一种正反换向脉冲电源的控制方法
【专利摘要】本申请公开了一种正反换向脉冲电源的控制方法，包括采用多元混合控制单元接收反馈单元反馈的信号，并根据反馈信号计算、合成混合控制信号；驱动单元根据接收到的混合控制信号驱动H桥式电路的高速开关器件形成脉冲；整形电路对H桥式电路输出的脉冲进行滤波还原处理，获得所需的频率、占空比、幅度的脉冲。本申请的脉冲电源控制方法，控制系统结构简单、控制精度高、抗干扰能力强、响应速度快。H桥式电路输出脉冲的频率、占空比和幅度并经整形电路进行整形，避免输出大的波动对电镀设备及电镀产品造成伤害，同时，实现了正反脉冲频率、占空比、正脉冲幅度、反脉冲幅度分别可调且同时可变、可无扰切换。
【专利说明】一种正反换向脉冲电源的控制方法
【技术领域】
[0001]本申请电源【技术领域】，特别涉及一种正反换向脉冲电源的控制方法。
【背景技术】
[0002]整流电源为电子线路板电镀或金属材料表面电镀处理提供直流电。随着复杂度，厚度，路径密度的不断增加，以及孔径和路径宽度的变小，传统的直流电镀变得越来越困难，甚至导致不良品。为了平衡在表面，特别在孔和微孔中电镀，迫使降低电流密度，但是这样会延长电镀时间，电镀时间到了难以接受的地步。随着正反换向脉冲电源和适合于电镀过程的化学组成的到来，缩短电镀时间成为了现实。由于正反换向脉冲电源较普通整流电源复杂得多，控制系统也相应的庞大而且复杂得多。随着控制系统元件数目的增加，周边组件的体积也相应增加，分布参数影响较大，难以避免元件间相互干扰，从而影响设备的可靠性。由于电镀需要正反换向脉冲电源频率、占空比、正脉冲幅度、反脉冲幅度分别可调且要同时可变，并且要无扰切换，避免输出大的波动对电镀设备及电镀产品造成伤害，普通的控制系统难以实现。
【发明内容】
[0003]本申请提供了一种能够频率、占空比、正脉冲幅度、反脉冲幅度分别可调且同时可变可切换的正反换向脉冲电源的控制方法。
[0004]本申请可以通过采取以下技术方案予以实现:
一种正反换向脉冲电源的控制方法，包括采用多元混合控制单元接收反馈单元反馈的信号，并根据反馈信号计算、合成混合控制信号；驱动单元接收多元混合控制单元发出的混合控制信号，并根据该混合控制信号驱动H桥式电路的高速开关器件形成脉冲；整形电路对H桥式电路输出的脉冲进行滤波还原处理，获得所需的频率、占空比、幅度的脉冲。
[0005]进一步的，本申请的正反换向脉冲电源的控制方法中，其混合控制信号的生成方法具体包括，混合控制单元先将接收到的反馈信号分离成内部可识别的正/负脉冲幅度、脉冲频率、脉冲占空比，再根据分离出的正/负脉冲幅度经过PID计算和变频PWM计算，生成可变频率的PWM脉冲，根据反馈的脉冲频率和脉冲占空比经PID计算输出的目标频率、占空比脉冲，将可变频率的PWM脉冲和目标频率、占空比脉冲混合生成正反互斥的调制脉冲波，即混合控制信号。
[0006]本申请中，可变频的PWM脉冲用于修正脉冲幅度。目标频率、占空比脉冲用于对输出频率、占空比进行修正。
[0007]进一步的，本申请的一种实现方式中，可变频率的PWM脉冲大于正/反脉冲要求频率最大值的10倍。
[0008]本申请的控制方法中，H桥式电路的高速开关器件采用能够在脉冲电源最快频率50倍以上的开关频率下可靠工作的高速开关器件。
[0009]本申请中，整形电路对H桥式电路输出的脉冲进行滤波还原处理的实现方式包括，采用至少一个整形电感用以对大能量的调制波进行滤波还原成需要的正反脉冲。
[0010]由于采用以上技术方案，本申请的有益效果在于:
