高精度脈沖電鍍電源控制系統(tǒng)設(shè)計

俞梁英

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用電子系，江蘇蘇州215009）

·設(shè) 備·

高精度脈沖電鍍電源控制系統(tǒng)設(shè)計

俞梁英

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用電子系，江蘇蘇州215009）

為滿足對脈沖電鍍電源控制系統(tǒng)提出的更高要求，兼顧高精度與數(shù)字化控制的要求，設(shè)計出一套以STM32F107芯片作為控制核心的控制系統(tǒng)。通過STM32F107芯片對PWM信號高精度控制及其他外部信號檢測與運算，實現(xiàn)脈沖精確控制、電流檢測與調(diào)控、對復(fù)雜負載自適應(yīng)調(diào)節(jié)，提高脈沖電鍍電源控制系統(tǒng)的控制精度與轉(zhuǎn)換效率。

控制系統(tǒng)；脈沖電鍍電源；控制精度；STM32F107芯片

0 前言

脈沖電鍍電源具有體積小、質(zhì)量輕、性能穩(wěn)定、輸出波形可調(diào)、節(jié)能高效等優(yōu)勢，適用于致密均勻鍍層的制備、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高表面質(zhì)量電鍍及貴金屬電鍍。但在對鍍層厚度、深鍍能力等有著特殊要求的場合，脈沖電鍍電源的應(yīng)用效果不盡理想，其在控制精度和轉(zhuǎn)換效率等方面存在明顯不足［1-4］。

為滿足對脈沖電鍍電源控制系統(tǒng)提出的更高要求，設(shè)計出一套以STM32F107芯片作為控制核心的控制系統(tǒng)。本文主要概述控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，以及借助于STM32F107芯片提高脈沖電鍍電源控制系統(tǒng)控制精度與轉(zhuǎn)換效率的實現(xiàn)形式。

1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1為設(shè)計的高精度脈沖電鍍電源控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由主電路和控制電路構(gòu)成。主電路以工頻三相交流電作為輸入，經(jīng)整流轉(zhuǎn)換為工頻恒壓電源，再依次經(jīng)逆變、恒流和升壓轉(zhuǎn)換為高頻高壓交流電流源，最后經(jīng)整流輸出轉(zhuǎn)換為高頻恒流高壓直流電流源。主電路的拓撲結(jié)構(gòu)由可控開關(guān)器件IGBT組成全橋架構(gòu)。控制電路以STM32F107芯片作為核心，控制方式采用四路PWM脈沖移相控制，能夠?qū)崟r監(jiān)控輸出信號（如脈沖電鍍電流等參數(shù)），并通過檢測值進行PID運算予以實時調(diào)控，實現(xiàn)智能化控制。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 STM32F107芯片外部電路

作為一款高性能嵌入式處理器，STM32F107芯片借助于自帶的高精度計時器，能夠高精度控制PWM信號，對采集到的數(shù)據(jù)做出實時反饋與快速響應(yīng)［5］。

對于STM32F107芯片，由于PWM發(fā)生、AD／ DA轉(zhuǎn)換等功能通過直連引腳的方式可以實現(xiàn)，無需借助于外部電路，因而外部電路主要由電源電路、時鐘電路、下載電路和復(fù)位電路等構(gòu)成。圖2為STM32F107芯片外部電路原理圖。電源電路使用外部接入的DC 5V電源通過轉(zhuǎn)換為芯片提供穩(wěn)定的3.3 V電源，時鐘電路為芯片提供時鐘信號，下載電路和復(fù)位電路則分別用于下載芯片調(diào)試程序和硬件復(fù)位芯片。

2.2 IGBT PWM控制電路

IGBT PWM控制電路采用四路高精度PWM脈沖移相控制，降低開關(guān)損耗，提高轉(zhuǎn)換效率與抗干擾性能。

圖3為IGBT PWM控制電路原理圖。因其余兩路與此相同，故僅示出PWM 1、PWM 2的電路原理圖。如圖3所示，選用HCPL4504快速光耦對PWM控制信號和IGBT光電隔離，其開合延時極短，適用于高頻開合信號。當(dāng)PWM 1輸出高電平時，PWM 2處于低電平狀態(tài)，光耦導(dǎo)通，輸出信號。PWM 1輸出高電平的同時，PWM 2的光耦3腳同樣處于高電平狀態(tài)，避免PWM 1與PWM 2同處高電平的特殊情況下光耦同時導(dǎo)通而導(dǎo)致IGBT接通造成負面影響。采取此硬件互鎖的方式提高控制電路的可靠性與抗干擾性能。

2.3 信號反饋電路

控制系統(tǒng)通過采集反饋信號實時調(diào)節(jié)控制信號，提高控制精度與穩(wěn)定性。圖4為信號反饋電路原理圖。STM32F107芯片自帶14個定時器，因定時器能夠高精度讀取頻率值，故脈沖頻率信號可直接傳輸至芯片。

