基于小波神经网络的设备故障诊断方法研究及模糊控制的金刚石电镀装置的研究

基于小波神经网络的设备故障诊断方法研究ResearchonFaultDiagnosisMethodofEquipmentBasedonWaveletNeuralNetwork学科专业：研究方向：作者姓名：指导教师： ResearchonFaultDiagnosisMethodofEquipmentBasedonWaveletNeuralNetworkAThesisSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：SUNShi-huiSupervisor：Prof.ZHAOShi-junCollegeofInformation&ControlEngineeringChina关于学位论文的独创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学（华东）或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。

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日期：年月日学位论文使用授权书本人完全同意中国石油大学（华东）有权使用本学位论文（包括但不限于其印刷版和电子版），使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门（机构）送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。保密学位论文在解密后的使用授权同上。学位论文作者签名：日期：年月日指导教师签名：日期：年月日摘要神经网络以其固有的记忆能力、自学习能力以及强容错性为故障诊断问题提供了一个新方法。本文针对科学实验中广泛使用的平流泵的故障特点，深入研究了BP神经网络的故障诊断方法。首先用小波包分析技术做信号处理。选取小波函数，用硬阈值小波包降噪的方法将信号降噪，然后进行小波包分解与重构，以提取信号的能量特征向量，并将得到的特征向量作为神经网络的输入。本文采用具有一个隐含层的三层BP神经网络进行故障诊断，深入分析故障诊断的结果后发现：第一，网络容易陷入极小值而导致诊断失败；第二，网络的隐含层节点数难以确定。为了解决上述问题，本文研究设计了GA+BP算法。该方法是将遗传算法与神经网络相结合。首先，GA对BP神经网络做前期优化，确定出最佳网络结构及该结构对应的初始权值、阈值和网络的学习速率；然后，构造具有最佳结构和参数的神经网络来进行故障诊断。GA+BP算法的设计中，把每个染色体分解为连接基因和参数基因，对这两部分采取不同的遗传操作。连接基因采用二进制编码方法，参数基因采用实数编码方法；连接基因采用一点交叉方式和基本变异方式，参数基因中的权阈基因和速率基因各自采用算术交叉方式和非均匀变异方式。另外，交叉算子和变异算子都采用自适应的方法。GA+BP神经网络与BP神经网络故障诊断的结果对比后可以看到：第一，GA+BP神经网络比BP神经网络的工作量少，且克服了陷入局部极小的缺点，有更好的训练性能；第二，GA+BP神经网络的故障诊断准确率高于BP神经网络。由此可见，GA+BP神经网络能够更好的进行平流泵的故障诊断工作。关键词：故障诊断，小波包，神经网络，遗传算法ResearchonFaultDiagnosisMethodofEquipmentBasedonWaveletNeuralNetworkSUNShi-hui（DetectionTechnologyandAutomaticEquipment）DirectedbyProf.ZHAOShi-junAbstractNeuralnetworkoffersanewmethodforfaultdiagnosisowingtoitsmemoryability,self-learningabilityandstronglyfaulttolerance.Thispapermakesresearchonthefaultdiagnosismethodofneuralnetworkdeeplybasedonthefaultcharacteristicsofpumpwhichiswidelyusedinexperiment.Waveletpacketanalysisisusedtodothesignalprocessing.Waveletischosen,andallsignalsarede-noisedbyhardthresholdde-noisingmethod.Thenwaveletpacketdecomposesandconstructstheenergyeigenvectorswhichareregardedastheinputeigenvectorsoftheneuralnetwork.Athree-layerBPNNisappliedtodothefaultdiagnosis.Theresultsofsimulationshowthatthenetworktrapsinlocalminimumeasily,andboththenumberofhiddenneuronsandthelearningratearedifficulttodecideeither.Inordertosolvethesequestionsabove,thispaperdesignsGA+BPalgorithm.Inthisalgorithm,geneticalgorithmisusedtooptimizethenumberofhiddenneurons,theinitialweightsandthresholds,andthelearningrateofBPNNfirst,andthenfaultdiagnosisisdonebythisneuralnetworkwhichhastheoptimumstructureandparameters.InGA+BPneuralnetwork,eachchromosomeisdividedintotheconnectiongenesandtheparametergenes,anddifferentgeneticoperationsarecarriedontwoparts.Connectiongenesarebinarytypeandparametergenesarereal-valued.Mixedcrossoverandmutationoperationsareoperatedontheconnectiongenesandparametergenesseparately.Itmeanstheconnectiongenesadoptsingle-pointcrossoverandsimplemutation,andtheparametergenesadoptarithmeticcrossoverandnon-uniformmutation.Boththecrossoverandmutationoperatorsadoptself-adaptivemethod.ComparingthesimulationresultsofGA+BPneuralnetworkwithBPNN,weknowthatGA+BPneuralnetworkhaslessworkbuthightrainingperformance,andthelocalminimumisinexistent.Inaddition,theGA+BPneuralnetworkcandiagnosethefailuremorecorrectlythanBPNN.Inconclusion,GA+BPneuralnetworkcanaccomplishthepumpfaultdiagnosismuchbetter.Keywords:faultdiagnosis,waveletpacket,neuralnetwork,geneticalgorithm目录第1章绪论 致谢中国石油大学（华东）硕士学位论文PAGE80PAGE79第1章前言1.1课题来源及研究意义1.1.1课题来源在金刚石表面镀覆一层金属能赋予金刚石许多新的特性：可以提高金刚石的强度、金刚石与基体的界面结合能力、隔氧保护、减轻金刚石热损伤程度、改善金刚石与基体界面的物理化学性能，还能提高金刚石工具的耐磨性和切削能力。