本申请的正反换向脉冲电源的控制方法，其控制系统结构简单、控制精度高、抗干扰能力强、响应速度快。通过多元混合控制单元控制H桥式电路输出脉冲的频率、占空比和幅度并经整形电路进行整形，避免输出大的波动对电镀设备及电镀产品造成伤害，同时，实现了正反脉冲频率、占空比、正脉冲幅度、反脉冲幅度分别可调且同时可变、可无扰切换。采用本申请的控制方法，能够有效的减少控制元件数目，降低控制系统的复杂度，保证设备的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
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[0017]图图。
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[0022]图
[0023]图1是本申请实施例的正反换向脉冲电源的电路框图。
2是本申请实施例的正反换向脉冲电源的多元混合控制单元的电路图。
3是本申请实施例的正反换向脉冲电源的多元混合控制单元的另一电路图。
4是本申请实施例的正反换向脉冲电源的多元混合控制单元的另一电路图。
5是本申请实施例的正反换向脉冲电源的直流电源的电路图。
6是本申请实施例的正反换向脉冲电源的驱动单元的电路图。
7是本申请实施例的正反换向脉冲电源的H桥式电路、整形电路和负载的接线
8是本申请实施例的正反换向脉冲电源的电流反馈电路图。
9是本申请实施例的正反换向脉冲电源的电压反馈电路图。
10是本申请实施例的多元混合控制单元的结构框图。
11是本申请实施例的直流电源的结构框图。
12是本申请实施例的正反换向脉冲电源的通讯接口的电路图。
13是本申请实施例的正反换向脉冲电源的控制方法的流程框图。
【具体实施方式】
[0024]本申请的关键在于，对现有的正反换向脉冲电源进行改进，在改进的正反换向脉冲电源的基础上提出了本申请的正反换向脉冲电源的控制方法。
[0025]本申请改进的正反换向脉冲电源包括直流电源、H桥式电路、整形电路、负载、多元混合控制单元、驱动单元、反馈单元和上位机，直流电源与H桥式电路的输入端连接，整形电路串接负载后接在H桥式电路的输出端连接，多元混合控制单元通过驱动单元与H桥式电路的控制端连接，负载通过反馈单元与多元混合控制单元连接，多元混合控制单元通过通讯接口与上位机连接。其中直流电源为开关电源或工频电源，可采取以下结构:直流电源包括三相降压变压器、整流模块和滤波电容，三相降压变压器的输入端与交流电连接，其输出端与整流模块的输入端连接，滤波电容并在整流模块的输出端形成滤波电路，整形电路串接负载后接在滤波电路的两端。
[0026]在上述改进的正反换向脉冲电源基础上，提出了本申请的控制方法，包括:采用多元混合控制单元接收反馈单元反馈的信号，并根据反馈信号计算、合成混合控制信号；驱动单元接收多元混合控制单元发出的混合控制信号，并根据该混合控制信号驱动H桥式电路的高速开关器件形成脉冲；整形电路对H桥式电路输出的脉冲进行滤波还原处理，获得所需的频率、占空比、幅度的脉冲。
[0027]以下结合附图对本申请的最佳实施方式作详细描述。
[0028]如图1所示，本申请的正反换向脉冲电源包括直流电源1、11桥式电路2、整形电路3、负载4、多元混合控制单元5、驱动单元6、反馈单元7和上位机9。直流电源I与H桥式电路2的输入端连接，整形电路3串接负载4后接在H桥式电路2的输出端连接，多元混合控制单元5通过驱动单元6与H桥式电路2的控制端连接,负载4通过反馈单元7与多元混合控制单元5连接，多元混合控制单元5通过通讯接口 8与上位机9连接，多元混合控制单元6将混合控制信号发送给驱动单元6，驱动单元6根据混合控制信号控制H桥式电路2输出脉冲的频率、占空比和幅度并经整形电路3进行整形，给负载4提供需求的频率、占空比和幅度；反馈单元7实时监测提供给负载4的脉冲，并将监测信号反馈给多元混合控制单元5，多元混合控制单元5经过计算，合成混合控制信号，再经驱动单元6调节H桥式电路2的输出，以实时的修正脉冲的频率、占空比和幅度。上位机通过通讯接口将外部信息输送到多元混合控制单元。
