高精度脉冲电镀电源控制系统设计

俞梁英

（苏州经贸职业技术学院应用电子系，江苏苏州215009）

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高精度脉冲电镀电源控制系统设计

俞梁英

（苏州经贸职业技术学院应用电子系，江苏苏州215009）

为满足对脉冲电镀电源控制系统提出的更高要求，兼顾高精度与数字化控制的要求，设计出一套以STM32F107芯片作为控制核心的控制系统。通过STM32F107芯片对PWM信号高精度控制及其他外部信号检测与运算，实现脉冲精确控制、电流检测与调控、对复杂负载自适应调节，提高脉冲电镀电源控制系统的控制精度与转换效率。

控制系统；脉冲电镀电源；控制精度；STM32F107芯片

0 前言

脉冲电镀电源具有体积小、质量轻、性能稳定、输出波形可调、节能高效等优势，适用于致密均匀镀层的制备、复杂结构的高表面质量电镀及贵金属电镀。但在对镀层厚度、深镀能力等有着特殊要求的场合，脉冲电镀电源的应用效果不尽理想，其在控制精度和转换效率等方面存在明显不足［1-4］。

为满足对脉冲电镀电源控制系统提出的更高要求，设计出一套以STM32F107芯片作为控制核心的控制系统。本文主要概述控制系统的总体结构，以及借助于STM32F107芯片提高脉冲电镀电源控制系统控制精度与转换效率的实现形式。

1 控制系统总体结构

图1为设计的高精度脉冲电镀电源控制系统总体结构。系统由主电路和控制电路构成。主电路以工频三相交流电作为输入，经整流转换为工频恒压电源，再依次经逆变、恒流和升压转换为高频高压交流电流源，最后经整流输出转换为高频恒流高压直流电流源。主电路的拓扑结构由可控开关器件IGBT组成全桥架构。控制电路以STM32F107芯片作为核心，控制方式采用四路PWM脉冲移相控制，能够实时监控输出信号（如脉冲电镀电流等参数），并通过检测值进行PID运算予以实时调控，实现智能化控制。

2 控制系统硬件设计

2.1 STM32F107芯片外部电路

作为一款高性能嵌入式处理器，STM32F107芯片借助于自带的高精度计时器，能够高精度控制PWM信号，对采集到的数据做出实时反馈与快速响应［5］。

对于STM32F107芯片，由于PWM发生、AD／ DA转换等功能通过直连引脚的方式可以实现，无需借助于外部电路，因而外部电路主要由电源电路、时钟电路、下载电路和复位电路等构成。图2为STM32F107芯片外部电路原理图。电源电路使用外部接入的DC 5V电源通过转换为芯片提供稳定的3.3 V电源，时钟电路为芯片提供时钟信号，下载电路和复位电路则分别用于下载芯片调试程序和硬件复位芯片。

2.2 IGBT PWM控制电路

IGBT PWM控制电路采用四路高精度PWM脉冲移相控制，降低开关损耗，提高转换效率与抗干扰性能。

图3为IGBT PWM控制电路原理图。因其余两路与此相同，故仅示出PWM 1、PWM 2的电路原理图。如图3所示，选用HCPL4504快速光耦对PWM控制信号和IGBT光电隔离，其开合延时极短，适用于高频开合信号。当PWM 1输出高电平时，PWM 2处于低电平状态，光耦导通，输出信号。PWM 1输出高电平的同时，PWM 2的光耦3脚同样处于高电平状态，避免PWM 1与PWM 2同处高电平的特殊情况下光耦同时导通而导致IGBT接通造成负面影响。采取此硬件互锁的方式提高控制电路的可靠性与抗干扰性能。

2.3 信号反馈电路

控制系统通过采集反馈信号实时调节控制信号，提高控制精度与稳定性。图4为信号反馈电路原理图。STM32F107芯片自带14个定时器，因定时器能够高精度读取频率值，故脉冲频率信号可直接传输至芯片。

鉴于电镀过程需监控的参数较多，加之多是以模拟量的形式反馈，为便于实时且较精确监控调节，采取压频转换电路，信号依次经SMAJ15CA放大和LM331转换，以频率信号形式输出，再经HCPL4504快速光耦隔离输出。

3 控制系统软件设计

3.1 IGBT控制PWM脉冲信号发生器

作为IGBT控制脉冲信号，STM32F107芯片输出的PWM信号兼具稳定性与可靠性。四路PWM信号的频率可调且相位差间隔90°，采用STM32F107芯片的高级定时器TIM1输出嵌入死区时间的互补PWM信号，利用定时器预分频器和RCC时钟控制预分频器调节PWM波形的脉冲频率。控制程序中相应配置TIM1的四路PWM输出引脚模式为复用输出模式，并且配置TIM1的分频比和计数值、输出模式和技术模式，开启相应通道输出并配置各通道的占空比。开启OC、OCN，开通时钟信号，实现TIM1定时。

3.2 频率计

频率计模块用以采集外部经转换的频率信号反馈至系统，通过STM32F107芯片通用定时器完成。定时器捕获PIN输入脉冲，通过配置使用滤波测量处于稳定状态的频率值，采用设定数值的方式，借助计脉冲数计算获得脉冲方波频率［6］。另外，采用中断方式压缩系统占用，提高响应效率。

3.3 PID调节模块

结合控制要求及脉冲电镀电源控制系统的实现形式，选取脉冲频率作为受控对象。PID调节借助于程序实现，考虑到STM32F107芯片的性能极限与控制要求，采用增量式PID调节，通过控制增量△u（f）值取决于近次f值，即便控制系统故障情况下依然可读取（n-1）次采样值进行调节，避免u（f）异常波动跳变，保持控制系统的稳定状态。

4 结语

设计出一套以STM32F107芯片作为控制核心的控制系统。通过STM32F107芯片对PWM信号高精度控制及其他外部信号检测与运算，实现脉冲精确控制、电流检测与调控、对复杂负载自适应调节，提高控制精度与转换效率，满足对脉冲电镀电源控制系统提出的更高要求。

［1］ 王兴贵，邹应炜，路春英.基于PIC单片机的脉冲电镀电源控制系统［J］.电气应用，2007，26（9）：84-87.

［2］ 尹电礼，葛长虹.对传统程序控制脉冲电镀电源的设计改进［J］.电子工艺技术，2006，27（1）：57-59.

［3］ 韩英利，张树英，董克俭，等.多波形双脉冲电镀电源控制器的研究［J］.电工技术，2007（7）：72-73.

［4］ 徐丽春.高智能监控脉冲电镀电源的研发与应用［J］.制造业自动化，2013，35（8）：82-85.

［5］ 杜颖财，王希军，王树洁，等.增量式编码器自动检测系统［J］.电子测量与仪器学报，2012，26（11）：993-998.

［6］ 王广雄，何朕.控制系统设计［M］.北京：清华大学出版社，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 文献标志码：A 文章编号：1000-4742（2015）06-0042-04

2015-06-22

苏州经贸职业技术学院一般自然科学基金项目“小功率无线输电装置的研究与设计”（No.KY-ZR1409）