另外，还可将电镀过的金刚石颗粒焊接到其他基体上，以便利用。但目前在金刚石电镀方面仍存在某些缺点，诸如加工时间长、镀层厚度均匀性差、镀层容易出现缺陷以及存在较大内应力等，出现这些问题主要是因为当前的金刚石电镀设备较为落后造成的。针对上述问题，并结合模糊控制技术的应用现状和前景选定本课题。1.1.2课题研究意义电镀是指通过电化学方法在固体表面上沉积一层薄金属或合金的过程[1]。在镀件表面形成的这一薄层可以在不改变零件主体性能的情况下，使零件具有较强的耐腐蚀、耐磨等优良特性，同时还可以改善外观，具有极好的装饰美化作用[2][3]。金刚石具有硬度高、比热容小、抗腐蚀能力强、热稳定性好以及透光等优异特性。天然金刚石是在地层深处的超高温、超高压条件下形成的，因其资源少，开采困难，价格极其昂贵，无法满足工业应用的需要，于是出现了人造金刚石。人造金刚石同样具有硬度高、耐磨、热稳定性好等优良物理性能，广泛用于冶金、石油钻探、机械加工、仪器仪表、电子、石材加工等行业。我国在1969年建成了第一个人造金刚石及其制品的专业化生产厂，短短的四十年，我国的金刚石工业已经形成了完整的工业体系。人造金刚石的产量逐年增加，特别是进入90年代后，产量呈直线上升趋势，发展势头强劲。至2005年，我国的人造金刚石年产量已达到33亿克拉左右，约占世界总产量的70%。虽然我国在金刚石电镀及其制品行业获得了巨大的发展，但同时也应该清楚地看到我们目前存在的许多问题：1．由于电镀工艺和电镀设备等方面的原因，国产的金刚石及其制品的质量均属于中低档，与发达国家的产品差距较大。2．由于电镀行业是一个重污染行业，在生产过程中使用了大量强酸、强碱、重金属溶液等有毒有害化学品，在工艺过程中排放了含高毒物质的废水、废气和废渣，这些物质严重污染环境，危害人类健康。我国电镀行业每年排放大量的污染物，包括4亿吨含重金属的废水、5万吨固体废物、3000亿立方米酸性废气。对人体、动物和自然环境产生不同程度的危害[4]。3．电镀是高耗能行业，每年都需要耗费大量的能源。能源、环境、发展是当今世界的三大主题。为了国家的可持续发展，国家已经采取了一系列措施，加大节能产品的研究开发，强制性淘汰高耗能设备。在电镀行业采用高性能、高效率的高频开关式电镀装置，可以根据电镀工艺的具体要求，通过合理地调整电镀各阶段的电流、电压及镀液温度等参数，来提高金刚石制品的质量和生产效率、减少电镀溶液及其它添加剂的使用量。这样可以为国家节约大量的贵重金属和能源，也可以减少对环境的污染。这对于改变我国人均资源极度缺乏的现状有着极其重要的意义。1.2国内外金刚石电镀发展现状1.2.1国内外电镀工业的发展世界上最先公布的电镀文献是1800年由意大利Brug-natelli教授提出的镀银工艺[1]，1805年他又提出了镀金工艺；到了1840年，英国Elkington提出了氰化镀银的第一个专利，并应用于工业生产，这被认为是电镀工业的开始。电镀合金开始于19世纪40年代的铜锌合金(黄铜)和贵金属合金电镀。由于合金镀层具有比单金属镀层更优越的性能，人们对合金电沉积的研究也越来越重视，已由最初的获得装饰性为目的合金镀层发展到装饰性、防护性及功能性相结合的新合金镀层的研究上。到目前为止，电沉积能得到的合金镀层大约有250多种，但用于生产上的仅有30余种。我国电镀工业的发展是在新中国成立以后。首先，为解决氰化物污染问题，从20世纪70年代开始无氰电镀的研究工作，陆续使无氰镀锌、镀铜、镀镉、镀金等投入生产；大型制件镀硬铬、低浓度铬酸镀铬、低铬酸钝化、无氰镀银及防银变色、三价铬盐镀铬等相继应用于工业生产；并实现了直接从镀液中获得光亮镀层，如镀光亮铜、光亮镍等，不仅提高了产品质量，也改善了繁重的抛光劳动；在新工艺与设备的研究方面，出现了双极性电镀、换向电镀、脉冲电镀等；高耐蚀性的双层镍、三层镍、镍铁合金和减摩镀层亦用于生产；刷镀、真空镀和离子镀也取得了可喜的成果。八十年代以来，我国的电镀工业得到了突飞猛进的发展。尤其是在锌基合金电镀、复合镀、化学镀镍磷合金、电子电镀、纳米电镀、各种花色电镀、多功能性电镀及各种代氰、代铬工艺的开发取得重大进展。1.2.2金刚石电镀发展现状1954年美国GE公司研制成功了世界上第一颗人造金刚石。