專利名稱：基于cpld控制的雙向脈沖電鍍開關(guān)電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)生產(chǎn)及科研院所電鍍技術(shù)的應(yīng)用和研究。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的直流電鍍是在直流電的作用下陰極周圍的電鍍液中的金屬離子不斷沉淀析出，破壞了電鍍槽中電解液濃度的均勻性，產(chǎn)生了一定的濃度差。最后導致鍍件上氫氣析出量增加，鍍層質(zhì)量變壞，使鍍層出現(xiàn)針孔，麻點，粗糙和起泡等問題?！岸〞r反電流脈沖”方式，即雙向脈沖電鍍方式能夠很好的解決直流電鍍帶來的問題。實際上，脈沖電鍍可以看成是一種通斷直流電鍍。正向脈沖過程等同直流電鍍；而反相脈沖由于峰值電流較大(為正向2-3倍)，正是這個瞬時高電流度使得金屬離子在較高的過電位下還原。當負向電流關(guān)斷時，陰極附近的金屬子濃度又回到初始狀態(tài)，濃差極化消除，這極大的優(yōu)化了下一個正向脈 沖周期電鍍過程。同時反相脈沖還能產(chǎn)生對沉積層有利的重結(jié)晶、脫吸附等現(xiàn)象。實踐證明，雙向脈沖電鍍在細化晶層，改善鍍層質(zhì)量，節(jié)約貴金屬方面有著傳統(tǒng)直流電鍍不可比擬的優(yōu)勢。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源已成為雙向脈沖電源的主流，而開關(guān)電源常常使用專用的芯片如TL494、SG3525等來產(chǎn)生PWM波形，并由其通過反饋信號來實現(xiàn)對PWM波形的寬度的調(diào)節(jié)，從而獲得穩(wěn)定的輸出。當控制電路設(shè)計完成后，就是一個相對獨立的系統(tǒng)，調(diào)節(jié)、控制方式不能再更改，系統(tǒng)的總體協(xié)調(diào)功能差。采用單片機+CPLD等并通過編程來實現(xiàn)PWM波形。這種方法僅需要一塊芯片就能完成任務(wù)，由于使用VHDL編程實現(xiàn)PWM的信號輸出，提高占空比的調(diào)節(jié)精度可以通過改變CPLD外接的晶振的頻率來改變，功率開關(guān)管的死區(qū)時間能夠方便的調(diào)整，控制精度高。本發(fā)明就是基于CPLD控制的雙向脈沖電鍍開關(guān)電源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對以往在實驗室及電鍍行業(yè)直流電鍍工藝中存在的不足，即主要是鍍層質(zhì)量變壞等問題，“定時反電流脈沖”方式，即雙向脈沖電鍍方式能夠很好的解決直流電鍍帶來的問題。利用CPLD實現(xiàn)PWM觸發(fā)脈沖控制的全橋逆變及斬波電路，能夠很好的實現(xiàn)大功率低壓大電流的雙向脈沖電鍍開關(guān)電源。這樣可以保證電鍍水平在細化晶層，改善鍍層質(zhì)量，節(jié)約貴金屬方面有著傳統(tǒng)直流電鍍不可比擬的優(yōu)勢。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案本發(fā)明公布了一種利用CPLD實現(xiàn)PWM觸發(fā)脈沖控制的全橋逆變及斬波電路，能夠?qū)崿F(xiàn)大功率低壓大電流的雙向脈沖電鍍開關(guān)電源。采用單片機為核心的反饋控制系統(tǒng)，利用模糊PID算法并且通過單片機與CPLD的配合可以精確的實現(xiàn)自動控制輸出脈沖電壓幅值和寬度的大小，且正、負脈沖的幅值不等值，并使其維持在相應(yīng)的數(shù)值上。同時，系統(tǒng)設(shè)置了保護電路，對系統(tǒng)電流和電壓進行了檢測，可以及時的對系統(tǒng)中過流、過壓等異常狀態(tài)進行保護，保證了驅(qū)動電路能夠準確有效地驅(qū)動逆變橋的IGBT管和斬波電路的MOSFET管。在數(shù)字PWM芯片中設(shè)置相應(yīng)的逆變頻率和死區(qū)時間以保證全橋逆變電路和H橋斬波電路安全工作。