数字单脉冲电源控制器的的设计毕业论文(编辑修改稿)

数字单脉冲电源控制器的的设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

节的重新审视，使得新型电镀产业的形成已经是 迫在眉睫。 我们不仅要解决电镀镀层质量的高要求，还要在低功耗、低污染等方面面临着很大压力。 但其在工业、生活等方面的重要地位却是无法取代的。 近来 ，在电子器件、航空工业、高性能仪表制造、装饰品等方面，人们对镀层性能、种类等电镀工艺的要求越来越高，包括在电源波形、频率、控制、保护等方面的要求更为严格。 电镀电源作为电镀中的核心部件，也得到了充分的发展。 从早期的蓄电池组和直流发电机，到之后的晒整流器、硅整流器和可控硅电源设备，发展到现在出现了开关电源等新型直流电源设备。 在供电方式上，以前多采用直流电，现在为提高镀层质量，常采用周期换向电流、交直流叠加和脉冲电源等 [2]。 而脉冲电源在镀层质量、镀层能力、电镀效率等方面与传统的直流电镀相比有着明显的优势，为电镀 技术的发展开辟了新的途径，并且带来了巨大的经济效益和环境效益。 由此我们可以看出电镀电源的整体趋势则是低能耗、无电网污染、高可靠、小体积、高性能和多功能 [3]。 在研究和推广上，数字脉冲电源采用数字控制，直观简单，是我们研究和应用的焦点。 研究目的及意义 在电镀工业的实际生产中，人们广泛采用改进电镀电源的方法来提高电镀的性能。 在波形上，我们有周期换向电流、交直流叠加和脉冲电源等，而脉冲电源具有体积小、性能优越、纹波系数小、不易受输出电流影响的特征。 通过推广脉冲电源，将促成电镀工业的一场革命。 它主要用于电 镀金、银、镍、锡、合金，可以明显改善镀层的功能性；而用于防护 装饰性电镀（如装饰金）时，可使镀层色泽均匀一致，亮度好，耐蚀性强；脉冲电源用于贵金属提纯时，贵金属的纯度更高 [4]。 这说明脉冲电源远远优于传统的电镀电源，是电镀电源的发展方向。 3 3 电镀电源的整体趋势是低能耗、无电网污染、高可靠、小体积、高性能和多功能。 脉冲电源不仅在功能上有着突出的优势，在环保、效率等方面也是相当有效的一种电源方式。 因为脉冲电源波形特点，能搞有效地得到纯度较高的镀层，并且有效地节约了贵重金属，带来很大的经济效益和环境效益。 研究内容 本文主要集中在脉冲电源的讨论与研究，并以数字单脉冲电源作为切入点。 通过其参数特性说明了其在电镀中的优点。 在结构上，数字脉冲电源主要由供电电源、数字控制器、开关管和负载构成 [5]。 而数字控制器恰恰是核心部分，而我们所要讨论的弱电部分也是数字控制器部分。 由此我们在构建一个可以控制大功率开关管的斩波控制系统，以设置我们所需要的参数，并将得到的脉冲驱动信号来控制斩波电路，即可得到电镀所需的脉冲信号输出。 有了一个研究方向和目标后，我们开始设计了双 CPU的系统，用来达到刚才所述的指标。 一个完整、可实施的系统 同时需要输入电路和显示电路，并且需要必要的控制设备。 这就是主系统的设计目标。 从系统则是通过产生经过设置参数的脉冲，并经过光电隔离和放大后，就是我们所能得到的驱动信号。 而斩波系统我们在此不再进行赘述。 4 4 第 2 章 电镀与脉冲电源 电镀原理及改进方法 电镀采用电化学的方法（电解原理）使金属离子还原为金属 ,并在金属或非金属制品表面形成符合要求的平滑、致密的金属覆盖层（金属或合金，如锌、镉、金或铜等），以达到防护性、功能性、装饰性等目的 [6]。 其工作原理图如图 ： 图 21 电镀工作原理图 把要 镀上去的金属（镀层金属）接在阳极，待镀的金属制品（镀件）接在阴极，并且正负极以镀上去的金属的正离子组成的电解质溶液相连，这就 5 5 构成了电镀的基本装置。 在阴极，金属离子 Mn+从阴极上获得 n 个电子，还原成金属 M。 另一方面，在阳极界面上则发生金属 M 的溶解，释放 n 个电子生成金属离子 Mn+。 这就是电镀镀层的实现过程 [6]。 但是目前电镀技术仍存在某些缺陷，例如加工时间长、镀层厚度均匀性差、镀层容易出现缺陷以及存在较大的内应力等等。 