1963年12月6日，我国第一颗人造金刚石研制成功。1969年，我国第一个人造金刚石及其制品专业化生产厂——第六砂轮厂建成投产。至此，我国逐步形成了6×6兆牛顿（MN）六面顶设备为特色的人造金刚石工业体系。人造金刚石的应用领域十分广泛，几乎涉及国计民生的各个领域。金刚石在光学玻璃冷加工、地质钻探、陶瓷、汽车零件等机械加工、金属拉丝等方面引起了革命性的工艺改革，使加工效率、精度几十倍甚至上百倍提高。由于金刚石本身固有的性质，在实际应用中也存在许多不利因素，主要表现为以下几点[5][6]：（1）金刚石是非金属，与一般的金属或合金间有很高的界面能，其表面不能被低熔点金属或合金所浸润，与金属结合剂的结合性能差。（2）热膨胀系数远远小于金属结合剂的膨胀系数，在加工弧区温度的作用下，由于结合剂与金刚石颗粒的热膨胀程度不一样，使得结合剂对金刚石的把持力减小，导致金刚石颗粒的脱落，引起金刚石工具非正常失效。（3）金刚石的热稳定性不好，在空气中高于800℃下的情况下，易发生氧化或石墨化等化学反应，在真空中1000℃以上，也会开始石墨化。正是由于金刚石的这些特征，使得金刚石磨料的应用范围受到一定程度的限制。为了能够在加工过程实现对金刚石的有效把持，人们提出了包括在金刚石表面镀覆金属材料在内的多种方法。通过在金刚石表面镀覆Ni、Ti、Mo、W、Cr等金属或其合金，可以提高金刚石的许多性能：一是能够有效地降低金刚石和金属结合剂之间的界面能，增加金刚石表面的粗糙度；二是镀层对金刚石具有隔离保护作用，能防止发生氧化或石墨化，提高了金刚石的热稳定性；三是镀层也可以起到增强和补韧作用，有效地增加了金刚石颗粒的强度。目前金刚石表面镀覆方法主要有湿法镀和真空镀。而湿法镀中的电镀是应用较为普遍的方法之一。电镀人造金刚石的镀种和工艺也不是唯一的，镀前处理就有许多不同作法，而且镀种与磨具种类、用途、金刚石粒度等都有关系。1.3电镀电源的发展现状及研究方向1.3.1电镀电源的发展现状常用的金刚石电镀设备是由镀槽、加热与温控装置、搅拌装置、电镀电源装置等部分组成。其中，电镀电源是一个非常关键的部分，它的输出性能对电镀的质量有着极其重要的影响。随着电力电子技术和元器件制造工艺的迅速发展，电镀电源的发展也是极为迅速。电镀电源的发展大致经历了四个阶段[7]：第一阶段是交流-直流发电机组。这种机组的效率低、噪声大，而且直流发电机的整流子可靠性不高、维修不方便，所以这类变流设备现在已经基本被淘汰；第二阶段是硒整流器和硅整流器。这种电源采用变压器一次侧抽头或用调压器、饱和电抗器方式调压，二次侧采用硒或硅二极管整流作为电镀电源。该类电源结构简单、造价低，但都存在体积大、笨重和输出指标低、精度差和效率低等缺点，这种电源已经基本停产；第三阶段是晶闸管整流器，其性能指标比前两代产品有较大改善。采用了五芯柱变压器、高压大功率晶闸管等新技术，并出现了恒压、恒流和恒电流密度等新特性。但是由于还是使用工频变压器和工作在低频段，所以整流器体积大、重量重、效率较低，性能的进一步提高也受到电源体积的限制。为克服上述产品的缺点，近年来，以现代电力电子技术的高速发展为基础，国内外相继研制出电镀用第四代直流电镀电源高频开关式电镀电源。它采用了最新的开关变流技术，与传统工频整流电源相比，这种电源具有高效节能、重量轻、体积小、动态性能好、适应性强、有利于实现工艺过程自动化和智能化控制等显著的优点，是当前国内外研究、开发、应用的主流和方向[8]。当前国内外现有电镀电源应用情况对比如表1-1所示[9]：表1-1国内外电镀电源对比表Table1-1Comparativetableofelectroplatingpowerathomeandabroad国内现有主流高频电镀电源瑞典KRAFT硬开关电镀电源1000A/12V工频变压器无无控制方式PWM脉宽调制，硬开关PWM脉宽调制，硬开关输入滤波器有(LC滤波)有(LC滤波)表1-1国内外电镀电源对比表（续）Table1-1Comparativetableofelectroplatingpowerathomeandabroad国内现有主流高频电镀电源瑞典KRAFT硬开关电镀电源1000A/12V工频变压器无无控制方式PWM脉宽调制，硬开关PWM脉宽调制，硬开关输入滤波器有(LC滤波)有(LC滤波)输出滤波有有冷却方式风冷风冷效率80﹪以上80﹪以上功率因数0.9全范围达0.9纹波系数额定负载1.5﹪约1﹪恒流恒压精度半载到全载大于1﹪小于1﹪控制电路专用集成电路专用集成电路/模块化体积较小小(晶闸管的1/8)重量较小小(晶闸管的1/10)调节响应速度一般快节能效果较明显明显(比晶闸管节电20﹪)1.3.2电镀电源的研究方向开关式变换器的高频化可以使变换器的体积、重量大为减轻，从而提高开关变换器的功率密度，提高设备的集成化程度。