管承受的正、反向电压都较高，且整流变压器二次侧绕组一周期仅导电120，绕组利用率低，绕组中电流为单方向，存在直流分量，使铁芯直流磁化，产生较大的漏磁通，引起附加损耗。工业中广泛应用的三相桥式全控整流电