本發(fā)明適用于工業(yè)生產(chǎn)及科研院所電鍍技術(shù)的應(yīng)用和研究。利用CPLD實現(xiàn)PWM觸發(fā)脈沖控制全橋逆變及斬波電路，用CPLD實現(xiàn)PWM觸發(fā)脈沖，實現(xiàn)主逆變橋的IGBT管和斬波電路的MOSFET管的開通和關(guān)斷。主逆變橋的功率管開通和關(guān)斷時間是由測量數(shù)據(jù)、參數(shù)設(shè)置、單片機的PID計算來共同決定的，H橋的通斷時間可以根據(jù)電鍍工藝的要求通過單片機的鍵盤輸入進行參數(shù)設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出脈沖電壓正負脈沖的寬度和幅值可控。CPLD的開發(fā)應(yīng)用是基于Altera公司Quartus II編譯環(huán)境，利用VHDL語言進行編程并通過Altera公司的EPM7128芯片來實現(xiàn)的。參數(shù)的設(shè)置是通過0CMJ15X20D液晶屏，觸摸屏驅(qū)動芯片為ADS7843。單片機為核心的反饋控制系統(tǒng)，測量電路是通過分流器和分壓電路分別對全波整流電路后的直流電流以及H橋的輸出電壓進行測量，根據(jù)測量電路測得的電壓、電流參數(shù)，傳送單片機，利用模糊PID算法并且通過單片機與CPLD之間的數(shù)據(jù)通信，由單片機把所需產(chǎn)生的PWM脈沖信息傳送給CPLD，這樣可以精確的控制輸出脈沖電壓的大小。
保護電路是對電流采樣回路和電壓采樣回路中取得的電流和電壓信號，經(jīng)判斷后去控制或封鎖逆變橋觸發(fā)脈沖，從而起到保護電源系統(tǒng)的作用，保證了驅(qū)動電路能夠準確有效地控制逆變橋的IGBT管和斬波電路的MOSFET管的工作狀態(tài)。軟件采用模塊化設(shè)計，主要由PID調(diào)節(jié)軟件設(shè)計、觸摸屏程序設(shè)計、LCD顯示字符串子程序、通訊程序等部分組成，能完成參數(shù)設(shè)置、實時工作電壓、工作電流顯示等功能。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實施方式
進行詳細說明。圖I :基于CPLD控制的雙向脈沖電鍍開關(guān)電源的系統(tǒng)框圖；圖2 =CPLD實現(xiàn)的數(shù)字PWM芯片控制信號分配圖；圖3 :觸摸屏及其接口電路；圖4:測量電路5:保護電路6:輸出脈沖波形7 :主程序流程具體實施例方式由圖I系統(tǒng)框圖可知，基于CPLD控制的雙向脈沖電鍍開關(guān)電源包括電源主電路、數(shù)字PWM脈沖產(chǎn)生電路、單片機電路、測量電路、LCD觸摸屏以及電源等幾部分組成。其中電源主電路由三相整流橋電路、逆變電路、全波整流電路及H橋斬流電路，能夠?qū)崿F(xiàn)AC-DC-AC-DC-AC，即從三相低頻(50Hz)交流電變?yōu)橹绷麟?，?jīng)逆變橋轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l(20kHz)交流電，通過高頻變壓器降壓為低壓，全波整流為低壓直流電以滿足電鍍所需電壓的大小，最后經(jīng)H橋斬波電路再轉(zhuǎn)換為雙向脈沖電源。測量電路測出電壓、電流的大小，一方面送給單片機，經(jīng)計算，傳給PWM脈沖產(chǎn)生電路，產(chǎn)生逆變電路和H橋斬波電路的控制信號，并經(jīng)各自的驅(qū)動電路送到逆變電路的控制端；另一方面送給保護電路，對電路起到及時保護的作用。輔助電源電路是給系統(tǒng)提供工作電源的。