此外，提高开关频率也有利于降低电镀电源的音频噪声，改善动态响应。电镀电源目前的研究方向是：高频高效化、智能化、数字化、绿色可靠。1．高频高效化在较大功率领域采用高频开关式电镀电源代替传统整流电源，可以降低损耗、提高功率密度。但是由于功率开关管在导通或关断时，器件上的电压和电流不等于零，所以功率管的导通和关断都会有较大的功率损耗，而且，开关频率越高，开关损耗就越大，导致变换器效率下降。为了解决这一问题，人们开始研究高频软开关技术，使电镀电源能够在高频下高效率地运行。2．智能化电镀工艺如何消除人为因素的影响及减少过程能量损耗的需求，对电源的智能化提出了更高的要求。从节能及提高工艺质量角度出发，电镀过程中，除电源装置的能耗以外，工艺过程的能耗占绝大部分。而影响工艺过程能耗的因素主要是电流效率和槽压，通过对电解液浓度、温度、电极距离等参数在线检测，实时对电源的电流电压输出进行调整和合理配置，进而达到节能增效和提高工艺质量的目的。从控制角度看，电镀工艺过程及开关式电镀电源的能量转换过程均为非线性时变系统，难以建立准确的模型进行传统的控制。智能控制（如专家系统、模糊控制和神经网络等）能够不依赖受控对象的数学模型，利用人的操作经验、知识和推理以及控制系统的某些信息和性能得到相应的控制规则。这些智能控制的应用将大大提高电镀电源的性能及工艺质量。因此，随着电镀技术的不断发展，应迅速开发适应不同工艺过程的智能化电源设备，以满足新世纪的新技术发展需求。3．数字化电镀电源的数字化技术意义重大。采用数字化技术，从电源的电气性能来看，可以应用现有电源的各种研究成果（功率电路拓扑及控制方式等），通过系统软件实现软开关技术并降低电磁干扰，提高电源的稳定性和智能化程度；从电源的工艺效果来看，数字化电源由于控制策略调整灵活、控制精度高以及控制参数稳定性高，所以具有更好的工艺稳定性和更好的工艺效果及节能特征。同时，数字化电源方便的通信接口功能为现代化的网络化生产提供了良好的硬件基础。从电镀工艺研究的角度，数字化电镀电源为实施创新性的工艺控制策略和实现多功能提供了全新的途径。4．绿色可靠电镀电源长时连续工作在极为苛刻的工况下，因此其可靠性和绿色化是电源推广应用的前提。影响电源可靠性及绿色化的主要因素有电磁干扰、热效应、功率管工作环境、器件质量及工艺水平等因素。根据工程可靠性理论，在设计和研制过程采取适当的措施使电源绿色化高可靠性必将是电镀电源长期的追求目标。在国内，将软开关技术用于电镀电源的研究已经开始，但是将同步整流技术应用于电镀电源，还需要做大量的研究工作。1.4课题研究内容本课题的主要任务是设计制作金刚石电镀装置的硬件电路，在此基础上设计模糊控制器并进行仿真。1.4.1电镀装置的主要设计要求金刚石电镀装置的硬件电路主要包括电镀电源、温度控制电路、搅拌控制电路等。其中，电镀电源是电镀装置的主要组成部分，其主要的设计技术参数如下：1．输入电压：AC22020%V；2．输出电压：0-12V；3．输出电流：0-20A；4．纹波电压：<100mV；5．效率：>85%。1.4.2课题研究的主要内容课题研究的具体工作主要有以下几部分：1．根据电镀装置的设计要求，分析各种开关电路的拓扑结构，选择合适的电源主电路拓扑结构，然后分别对EMI滤波电路、输入整流滤波电路、高频逆变电路、高频变压器和输出整流滤波电路进行设计。2．从理论上分析开关管的开关过程和实现软开关技术的条件，通过对各种软开关技术进行比较，本文选用了无源无损软开关技术。3．研究分析同步整流的有关控制理论和控制技术问题，设计同步整流管的驱动控制电路。4．根据金刚石电镀过程中对温度的要求，设计温度控制电路，实现在最佳的温度状态下进行电镀。