基于DSP的智能型ZVS软开关电镀电源设计(1)
２００８机电工程技术年第３７卷第１０
期基于ＤＳＰ的智能型ＺＶＳ软开关电镀电源设计觹
周慧峰１，李远波１，张永俊１，郭钟宁１，张剑硕２
（１．广东工业大学机电工程学院，广东广州５１０００６；２．番禺职业技术学院，广东广州５１１４８３）
觹广州市番禺区科技计划项目（编号：２００６－Ｚ－２６－１）
开关管带并联辅助网络的零电压全桥软开关电路拓扑，具有节能增效、，得到了全桥移相ＰＷＭ波形的输出，。
；辅助网络；全桥软开关；ＤＳＰ控制
文献标识码：Ａ文章编号：１００９－９４９２(２００８)１０－００５９－０３
１引言
电镀是对材料基体表面进行装饰、防护以及获得某些
特殊性能的一种表面工程技术。而电源是电镀加工设备的
核心部分，其输出波形、电流、电压、稳压精度以及保护
功能等参数，对电镀加工的精度、表面质量、稳定性和经
济性起着决定性的作用。电镀电源经历了４代发展：直流
发电机组、不可控硅整流器、可控硅整流器以及高频开关
逆变电源，前３种因为设备过于笨重庞大，同时产生严重
的电磁干扰噪声，影响镀层质量的提高，已逐渐被后者所
取代［１］。现在常规的高频开关电镀电源控制中，功率器件
工作于硬开关状态，当工作频率进一步提高，开关损耗将增大并且使电源效率降低［２］。同时，随着对电镀电源可靠
性和绿色化的要求更加严格，传统的模拟控制硬开关电镀
电源已经开始不能满足业界的需求，电镀电源继续朝着高
频高效化、数字化、智能化和绿色化的方向发展。
本文提出了一种基于ＤＳＰ的大功率智能型高频软开关
电镀电源，其主电路采用带辅助谐振网络的ＺＶＳ移相全桥
软开关ＰＷＭＤＣ／ＤＣ变换器，并以ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ为核心
控制芯片，实现了该新型软开关电镀电源的全数字化控制。２系统总体结构原理图系统总体结构如图１所示，硬件结构由主电路和控制
电路组成。
控制系统采用ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ，其内部集
成了带乘法器的实时处理ＣＰＵ内核，包括事件管理器、ＡＤ模块等的控制外设功能，以及高达３２ｋ字×１６位的
Ｆｌａｓｈ处程序存储器和２．５ｋ字×１６位的数据／程序ＲＡＭ，这
大大简化了软硬件设计难度，相比传统硬开关电镀电源模拟控制系统具有灵活性好、精度高、可靠性高、一致性与重复性好、抗干扰性强等显著优点，可实现模糊控制等智能控制方法。３带辅助网络的主电路拓扑结构本文采用了一种新的变换器拓扑，如图２中虚线框所示，在超前臂与滞后臂各并联一组辅助谐振网络。
以超前臂为例，两个辅助电容Ｃａ１和Ｃａ２容量很大，
构成两个电压源，其电压均为输入电压的一半，即１Ｖｉｎ，当Ｑ２导通时，加在辅助电感Ｌａ１上的电压为１Ｖｉｎ，其电流线性增加；当Ｑ１导通时，加在辅助电感Ｌａ１上的电压为－１２Ｖｉｎ，其电流线性减小，
电流波形如图３所示。当功图１电源系统总体结构原理图
研究与开发
２００８机电工程技术年第３７卷第１０期
（ｂ）负载电流采样反馈电路图４电镀电源实时采样电路
图２全桥零电压软开关电路原理图
图３辅助网络Ｌａ１电流波形
率管开关时，该电流与原边电流同时给开关管的并联电容
（与结电容）充放电，即相互增强，这就是电流增强原理，
使得电源在较宽的负载范围内实现ＺＶＳ软开关。辅助电路
与主功率回路并联，结构简洁，原理简单，易于设计，且
辅助电路的电流、电压应力较小，并与负载无关，相比普
通ＺＶＳ软开关电路，大大减小了副边占空比的丢失，提高
了原边占空比的利用率［３］。４基于ＤＳＰ的控制系统设计
本文对电镀电源进行数字化设计，根据工艺要求构建
控制通道，对给定参数、反馈信号做综合处理、运算与控制，再通过芯片内置ＰＷＭ信号发生电路输出控制信号，
达到电镀电源的全数字化、信息化、柔性化控制，并实现
电源系统实时监控及保护、系统通信等功能。