[0029]多元混合控制单元5是本申请的控制方法的核心，多元混合控制单元5采用ALTERA公司的CYCL0NE3型FPGA，FPGA内嵌一个单片机核，内嵌的单片机主要用于分项PID计算及其他辅助计算，逻辑电路部分主要负责脉冲形成、脉冲合成等功能，这里面还采用了一种特殊的算法实现变频PWM计算。同时,FPGA还外接一个单片机,用于通讯,将上位机的命令转给FPGA，并将FPGA的处理信息传给上位机。多元混合控制单元5的内部结构如图10所示，正幅度处理51接收正幅度给定及正幅度反馈，经PID计算、变频PWM计算，生成变频PWM脉冲；反幅度处理53功能与正幅度处理51相同；频率、占空比处理52，接收频率、占空比给定及其反馈，经PID计算输出调整后的频率、占空比脉冲；脉冲合成处理54负责将正、反变频PWM脉冲与调整后的频率、占空比脉冲合成,生成互斥的正混合、反混合脉冲；反馈检测分离处理55负责将接收到的反馈信号分离出正脉冲幅度、反脉冲幅度、频率、占空比等信号量，即正幅度反馈、反幅度反馈、频率占空比反馈，这些反馈信号分别发送给正幅度处理51、反幅度处理53和频率、占空比处理52。
[0030]本申请的多元混合控制单元的电路图如图2至图4所示，P300-P301、P303-P310、P312-P321共20个端子，每个端子对应一个驱动模块；P302为输入信号连接端子，P311为控制单元电源端子；FPGA芯片是多元混合控制单元的核心，内部嵌有一个单片机用于实时数据计算，其中，ADC_AD[11..0]为与ADC接口数据地址线，ADC_CLK_A为ADC提供时钟。ADBUS_S0 - ADBUS_S7, PC7_S 为与外接单片机接口，Apu[9..0]、Apd[9..0]、Anu [9..0]、And [9..0]、Bpu [9..0]、Bpd [9..0]、Bnu [9..0]、Bnd [9..0]信号分别与外引端子 P300-P301、P303-P310、P312-P321 连接。
[0031]本申请的直流电源1，如图11所示，采用三相降压不可控整流电路，包括三相降压变压器11、三相不可控整流模块12、滤波模块13。三相降压变压器11将三相380V交流电降低经三相不可控整流模块12整流后变成频率为300Hz的直流电，直流电经滤波模块13后实现减小电流、电压的波动量，将脉动直流变换成恒定直流。
[0032]本申请的直流电源I的电路图如图5所示，本申请的直流电源I采用开关电源或工频电源，其主要与三相交流电连接的三相降压变压器T100、由二极管D100-D105构成的整流模块和滤波电容C100，整流模块的输入端与三相降压变压器TlOO的输出端连接，滤波电容ClOO并在整流模块的输出端，A、B、C三相交流电接进三相降压变压器TlOO的原边，在变压器的次边得到低压交流电，经由D100-D105组成的三相不可控整流模块整流，电容ClOO滤波后输出上正下负直流。
[0033]如图6所示，本申请的驱动单元6由四个相同的驱动电路构成，在此仅描述其中一个，该驱动电路主要由芯片U I构成,其信号输入端与多兀混合控制单兀的一输出端连接，其信号输出端与H桥式电路连接。驱动单元6对来自多元混合控制单元5的混合控制信号进行隔离、功率放大输出分别送到H桥式电路2中的四只高速开关管。
