基于模糊PID控制的双峰脉冲电镀电源的设计

1　引言     

      电镀可以改善材料外观、提高耐腐蚀性能、抗磨损、减少摩擦、增加硬度,还可以使材料具有特殊的磁、电、光、热和焊接等表面特性以及其它物理性能。根据电镀采用电源电流波形的不同,电镀大致分为直流电镀、周期换向电镀和脉冲电镀等。脉冲电镀是使电镀回路周期性地接通和断开,有三个独立的可调参数(脉冲平均电流密度、导通时间和关断时间)[1],适用于所有镀种。采用脉冲电镀可以提高镀层质量、缩短电镀周期,节约材料,尤其在节约贵金属方面有重大意义。基于此背景,研究了一套具有双峰脉冲电流输出的电镀电源<,它能够比较精确的控制脉冲宽度、频率和幅值,有利于提高镀层质量。

2　系统结构     

      该双峰脉冲电镀电源的系统原理框图如图1所示,由主电路和控制电路两部分组成。主电路包括三相全控整流桥、滤波电路和DC/DC变换电路。三相交流工频电压经过三相全控整流桥变为脉动直流电压,滤波电容将脉动直流电压变为比较平滑的直流电压,再经过DC/DC变换电路转化为矩形波,最后经脉冲变压器输出负载所需的双峰脉冲电流。控制电路主要完成脉冲电流幅值、频率和脉宽的控制以及对电源的保护。

2.1　主电路

      该电源整流部分采用三相全控桥晶闸管整流,其触发脉冲由微机控制部分实现。DC/DC变换电路采用移相控制全桥(Full Bridge,FB)PWM变换器,它是利用变压器的漏感和功率管的寄生电容作为谐振元件,使FB PWM变换器的四个开关管均在零电压条件下导通。与普通的硬开关全桥电路相比,其成本和电路的复杂程度基本没有增加,所不同的是它采用了移相控制,在开关换流时利用谐振实现了开关器件的零电压开启,消除了开关损耗[2]。主电路拓扑如图2所示,图中TP为脉冲变压器,变压器副边抽头在匝数比为1:2处,以实现双峰电流输出。

      图3为该电路的驱动信口。同一桥臂上两个开关管的驱动信号互补,为了防止上下两管同时导通,设置了一定的死区时间。不同桥臂上的驱动信号之间保持一个相位差。在这里,VT1和VT3分别超前VT4和VT2ΔT时间导通。由于采用大电容滤波,所以,FB PWM变换器的输入端可近似看作一恒压源,极性为上正下负。只有在VT1和VT4同时导通,或VT2和VT3同时导通时,变压器才能向副边传递能量。当VT1和VT4同时导通时,脉冲变压器原边电压与恒压源极性相同,VD5导通,VD6截止,流经负载的电流为I1。VT2和VT3同时导通时,脉冲变压器原边电压与恒压源极性相反,VD6导通,VD5截止,流经负载的电流为I2。由于变压器副边抽头在匝数比为1:2处,故2I1=I2,实现了双峰电流输出。图4为输出电流波形。两脉冲的周期、脉宽相等,即T1s=T2s,t1on=t2on。

控制电路     

      控制电路以TI公司的TMS320LF2407DSP为核心,主要完成三相全控整流桥的触发脉冲、DC/DC变换电路中功率管IGBT的驱动信号、输出脉冲电流幅值的检测及其闭环控制、过流过压保护等。

      TMS320LF2407有两个事件管理模块EVA和EVB,在事件管理器模块中,每个比较单元和通用定时器1(EVA模块)或通用定时器3(EVB模块),死区单元及输出逻辑可在两个特定的器件引脚上产生一对具有可编程死区以及输出极性的PWM输出[3]。在每个EV模块中有6个这种与比较单元相关的PWM输出引脚,将其中的4路输出到TMS320LF2407的PWM7 PWM10口,经过74HC02或非门进行逻辑互锁后分别输出到每个IGBT的驱动模块中。

      频率和脉宽由电位器给定,将给定电压信号送给TMS320LF2407的模拟量输入口ADCIN00 AD CIN01,由该芯片内置的模数转换模块ADC将其转换成数字信号后,输出脉冲频率和宽度连续可调的脉冲控制信号。

      电流幅值的控制是通过改变整流桥移相触发角来实现的。将电流幅值的给定信号与反馈信号送入TMS320LF2407进行模糊PID运算,根据其运算结果来控制三相整流桥的移相触发角,以便控制直流电压的大小,最终达到对脉冲电流幅值的闭环控制。

3　控制算法     

      电流幅值的稳定性对镀层质量有着重要作用。电镀过程中负载随电解液的浓度变化,是一个高度非线性、时变的随机不确定过程。为了更好的对电流幅值进行控制,采用模糊PID控制器。

      (1)模糊控制器的结构选二维模糊控制器,输入模糊量为电流幅值误差e和误差变化率Δe,输出模糊量u(k)为晶闸管的移相触发角。                      



其中,KP、KI、KD是PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数;k、j代表第k、j个采样时刻。

      (2)模糊化把误差e、误差变化率Δe、输出变量u(k)都分为负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)七个模糊量。为简化工作量,选隶属度函数为三角形,见图5。

(3)控制规则与模糊推理                    



      模糊控制是通过模糊控制规则实现的。模糊控制规则表达了人对被控对象执行控制时的模糊思维和判别过程。该脉冲电镀电源的控制规则表示为如下形式:                    



      在求取了输入变量对应下的模糊输出Cij之后,可得到一个反映输入变量与输出变量对应关系的元素,可将此元素填入控制表的适当位置,若干次类似的计算,最终得到了整个完善的控制表。根据上述模糊规则进行模糊推理,即可得出输出变量的隶属度函数。

(4)解模糊     

      对上述模糊推理的结果采用重心法反模糊化。所谓重心数法也称力矩法,它对模糊量所含的所有元素求取其重心元素[4]。这个重心元素就是反模糊化后的精确值。     

      重心元素u 的求取公式为:                       



4　实验结果

      根据以上思想设计了脉冲电镀电源。图6和图7是通过示波器测得的输出电流波形,其中,F表示脉冲频率,W表示脉冲宽度,Im为脉冲电流幅值。

5.结论     

      从实验结果可以看出,该脉冲电源的频率在100～200Hz之间连续可调,脉冲宽度在1～4ms之间连续可调,且输出电流为双峰脉冲,满足电镀工艺的要求,为进一步提高镀层质量、延长材料寿命提供了更好的条件。