PWM脈沖產(chǎn)生電路是由CPLD實現(xiàn)，其控制信號分配圖如圖2所示。它的外部引腳OC為過流保護控制端；uv為欠壓保護控制端。pwm_en為輸出PWM脈沖輸出的使能控制端。除上述保護信號輸入端外，數(shù)字PWM芯片控制還有一些控制信號。圖中左側(cè)是各種保護信號和控制信號輸入控制端，右側(cè)為信號輸出控制端。其中elk為時鐘信號控制輸入端它是整個數(shù)字PWM芯片進行計數(shù)控制的基準節(jié)拍，是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，具有穩(wěn)定輸出和提高精度的作用。ce為片選端，wr為寫信號控制端，wid[9.. O]是設(shè)定雙向正負脈沖寬度的數(shù)據(jù)輸入端，可以設(shè)置成正負脈沖PWM(pwm3，pwm4)寬度不相同，如圖3所示仿真波形，正負脈沖的幅值的大小由width[9. . O]設(shè)定，當width[9. . O]數(shù)值不相同時,輸出電壓的幅值不相同，其值越大，輸出的PWM(pwml, pwm2)脈沖越寬,輸出電壓越高,要實現(xiàn)正負脈沖不等幅時,可以由輸出wid[9. . O]設(shè)定值和單片共同決定width[9. . O]，即正脈沖時，width[9. . O]值小，負脈沖時width [9. · O]大。右側(cè)pwml、pwm2、pwm3和pwm4為PWM脈沖輸出端,用以輸出兩路相位差180°驅(qū)動脈沖信號。syn_out為輸出信號協(xié)同控制端，它也是要連接到單片機中用以整個系統(tǒng)的控制的。系統(tǒng)的逆變頻率和死區(qū)時間決定了雙路PWM脈沖的占空比不得超過 80%。 電壓測量、電流測量電路設(shè)計如圖4所示，由于被測對象是雙向脈沖低壓的脈沖寬度是由觸發(fā)脈沖PWM(pwm3，pwm4)寬度決定的，其幅值的大小由輸入電壓(即全波整流輸出電壓)決定的，因此電壓的測量可以直接對整流輸出電壓進行分壓來實現(xiàn)，電鍍電流電流值較大且是直流電，因而可以采用分流器來測量，系統(tǒng)中選用的分流器是將1500A的電流轉(zhuǎn)換為75mV的直流電壓，然后經(jīng)過電壓放大，得到適合于C8051F020的ADC的輸入電壓，電路可設(shè)計為如圖4所示電路。保護電路設(shè)計如圖5所示，這部分電路由LM393芯片組成比較電路，它內(nèi)部其實是兩個比較電路。SCR2組成記憶電路，LED和R25組成顯示電路以及D34和R27組成的邏輯電路四個單元構(gòu)成。當正常工作時輸入比較器同相端的電流信號形成的輸入電壓小于反相端定值電壓(即所要求的保護定值電壓)，比較器輸出低電平，SCR2處于截止狀態(tài)，過流指示燈LED不亮；當電流信號形成的輸入電壓大于設(shè)定的定值電壓(即保護值)時，比較器輸出高電平，SCR2導通，點亮過流指示燈LED，并記憶故障信號。同時，通過D34和R27使CPLD的Oc端變成高電平，從而數(shù)字PWM芯片封鎖觸發(fā)脈沖，保護主電路。電壓保護部分與電流相似，SW4為復位按鈕。輸出脈沖波形如圖6所示。Tffl, Tff2是正負脈沖的寬度，VM, Vm是正負脈沖的幅值，都可以根據(jù)實際生產(chǎn)需求通過外部進行設(shè)置。軟件系統(tǒng)設(shè)計程序開發(fā)使用的環(huán)境是Keil集成開發(fā)軟件(要安裝驅(qū)動)，使用C語言進行程序設(shè)計，程序設(shè)計為模塊化設(shè)計，這樣的結(jié)構(gòu)調(diào)試比較方便，其主程序很簡潔，流程圖如圖7所示。系統(tǒng)中選擇單片機C8051F020內(nèi)部的定時器3來實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)相關(guān)功能，設(shè)計定時時間為5ms，中斷600次為一個調(diào)節(jié)周期(3S)，分辨率為1/600能夠達到系統(tǒng)的要求。
權(quán)利要求