[0034]如图7所示，本申请的H桥式电路与整形电路、负载的接线模块包括场效应管Q1-Q4、电流传感器CT、负载RL1、电感LI，场效应管Ql、Q2的漏极共接接点J I，场效应管Q3、Q4的源极共接到接点J2，场效应管Ql的源极和场效应管Q2的漏极共接地，场效应管Q2的源极和场效应管Q4的漏极共接地，电流传感器CT左串接负载RLl和电感LI后接在场效应管Ql的源极，传感器CT右边连接在场效应管Q2的源极处，场效应管Q1-Q4的栅极分别与驱动单元的一路驱动电路连接，其中，JU J2分别接可调直流电源的正、负极，电容C9对输入电源进行滤波，场效应管Q1、Q4组成正向管，场效应管Q2、Q3组成反向管，电感L I作为整形电路；当场效应管Ql、Q4导通时，场效应管Q2、Q3截止，电流由Al+流经场效应管Q1、LUAO+端、负载RLl、电流传感器CT、A0-端、场效应管Q4、流出到Al-端，形成正向电流；当场效应管Q2、Q3导通时，场效应管Ql、Q4截止，电流由Al+流经场效应管Q2、AO-端、电流传感器CT、负载RLl、AO+端、L1、Q3、流出到Al-端，形成反向电流。本申请的一种实现方式中，场效应管Q1-Q4的四只高速开关管采用高速MOS管；作为整形电路的电感LI是经过精心计算电感量的电感，用来将设定频率10倍以上频率的脉冲整成平滑的直流，将正脉冲部分整成正的直流，反脉冲部分整成反的直流，而保留设定频率的脉冲，从而实现在负载两端得到所需的频率、占空比、幅度的正反脉冲。
[0035]本申请的反馈单元采集负载两端的电压及流经负载的电流，通过信号调理电路、模/数转换电路、信号隔离电路后的数字量送到多元混合控制单元中。本申请的反馈单元的电路图如图8、图9所示，包括电流反馈电路，图8，和电压反馈电路，图9，其中，电流反馈电路主要由接线端子P20、电阻R22、R21、R24、VR20、R23、电容C21、C22、变压器T20、运放电路U20构成，功率单元中的电流传感器采用输出为电流型的，多个传感器的输出可以直接并联在端子P20的1、4脚，传感器的输出电流流经电阻R22，在电阻R22上产生电压信号，该电压信号再经电容C21、C22、变压器T20共模抑制电路，再经电阻R21、R24、VR20、R23到高速运放U20，U20是一个射极跟随电路，进行阻抗变换，将电流反馈信号送到高速ADC进行采样，ADC通过ADC_AD0 - ADC_AD11数据地址线将采样结果送到FPGA中。而电压反馈电路，图9，的上部分为正向脉冲电压检测电路，下部分为反向脉冲检测电路，正向与反向检测电路只是在信号的输入端反接这里只介绍正向检测电路。负载两端的电压反馈信号接进P40端子，电容C43、变压器T40、电容C44构成共模抑制，经电阻R40、电阻R43、电容C47、变电阻VR40、电容C51调理后送到隔离运放U41，U41的输出经射极跟随器U40后送到多元混合控制单元。
[0036]本申请中，通讯接口 8负责将上位机下传的频率、占空比、幅度等信号量转给多元混合控制单元5，并将多元混合控制单元5的检测的信号量、状态量上传给上位机。上位机负责下传频率、占空比、幅度等信号量，显示频率、占空比、幅度可调正反换向脉冲电源的工况、状态等。通讯接口的电路图如图12所示，其中，P200为外接通讯接口端子。
[0037]本申请通过多元混合控制单元控制H桥式电路输出脉冲的频率、占空比和幅度并经整形电路进行整形，避免输出大的波动对电镀设备及电镀产品造成伤害，同时实现频率、占空比、正脉冲幅度、反脉冲幅度分别可调且同时可变可切换，减少控制元件数目及降低控制系统的复杂度，保证设备的可靠性。