5．根据模糊控制理论，设计自调整模糊控制器，以输出电流为被控量，以电流的偏差和偏差变化率为输入量，以电压的变化量为输出量，提高了金刚石电镀的精度。1.5论文组织结构本文的组织结构如下：第1章，前言，主要阐述了本课题研究背景，简要分析了其研究意义，介绍了相关技术与国内外发展现状，给出了本课题的主要研究内容。第2章，金刚石电镀装置的整体方案设计，介绍了金刚石电镀装置的构成，简单分析了电镀电源模块、温度控制模块、搅拌控制模块和模糊控制模块的原理和设计。第3章，金刚石电镀装置的硬件设计，详细介绍了装置中电源主电路、电源控制电路、单片机控制电路及温度控制电路的硬件电路设计。第4章，金刚石电镀控制系统的软件设计，介绍了各程序模块的设计及模糊控制器的设计，并利用Matlab编程进行仿真实验。第5章，实验结果及分析，对电路中的驱动电路和主电路的相关部分进行了测试，并对实验数据进行了简要的分析。第2章金刚石电镀装置整体方案设计金刚石电镀装置主要由电镀电源、单片机控制单元、温度控制单元、搅拌控制单元和瓶式电镀箱等构成，电镀系统构成如图2-1所示。图2-1金刚石电镀装置主要构成示意图Fig2-1Mainframeschematicdiagramofman-madediamondselectroplatingdevice2.1电源的主电路拓扑在金刚石电镀装置中，对电镀产品质量影响较大的就是电镀电源。在实际应用中，从安全、实用、控制的角度出发，电镀领域中使用的开关式电源基本上都采用带变压器隔离的开关变换器。常用的主电路拓扑有单端正激变换器、半桥变换器和全桥变换器[10]。2.1.1单端正激变换器单端变换器的电路结构如图2-2所示。单端正激变换器实际上是在Buck变换器的基础上插入高频变压器，实现输入和输出电气隔离的一种DC-DC变换器。单端正激变换器的高频变换器铁心工作在磁化曲线的第一象限，即单向磁化。所以变换器必须附加磁复位电路，以避免磁积累而造成磁芯饱和。最常用的磁复位电路是在输入端接复位绕组，使能量再生而返回电源。单端变换器是由逆变器、输出电流滤波电路、反馈控制PWM驱动电路等部分组成。开关管VT1按PWM方式工作，其导通占空比D受输出电压或电流信号控制调节，VD1是整流二极管，VD2是续流二极管，L1为储能滤波电感，C1为输出滤波电容，VD3和绕组N3构成磁复位电路，反激时将磁化能量返回至电源。图2-2单端正激变换器电路Fig2-2Circuitofsingle-endedconverter2.1.2半桥变换器半桥变换器实际上是由两个单端正激变换器组合而成的。其中一个桥臂由两个特性相同、容量相等的电容器组成，每个电容承受二分之一的电源电压；另一桥臂由两个受PWM信号控制的功率开关管承担。半桥变换器的高频变压器的磁芯是双向磁化，工作在磁化曲线的第一象限和第三象限。但由于开关器件特性和驱动电路的不对称，可能会引起偏磁并导致变压器因磁积累而出现磁饱和，使变换器的效率下降，严重时会使开关器件损坏，所以在半桥电路中应有防偏磁措施。半桥变换器的电路如图2-3所示。图2-3半桥变换器电路Fig2-3Circuitofhalfbridgeconverter上图中电容C1、C2组成变换器的一个桥臂，且C1=C2。两电容上并接的电阻为均压泄放电阻，且需要保证R1=R2。功率开关管VT1、VT2构成变换器的另一桥臂，高频变压器T1经串接直流阻隔电容C3，接至两桥臂的中点A、B处。开关管VT1、VT2的导通与关断受PWM驱动脉冲控制，并接在开关管VT1、VT2其上的二极管VD1、VD2用来提供变压器漏感储能得释放通路。输出一般采用二次绕组中心抽头的全波整流电路，电感L1和电容C4构成输出滤波电路。2.1.3全桥变换器全桥变换器电路相当于两组双管正激式变换器电路的组合，它由四个开关管构成，每一个桥臂有两个开关管。全桥变换器的变压器磁芯也是工作在双向磁化状态，同半桥变换器电路一样，也存在发生偏磁的可能，所以也需要采取防偏磁措施。全桥变换器的电路如图2-4所示。图2-4全桥变换器电路Fig2-4Full-bridgeconvertercircuit上图中的四个开关管VT1-VT4构成桥式电路，与它们并联的四个二极管VD1-VD4用于能量恢复，可清除漏感产生的部分瞬时过电压。