1.一種利用CPLD實現(xiàn)PWM觸發(fā)脈沖控制的全橋逆變及斬波電路，能夠?qū)崿F(xiàn)大功率低壓大電流的雙向脈沖電鍍開關(guān)電源。采用單片機為核心的反饋控制系統(tǒng)，利用模糊PID算法并且通過單片機與CPLD的配合可以精確的實現(xiàn)自動控制輸出脈沖電壓幅值和寬度的大小，且正、負脈沖的幅值不等值，并使其維持在相應(yīng)的數(shù)值上。同時，系統(tǒng)設(shè)置了保護電路，對原邊電流和輸出電壓進行了檢測，可以及時的對系統(tǒng)中過流、過壓等異常狀態(tài)進行保護，保證了驅(qū)動電路能夠準確有效地驅(qū)動逆變橋的IGBT管和斬波電路的MOSFET管。在數(shù)字PWM芯片中設(shè)置相應(yīng)的逆變頻率和死區(qū)時間以保證全橋逆變電路和H橋斬波電路安全工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于CPLD控制的雙向脈沖電鍍開關(guān)電源，其特征在于所述利用CPLD實現(xiàn)PWM觸發(fā)脈沖，實現(xiàn)主逆變橋的IGBT管和斬波電路的MOSFET管的開通和關(guān)斷。主逆變橋的功率管開通和關(guān)斷時間是由測量數(shù)據(jù)、參數(shù)設(shè)置、單片機的PID計算來共同決定的，H橋的通斷時間可以根據(jù)電鍍工藝的要求通過單片機的鍵盤輸入進行參數(shù)設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于CPLD控制的雙向脈沖電鍍開關(guān)電源，其特征在于所述單片機為核心的反饋控制系統(tǒng)，根據(jù)測量電路測得的電壓、電流參數(shù)，通過A/D轉(zhuǎn)換傳給單片機，利用模糊PID算法并且通過單片機與CPLD之間的數(shù)據(jù)通信，由單片機把所需產(chǎn)生的PWM脈沖信息傳送給CPLD，這樣可以精確的控制輸出脈沖電壓幅值和寬度的大小。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于CPLD控制的雙向脈沖電鍍開關(guān)電源，其特征在于系統(tǒng)設(shè)置了保護電路，對輸出電流和輸出電壓進行了檢測，可以及時的對系統(tǒng)中過流、過壓等異常狀態(tài)進行保護，使CPLD能夠關(guān)斷脈沖的產(chǎn)生，保證了驅(qū)動電路能夠準確有效地控制逆變橋的IGBT管和斬波電路的MOSFET管的工作狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于CPLD控制的雙向脈沖電鍍開關(guān)電源，其特征在于所述數(shù)字PWM芯片中設(shè)置相應(yīng)的逆變頻率和死區(qū)時間以保證全橋逆變電路和H橋斬波電路安全工作。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種利用CPLD實現(xiàn)PWM觸發(fā)脈沖控制的全橋逆變及斬波電路，能夠?qū)崿F(xiàn)大功率低壓大電流的雙向脈沖電鍍開關(guān)電源。采用單片機為核心的反饋控制系統(tǒng)，利用模糊PID算法并且通過單片機與CPLD的配合可以精確的實現(xiàn)自動控制輸出脈沖電壓幅值和寬度的大小，且正、負脈沖的幅值不等值，并使其維持在相應(yīng)的數(shù)值上。同時，系統(tǒng)設(shè)置了保護電路，對系統(tǒng)電流和電壓進行了檢測，可以及時的對系統(tǒng)中過流、過壓等異常狀態(tài)進行保護，保證了驅(qū)動電路能夠準確有效地驅(qū)動逆變橋的IGBT管和斬波電路的MOSFET管。在數(shù)字PWM芯片中設(shè)置相應(yīng)的逆變頻率和死區(qū)時間以保證全橋逆變電路和H橋斬波電路安全工作。本發(fā)明適用于工業(yè)生產(chǎn)及科研院所電鍍技術(shù)的應(yīng)用和研究。
文檔編號H02M9/06GK102904477SQ20121035043
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月5日
發(fā)明者孫宏國, 周云龍, 吳俊 , 李愛琴, 胡國文, 陳松 申請人:鹽城工學院