[0038]在上述本申请的正反换向脉冲电源的基础上，本申请的控制方法，如图13所示，首先，通过通讯接口上位机下传频率、占空比、正脉冲幅度、负脉冲幅度等控制信号给多元混合控制单元，同时，上位机也接收多元混合控制单元经过通讯接口上传的脉冲工况信息；多元混合控制单元将上位机给定的频率、占空比、正脉冲幅度、负脉冲幅度等信号暂存，同时，多元混合控制单元的反馈检测分离将反馈信号分离成可识别的频率、占空比、正脉冲幅度、负脉冲幅度等信号量，并缓存；多元混合控制单元的正幅度处理将给定的正脉冲幅度和反馈的正脉冲幅度进行比较，经PID计算、变频PWM计算，生成正向的变频PWM脉冲，反幅度处理将给定的负脉冲幅度和反馈的负脉冲幅度进行比较，经PID计算、变频PWM计算，生成反向的变频PWM脉冲，频率、占空比处理将给定的频率、占空比和反馈的频率、占空比进行比较，经PID计算输出调整后的目标频率、占空比脉冲，脉冲合成处理将生成的正向变频PWM脉冲、反向变频PWM脉冲和目标频率、占空比脉冲合成生成互斥的正混合、反混合脉冲，即混合控制信号，并将该混合控制信号发送给驱动单元；驱动单元将正混合、反混合脉冲功率放大，分别发送给H桥式电路的的正向开关管和反向开关管，H桥式电路从直流电源中汲取能量，将正混合脉冲、反混合脉冲分别进行功率放大后送到整形电路中；整形电路将大能量的正混合、反混合脉冲分别整形,整成需要的频率、占空比、正脉冲幅度、负脉冲幅度的正负脉冲；反馈单元采集负载两端的电压及流经负载的电流，并转成数字量反馈给多元混合控制单元，多元混合控制单元根据反馈的信号，计算、生成并输出前述的混合控制信号，从而实现正反脉冲频率、占空比、正脉冲幅度、反脉冲幅度分别可调且同时可变、可无扰切换的功能。
[0039]采用本申请的控制方法，能够有效的减少控制元件数目，降低控制系统的复杂度，保证设备的可靠性。
[0040]惟以上所述者，仅为本申请之较佳实施例而已，当然不能以此限定本申请实施之范围，即大凡依本申请权利要求及申请说明书所记载的内容所作出简单的等效变化与修饰，皆仍属本申请权利要求所涵盖范围之内。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本申请之权利范围。
【权利要求】
1.一种正反换向脉冲电源的控制方法，其特征在于:包括采用多元混合控制单元接收反馈单元反馈的信号，并根据反馈信号计算、合成混合控制信号；驱动单元接收多元混合控制单元发出的混合控制信号，并根据该混合控制信号驱动H桥式电路的高速开关器件形成脉冲；整形电路对H桥式电路输出的脉冲进行滤波还原处理，获得所需的频率、占空比、幅度的脉冲。
2.根据权利要求1所述的正反换向脉冲电源的控制方法，其特征在于:所述混合控制信号的生成方法具体包括，混合控制单元先将接收到的反馈信号分离成内部可识别的正/负脉冲幅度、脉冲频率、脉冲占空比，再根据分离出的正/负脉冲幅度经过PID计算和变频PWM计算，生成可变频率的PWM脉冲，根据反馈的脉冲频率和脉冲占空比经PID计算输出的目标频率、占空比脉冲,将所述可变频率的PWM脉冲和所述目标频率、占空比脉冲混合生成正反互斥的调制脉冲波，即混合控制信号。
3.根据权利要求2所述的正反换向脉冲电源的控制方法，其特征在于:所述可变频的PWM脉冲用于修正脉冲幅度。
4.根据权利要求2所述的正反换向脉冲电源的控制方法，其特征在于:所述目标频率、占空比脉冲用于对输出频率、占空比进行修正。
5.根据权利要求2所述的正反换向脉冲电源的控制方法，其特征在于:所述可变频率的PWM脉冲大于正/反脉冲要求频率最大值的10倍。
6.根据权利要求1所述的正反换向脉冲电源的控制方法，其特征在于:所述H桥式电路的高速开关器件能够在脉冲电源最快频率50倍以上的开关频率下可靠工作。
7.根据权利要求1所述的正反换向脉冲电源的控制方法，其特征在于:所述整形电路含有至少一个电感，用于对H桥式电路输出的脉冲进行滤波还原处理。
【文档编号】H02M9/02GK103441697SQ201310363790
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月20日 优先权日:2013年8月20日
【发明者】黄瑞炉, 张洪强, 黄海波, 丁少云 申请人:东莞市力与源电器设备有限公司