变压器T1的一次绕组N1的两端分别接在两桥臂的中间，桥臂对角的开关管在PWM驱动信号作用下同时导通或截止，即VT1和VT4导通时，VT2和VT3截止，VT1和VT4截止时，VT2和VT3导通。在一次及二次绕组上形成极性相反的对称方波脉冲电压。输出绕组为中心抽头。二极管VD5、VD6构成全波整流。电感L1、电容C2构成高频输出滤波电路，其纹波电压和电流的频率为二倍的开关频率。串接在变压器一次绕组中的电容器C1也是用于隔离直流成分，防止磁饱和发生。根据设计的具体要求和对三种拓扑的分析，选择半桥拓扑结构作为设计电源的拓扑结构。2.2软开关技术2.2.1软开关技术的出现随着科技的进步，越来越多的设备将开关式变换器作为提供直流动力的主要装置，这也对变换器提出了更高的要求，要求变换器的体积更小、重量更轻、效率与可靠性更高。为了达到这些要求，就必须提高变换器的频率。在开关电路中，开关管工作在硬开关状态时的电压和电流波形如图2-5所示。由于开关管不是理想器件，所以在开关管开通时，开关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降的过程，同时开关管的电流也不是立即上升到负载电流，也有一个上升的过程。在这段时间里，电流和电压有一个交叠区，在这个交叠区会产生损耗，这个损耗被称为开通损耗。同理，在开关管关断时，开关管的电流也不会立即下降到零，也有一个下降的过程，同时开关管的电压也不是立即上升到电源电压，也有一个上升的过程。在这段时间里，电流和电压也有一个交叠区，也会产生损耗，这个损耗被称为关断损耗。开通损耗和关断损耗被统称为开关损耗[11]。图2-5开关管开关时的电压和电流波形Fig2-5Waveformofvoltageandcurrentwhenswitchisworking在一定条件下，开关管在每个开关周期中的开关损耗是恒定的，变换器总的开关损耗与开关频率成正比。开关频率越高，总的开关损耗就越大，变换器的效率就越低。其次，开关管工作在硬开关时还会产生比较高的和。过大的和会使开关管发热，如果不采取保护措施，可能会使功率开关管超出安全工作区而损坏。同时，过大的和也会产生大的电磁干扰。开关损耗包括开通损耗和关断损耗，要降低开关损耗可以通过减少开通损耗和关断损耗来实现。1．减小开通损耗在开关管开通时，使电流保持在零，或者限制电流的上升率，从而减少电流和电压的交叠区，称为零电流开通。或者在开关管开通前，使电压下降到零，称为零电压开通。2．减小关断损耗在开关管关断前，使其电流减少到零，这是零电流关断。在开关管关断时，使其电压保持在零，或者限制电压的上升率，从而减少电流和电压的交叠区，这是零电压关断。零电流开关和零电压开关的波形如图2-6和图2-7所示，由图也可以看出，采用软开关技术可以降低客观损耗，提高电源效率。图2-6零电流开关图2-7零电压开关Fig2-6ZerocurrentswitchdiagramFig2-7Zerovoltageswitchdiagram开关管在硬开关条件下和在软开关条件下的开关轨迹分别如图2-8和图2-9所示，从图中也可以看出，在软开关条件下，开关管工作在比较安全的区域，不会出现开关管因损耗过大而损坏。图2-8硬开关条件下的开关轨迹图2-9软开关条件下的开关轨迹Fig2-8SwitchtrackinconditionofhardswitchFig2-9Switchtrackinconditionofsoftswitch2.2.2软开关技术的分类根据开关器件开通和关断时电压、电流的状态，软开关电路分为零电压电路和零电流电路两类；根据软开关技术发展的历程，可以将软开关电路分为准谐振变换器、零开关PWM变换器和零转换PWM变换器[12]。无源无损软开关技术是指不附加有源器件，只是采用电感、电容和二极管来构成的无源无损缓冲网络。电路中常用的软开关技术有：有源缓冲电路、RCD缓冲电路、谐振变换器和无源无损缓冲电路。其中，有源缓冲电路通过增添辅助开关以减少开关损耗，但这使主电路和控制电路变的比较复杂，降低了性价比和可靠性。RCD缓冲电路虽然结构简单，价格便宜，但由于电阻消耗能量，降低了效率，在所有软开关技术中性能最差。