鑒于電鍍過程需監(jiān)控的參數(shù)較多，加之多是以模擬量的形式反饋，為便于實時且較精確監(jiān)控調(diào)節(jié)，采取壓頻轉(zhuǎn)換電路，信號依次經(jīng)SMAJ15CA放大和LM331轉(zhuǎn)換，以頻率信號形式輸出，再經(jīng)HCPL4504快速光耦隔離輸出。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 IGBT控制PWM脈沖信號發(fā)生器

作為IGBT控制脈沖信號，STM32F107芯片輸出的PWM信號兼具穩(wěn)定性與可靠性。四路PWM信號的頻率可調(diào)且相位差間隔90°，采用STM32F107芯片的高級定時器TIM1輸出嵌入死區(qū)時間的互補PWM信號，利用定時器預(yù)分頻器和RCC時鐘控制預(yù)分頻器調(diào)節(jié)PWM波形的脈沖頻率。控制程序中相應(yīng)配置TIM1的四路PWM輸出引腳模式為復(fù)用輸出模式，并且配置TIM1的分頻比和計數(shù)值、輸出模式和技術(shù)模式，開啟相應(yīng)通道輸出并配置各通道的占空比。開啟OC、OCN，開通時鐘信號，實現(xiàn)TIM1定時。

3.2 頻率計

頻率計模塊用以采集外部經(jīng)轉(zhuǎn)換的頻率信號反饋至系統(tǒng)，通過STM32F107芯片通用定時器完成。定時器捕獲PIN輸入脈沖，通過配置使用濾波測量處于穩(wěn)定狀態(tài)的頻率值，采用設(shè)定數(shù)值的方式，借助計脈沖數(shù)計算獲得脈沖方波頻率［6］。另外，采用中斷方式壓縮系統(tǒng)占用，提高響應(yīng)效率。

3.3 PID調(diào)節(jié)模塊

結(jié)合控制要求及脈沖電鍍電源控制系統(tǒng)的實現(xiàn)形式，選取脈沖頻率作為受控對象。PID調(diào)節(jié)借助于程序?qū)崿F(xiàn)，考慮到STM32F107芯片的性能極限與控制要求，采用增量式PID調(diào)節(jié)，通過控制增量△u（f）值取決于近次f值，即便控制系統(tǒng)故障情況下依然可讀取（n-1）次采樣值進行調(diào)節(jié)，避免u（f）異常波動跳變，保持控制系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語

設(shè)計出一套以STM32F107芯片作為控制核心的控制系統(tǒng)。通過STM32F107芯片對PWM信號高精度控制及其他外部信號檢測與運算，實現(xiàn)脈沖精確控制、電流檢測與調(diào)控、對復(fù)雜負載自適應(yīng)調(diào)節(jié)，提高控制精度與轉(zhuǎn)換效率，滿足對脈沖電鍍電源控制系統(tǒng)提出的更高要求。

［1］ 王興貴，鄒應(yīng)煒，路春英.基于PIC單片機的脈沖電鍍電源控制系統(tǒng)［J］.電氣應(yīng)用，2007，26（9）：84-87.

［2］ 尹電禮，葛長虹.對傳統(tǒng)程序控制脈沖電鍍電源的設(shè)計改進［J］.電子工藝技術(shù)，2006，27（1）：57-59.

［3］ 韓英利，張樹英，董克儉，等.多波形雙脈沖電鍍電源控制器的研究［J］.電工技術(shù)，2007（7）：72-73.

［4］ 徐麗春.高智能監(jiān)控脈沖電鍍電源的研發(fā)與應(yīng)用［J］.制造業(yè)自動化，2013，35（8）：82-85.

［5］ 杜穎財，王希軍，王樹潔，等.增量式編碼器自動檢測系統(tǒng)［J］.電子測量與儀器學(xué)報，2012，26（11）：993-998.

［6］ 王廣雄，何朕.控制系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

Design of High-precision Pulse Electroplating Power Supply Control System

YU Liang-ying
（Department of Applied Electronics，Suzhou Institute of Trade&Commerce，Suzhou 215009，China）

In order to meet high-precision and digital control requirements on pulse electroplating power supply control system，a control system，in which STM32F107 chip adopted as the control core，was designed.Accuracy control of pulse，detecting and regulating of current，and adaptive control of complex load，were realized by using STM32F107 chip to control PWM signal and detect and calculate other external signals，and thus improve the control accuracy and transfer efficiency of pulse electroplating power supply control system.

control system；pulse electroplating power supply；control accuracy；STM32F107 chip

TN 86 文獻標志碼：A 文章編號：1000-4742（2015）06-0042-04

2015-06-22

蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院一般自然科學(xué)基金項目“小功率無線輸電裝置的研究與設(shè)計”（No.KY-ZR1409）