４．１Ａ／Ｄ通道与保护电路设计
要实现对电镀电压、电流等参数的控制与调节，必须
对这些输出参数的实际值进行实时检测，并送入Ａ／Ｄ转换
电路变为数字量，然后由ＤＳＰ芯片作各种运算处理，实现
输出参数值的调节和电源系统的保护。采样信号反馈给
ＤＳＰ处理之前，必须进行一系列模拟信号的处理过程。图
４（ａ）所示为电镀电压采样反馈电路，该电路直接对电镀
电压采样，经过低通滤波电路，滤掉信号中的高频成分，
获取所需要的信号，经运放、光耦线性放大，调制成０～
３．３Ｖ直流电压信号，送给ＤＳＰ相应的Ａ／Ｄ通道。图４（ｂ）所示为电镀电流采样反馈电路，该电路在设计过程中采用
了电流霍尔传感器，具有很好的线性度，并且是非接触测
试，与采集端完全隔离。从霍尔传感器采集的信号，经滤
波、放大、调整后送给ＤＳＰ相应的Ａ／Ｄ通道［４］。
４．２ＰＷＭ驱动电路设计ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ提供了两个具有强大功能和性能的事
件管理器模块ＥＶＡ与ＥＶＢ，这两个事件管理器在功能和
寄存器映射／定义方面完全一致，极大方便了运动控制和
电力电子控制应用。本文应用其中一个模块ＥＶＡ，实现了
四路全桥软开关移相驱动信号输出，如图５所示。
电源工作频率由通用定时器１的周期寄存器Ｔ１ＰＲ给
定，计数寄存器Ｔ１ＣＮＴ采用连续增／减计数模式。规定超
前臂Ｑ１与Ｑ２为固定臂，于每周期固定相位１８０°互补输
出
ＰＷＭ１和
ＰＷＭ２，由死区控制寄存器给出死区时间，避
免上下臂直通并实现软开关。滞后臂Ｑ３
与Ｑ４为移相臂，
其移相角由比较寄存器ＣＭＰＲ２给定，同样输出１８０°互补
（ａ）负载电压采样反馈电路
图５基于事件管理器模块的移相原理图
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２００８机电工程技术年第３７卷第１０期（１．电流１０００Ａ／ｄｉｖ２．电压２０Ｖ
／ｄｉｖ）图９２０００Ａ输出时电流电压波形
图７基于ＤＳＰ的电镀电源综合保护电路
并带死区的ＰＷＭ３和ＰＷＭ４。只有ＰＷＭ１与ＰＷＭ４、ＰＷＭ２与ＰＷＭ３同时为高时，电源才能传递功率。如图５
所示，只要实时改变比较寄存器ＣＭＰＲ２的值并保证ＰＷＭ３和ＰＷＭ４相互１８０°互补，即可以控制电源输出的占
空比。图中计数寄存器Ｔ２ＣＮＴ与Ｔ１ＣＮＴ同周期且相位差
固定，起到启动ＡＤ并触发中断的目的，在中断程序中对
反馈信号进行处理并实时改变比较寄存器ＣＭＰＲ２的值［５］。ＤＳＰ的输出电平并不足以驱动功率开关管，且必须实现主电路与控制电路的隔离，所以必须设计后端驱动电路。图６为ＴＬＰ２５０组成的光耦隔离ＩＧＢＴ栅极驱动电路，４个ＩＧＢＴ的栅极驱动电路独立且完全相同。图中ＴＰ１、ＴＰ２测试点为驱动信号输出端。当来自ＤＳＰ的ＰＷＭ信号
为高电平时，ＩＧＢＴ的栅极得到一个＋１５Ｖ的驱动信号而导
通；当ＰＷＭ低电平到来时，ＩＧＢＴ的栅极得到一个－７Ｖ的
截至信号而关断。该驱动波形的上升和下降速度都在微秒
以内，可以很好满足快速开关功率管的要求［４］。
４．３保护电路设计
为保障电源的安全可靠工作，离不开保护电路的实时
监控来实现各种保护功能，包括过压保护、过流保护、欠压保护、过热保护、掉电保护、缺相保护和风扇停转保护
等。因此，必须对送入Ａ／Ｄ模块的电压、电流信号以及其
他一些相关信号作实时检测，一旦超过给定值，必须在允
许的短时间内切断主电路功率开关管。图７所示为电源综合保护电路图，任何一个故障信号发生后，将引发中断，ＰＷＭ输出引脚置为高阻态，用来封锁驱动信号，关闭功率器件，及时保护电源系统。整个过程不需要程序干预，由ＤＳＰ自动完成，有利于实现各种故障状态的实时快速处理。４．４嵌入式软件系统设计ＴＩ公司提供了完全的集成开发环境ＣＣＳ，集汇编器、编译器、链接器和调试器于一体，用户可以非常方便地使用Ｃ
语言、汇编语言或混合编程编辑、编译自己的应用程序，并