这就不能满足时代的需求，例如很多精密制造的需要。 从电镀的基本原理上看，改进镀层质量可以从 2方面入手：调整电镀溶液；改进电镀电源。 现实生产中电镀电源成为人们广泛关注和改善的焦点 [6]。 电镀电源是电镀生产中的主要设备，可向镀槽的阴阳两极提供具有一定电压、电流和频率等符合工艺要求的输出波形，保证不同镀层的性能要求。 随着技术的进步与成熟，改进电镀电源既能提高有效控制电镀进程，又能改善镀层的物理化学特性，可谓一举两得。 而这就需要我们知道电镀电源在电镀中的角色及工作原理。 脉冲电源及其特性 随着电镀工艺的迅速发展，新的电镀工艺从波形、频率、自动控制、综合功能等方面对电镀电源提出了更高的要求。 目前 ，普遍采用的电镀电源按波形可分为脉动直流电源、周期换向电源、单向脉冲电源、换向脉冲电源等，以满足不同的电镀工艺需求。 脉冲电源信号是直流调制的结果，是一种通、断或起、伏的直流电源信号。 脉冲电源是与传统的直流电源相比的。 脉冲电源电流波形有方波、正弦半波、锯齿波、等多种形式，一般镀单金属以方波脉冲（数字单脉冲）电流波为好 [7]。 脉冲电镀不仅可以调节波形还可以调节参数。 传统的直流电源信号只有一个参数，不能达到生产中各种电镀指标要求。 数字脉冲电流波形有 6 6 多个参数可被调节，能满足人们不同的需求，因而在实际生产中得到广 泛应用。 脉冲电源在类型上包括数字脉冲电源和模拟脉冲电源。 目前数字脉冲电源是最先进的电镀电源，也是电镀电源的发展发向。 因为数字脉冲电源驱动波形规整，对提高电镀质量十分有利；并且采用数字调控，直观简单；波形调节范围宽；温度漂移系数小，能长期稳定连续运行 [7]。 这在很大程度上满足了不同的镀层需求。 为此我们将又数字脉冲电源作为切入点。 数字脉冲电源又分为双脉冲电源和单脉冲电源 2种。 双脉冲电源信号虽然更有利于电镀质量的提高，但是相比较而言，在要求不是很高且分析简单的情况下，单脉冲信号作为最基本的脉冲形式，在波形 、控制等方面更是易于获得和实现，成为实验研究及实际生产的得力助手。 因而我们在本文以下内容中的讨论就以数字单脉冲电源为切入点。 7 7 第 3 章 数字单脉冲电源的性能分析及设计要求 数字单脉冲电源 数字单脉冲是电流方向不随时间改变的方波脉冲，我们之后将要讨论的就是如何得到该种脉冲波用于电镀。 首先，数字单脉冲电源输出波形如图 所示： ItO 图 31 数字单脉冲电源输出波形 8 8 经过开关管后的直流信号在数字控制器的调制下得 到了我们所需要的数字单脉冲信号。 数字控制器部分是本系统的核心部分，也是我们研究的对象。 数字脉冲电源即采用微处理器（ CPU）等数字电路对斩波低纹波直流得到的脉冲电流进行控制并实现数字显示与数字调节的一种脉冲电源。 根据定义得到数字单脉冲电源的原理示意图如图 32所示： 图 32 数字单脉冲电源原理示意图 9 9 其中数字单脉冲的产生环节有底纹波直流源、斩波系统、斩波控制系统、脉冲电源 4个环节。 电镀应用系统则包括镀缸生产、辅助控制及保护、输出调节 3个环节 分解后的数字脉冲电源原理示意图如图 33所示： 低 波 纹 直 流 源斩 波 系 统调 制 后 的 脉 冲电 源镀 缸 产 生调 节 输 出 系统辅 助 控 制 及保 护斩 波 控 制 系统 图 33 数字脉冲电源原理示意图 其中数字单脉冲的产生环节有底纹波直流源、斩波系统、斩波控制系统、脉冲电源 4个环节。 电镀应用系统则包括镀缸生产、辅助控制及保护、输出调节 3个 环节。 下面我们将对相关环节进行介绍和分析。 （ 1）低纹波直流源（作为电镀电源）：发展历程为直流电机、硅整流器、可控硅整流器、开关电源 4个发展阶段。 其中可控硅整流器正被广泛应用，而开关电源则是电镀电源的一次重大突破，其作为理想的直流源，应用前景广阔。 10 10 （ 2）斩波系统：原来一条直线 的电源 ,被线路 斩 成了一块一块的脉冲。 目前 ,大多数斩波系统利用大功率的开关管 IGBT（开关管：一种三极管，主要用于电路关与通的转换）对直流电源进行斩波 ,以输出数字脉冲用于电镀[8]。 （ 3）辅助控制及保护系统：主要包括温控系统以及短路保护、过流保护系统等。 （ 4）斩波控制系统：包括频率、占空比调节、电镀时间等，决定了斩波电路能否得到我们所需的波形。 这也正是我们本文所要解决的问题。 11 11 数字单脉冲电源的参数 正是因为脉冲电源可以调节占空比和频率，才使得它能满足不同需求 和指标，在生产和实验中得以被广泛采用，所以我们现在要通过认识其参数，以此为基础来设计方案。 通过下面所示的脉冲波形图，我们可以看出数字单脉冲电源有 3个独立的参数：脉冲电流密度 J 、导通时间 ont 、关断时间 oft。 如图 34所示： 图中所示参数： ont 是脉冲电流导通时间； oft 是脉冲电流断电时间； T offon tt  是脉冲周期； J 是电流密度； pI 是电流峰值。 如图 34所示： 图 34 数字单脉冲波形 12 12 由此我们可以推导出以下参数： 脉冲占空比  （导通时间 ont 占周期 T 的百分比）为%100 o ffon onTT T (1) 脉冲频率 f ： )(1 HzTf  (2) 电流密度 J 、电流峰值 pI 和占空比  三者之间的关系：  PIJ。 这是因为在一个周期内，电流在 ont 内连通，在 oft 内为 0，可知 J 是一个平均值。 在实际生产中，频率是一个关键的参数。 根据频率大小的不同可 以分为高频 （ ≥5000Hz） 、中频 （ 500~5000Hz） 和低频 （ ≤500Hz） 3种类型 [9]。 高频和低频都会影响电镀效果，因而在实际生产中多采用中频脉冲电源。 但在本文中，我们采用低频率即可满足实验方案。 13 13 脉冲电源电镀（脉冲电镀）的工作原理 在这里我们通过直流电镀和脉冲电镀的比较来说明脉冲电镀的基本原理。 直流电镀中 ,镀液中的金属离子在阴极附近溶液中不断被消耗 ,造成了阴极处被镀金属离子与溶液中被镀金属离子的浓度出现差值。 这种差别随着电流密度的增大而加大，当阴极附近液溶液中的金属离 子浓度降到 0时 ,就达到了极限电流密度 ,传质过程完全受到扩散控制。 这就导致电流密度 J 不能达到所需的值，影响电镀速度和效率。 脉冲电镀中 ,由于关断期 oft 的存在 ,阴极附近被消耗的金属离子可以利用这段时间进行扩散、补充，使金属离子浓度提升进而为导通期的快速消耗做准备；当下一导通期 ont 到来时 ,阴极附近的金属离子浓度得到恢复 ,因而可以使用较高的电流密度。 因此脉冲电镀导通期 ont 时间内，峰值电流是直流电流（平均电流）的几倍甚至几十倍， 正是这个瞬时高电流密度使金属离子在极高的过电位下还原 ,从而使沉积层晶粒变细 高电流密度促使晶体形成的速度远远高于晶体长大的速度 ,使镀层结晶细化 ,排列紧密 ,孔隙减小，形成结晶细致均匀的镀层 [9]。 每个周期循环如此，构成了脉冲电镀的原理及过程。 因此 ,我们可以看出脉冲电镀有以下几点主要 优势 [10]： ① 电镀时的高电流密度可以得到细致的结晶镀层，提高硬度、韧度等； ② 镀液浓度差得到间期恢复，镀液分散能力改善，可以得到均匀性好的镀层，并且加快了电镀速度； ③ 关断期内吸脱附现象的存在，可以使吸附在阴极的不溶性杂质及氢等脱落，提高镀层纯度，减轻氢脆影响，提高机械强度。 14 14 设计要求 本系统的设计要求通过以下性能指标来实现，如表 ： 表 系统性能指标 供电电源 三相 ,50Hz,380V177。 15% 输出峰值电流 4~40A，连续可调 输出峰值电压 3~30V,连续可调 脉冲频 率 1~10kHz，可调 脉冲占空比 0~100%，可调 ont ~ oft ~ 电流电压波形 脉冲 输出显示 电压、电流同时 LED 数码管显示 工作方式 恒流 /恒压任选 电镀时间 t 键盘设定， 0~9999s 15 15 第四章 系统 方案设计 根据前几章对数字单脉冲电源及其应用原理的介绍，我们开始沿着第三章 的数字脉冲电源原理框图来设计其核心部分 —— 数字控制器电路，来得到数字单脉冲的驱动信号。 但是首先要解决本电路系统中的核心问题 —— 定时，即 :。