通过仿真器不断调试直至得到满足需要的．ｏｕｔ输出文件，下
载至片内或片外扩展Ｆｌａｓｈ存储器中，完成软件设计［６－８］。
根据电镀工艺的特性，电源采用恒流与恒压两种控制模
式，软件设计流程如图８所示。初始化程序中将ＣＰＵ、Ａ／Ｄ、ＥＶＡ等各模块寄存器赋初值，然后进入一个ＮＯＰ循环主程序，等待中断。由与计数寄存器Ｔ１ＣＮＴ同周期工作且保持一定相位差的计数寄存器Ｔ２ＣＮＴ触发中断。其中，Ｔ２ＣＮＴ下溢中断同时启动Ａ／Ｄ转换，Ａ／Ｄ转换完成后进行增量式ＰＩ运算处理，再得到一个实时的正半周ＣＭＰＲ２值，即不断
调整移相臂的移相角，
另外因为ＰＷＭ１和
ＰＷＭ２固定相位，所以
将正半周ＣＭＰＲ１值写
为０。Ｔ２ＣＮＴ周期中断
程序负责写入负半周
的ＣＭＰＲ１与ＣＭＰＲ２
值，以保证ＰＷＭ１与
ＰＷＭ２、
ＰＷＭ３与ＰＷＭ４相互１８０°互补。
此外，软件也完
成实时显示、故障报
警、通信等其他功能。５实验结果
本实验装置输入为３８０／５０Ｈｚ三相交流电，开关频率
为２０ｋＨｚ，稳流状态时输出０～２０００Ａ直流电流；稳压状态
时输出０～１５Ｖ直流电压。图９
为电镀电源
２０００Ａ稳流输出
时电流电压波形图。
图
６光耦隔离后端驱动电路图８程序流程图（下转第９６页）
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２００８机电工程技术年第３７卷第１０期
６结论
电镀电源工况环境复杂恶劣，且是行业资源消耗大户。
本文利用电流增强原理，设计了一种带辅助网络的零电压全
桥软开关电路拓扑，采用ＤＳＰ为核心芯片，充分利用其片上
资源，有效实现了对开关电镀电源的全数字化控制，并可通
过芯片集成ＣＡＮ总线模块实现电镀电源的集群控制，满足
了电镀行业对节能增效、绿色环保及设备数字化、智能化的
不断追求。最后通过实验验证了此设计的可行性与正确性。
参考文献：
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图５系统功能主流程图
单片机根据所测距离和车速进行比较，判断是否驱动
报警电路报警，如设定：当车速小于等于３０ｋｍ／ｍｉｎ时，
安全距离应大于等于１ｍ；当车速小于等于８０ｋｍ／ｍｉｎ时，
安全距离应大于等于２ｍ；当车速大于８０ｋｍ／ｍｉｎ时，安全
距离应大于等于５ｍ。
报警器外围接口电路图如图４所示。
３．５软件设计本装置的控制软件要完成系统的初始化，控制触发脉冲信号的发射与接收，根据定时时间计算障碍物的距离，根据计数频率计算汽车车速，判断所测距离是否在车速所
对应的安全范围内，并根据计算和判断结果产生ＢＣＤ码和
相应频率的脉冲信号，以驱动显示电路和发声电路。实现
整个系统功能的主流程图如图５所示。４结束语本文介绍的汽车报警器，利用单片机ＡＴ８９Ｃ２０５１作为报警装置的控制器，能充分发挥ＡＴ８９Ｃ２０５１的数据处理和
实时控制功能，使系统工作于最佳状态，提高系统的灵敏
度。该报警器基于单片机设计，从而具有体积小、使用方
便的特点。若将安全距离设为０．５ｍ，就可作为汽车倒车报
警器，提高汽车倒车时的安全性。
参考文献：
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［２］张谦琳．超声波检测原理和方法［Ｍ］．合肥：中国科技大学
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［３］苏伟，巩壁建．超声波测距误差分析［Ｊ］．传感器技术，２００４，２３（６）：８－１１．第一作者简介：赵文龙，男，１９６８年生，
河北人，大学本科，
高级工程师。研究领域：车辆工程，汽车电器控制。已发表论文５
篇。（编辑：王智圣）
图４Ａｔ８９Ｃ２０５１外围接口电路图!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第６１页）
应用技术