谐振变换器虽然实现了ZVS或ZCS，减少了开关损耗，但谐振能量必须足够大才能创造ZVS或ZCS条件，而且谐振电路中的循环电流较大，另外还必须在特定的开关控制器的控制信号作用下工作。增加了通态损耗和成本，降低了可靠性。无源无损缓冲电路既不使用有源器件，也不使用耗能元件，其结构与RCD缓冲电路一样简单，效率与有源缓冲电路和谐振变换器一样高，同时具有电磁干扰小、造价低、性能好、可靠性高等优点，因而获得了广泛的应用[13]。2.3同步整流技术开关变换器的输出整流电路的种类很多，常用的普通整流电路有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路，整流管一般采用快恢复二极管或者肖特基二极管。快恢复二极管的导通压降一般在1.0-1.2V之间，肖特基二极管的导通压降也在0.6V左右。导通压降的存在导致了导通损耗的出现，在输出电压较高的情况下，导通损耗对变换器的整体效率影响不大，但在变换器输出电压较低的情况下，就必须要考虑整流管导通损耗对整机效率的影响。为了提高变换器的效率，必须降低整流器的导通损耗。随着制造工艺的提高，MOSFET的导通电阻已经降到几毫欧左右，于是出现了采用低导通电阻的功率MOSFET来代替整流二极管进行整流的同步整流技术。所谓同步整流就是实现功率MOSFET整流管的栅源驱动信号与MOSFET管的漏源开通、关断同步。同步整流与二极管整流相比，除正向压降小外，还具有阻断电压高、反向漏电流小等优点。但是由于MOSFET不能像二极管那样自动截止反向电流，所以必须采用适当的控制方式来控制MOSFET的导通和关断。按照驱动信号的不同，同步整流分为电压驱动和电流驱动[14]。电压驱动方式因为结构简单、经济高效而得到较为普遍的应用。电压驱动的同步整流器又可按驱动方式分为自驱动和外驱动两种。2.3.1自驱动同步整流自驱动就是利用输出变压器二次测的信号来控制MOSFET的导通和关断。自驱动同步整流电路如图2-10。图2-10自驱动同步整流电路Fig2-10Circuitofself-drivesynchronizationrectifier自驱动控制电路结构比较简单，但是这种电路的控制信号随输出电压变化，较低的驱动电压会引起开关管损耗的增加，输出电压过低时甚至会影响MOSFET的开通，而且这种控制电路中两个MOSFET的驱动时序也不够精确。2.3.2外驱动同步整流外驱动同步整流电路与自驱动同步整流电路基本相同，唯一的区别就是外驱动同步整流电路是采用专门设计的驱动电路来控制MOSFET的导通和关断。控制信号在时序上与主开关管的驱动信号保持一定的关系，这种电路结构比较复杂、成本稍高，但是这种电路可以保证精确的控制时序，而且外驱动与自驱动相比具有较高的效率。外驱动同步整流电路如图2-11，其中，MOS管的栅极PULSEA、PULSEB接外部驱动信号。电镀电源属于低电压大电流设备，一般输出都不高于12V，而且经常会出现工作在2-5V的情况。随着功率变换器输出电压的降低，整流损耗成为变换器的主要损耗。根据电镀电源的应用特点，本电镀电源的输出整流采用同步整流方式，并采用外驱动方式对MOSFET进行控制。图2-11外驱动同步整流电路Fig2-11Circuitofout-drivesynchronizationrectifier2.4PWM驱动控制电路2.4.1开关电源的控制方式开关电源的控制方式有两种基本形式：脉冲宽度调制（PWM）方式和频率调制（PFM）方式。脉冲宽度调制方式是指开关频率固定，通过改变脉冲宽度来调节占空比。频率调制方式是指脉冲宽度固定，利用改变开关频率的方法来调节占空比。目前大多数开关电源采用PWM方式，但也有极少数的电源采用PFM方式。PWM方式电路的工作原理如图2-12所示。图2-12脉宽调制原理图Fig2-12Schematicdiagramofphasewidthmodulation若用表示开关的脉冲周期，表示导通时间，n表示高频变压器的变比，则在脉冲周期一定的前提下，功率变换器输出的电压和输入电压的关系用式2-1表示。(2-1)由式（2-1）可以看出，当开关电源的输入电压或输出电压发生变化时，只要适当控制占空因数，就可以使输出电压保持不变，控制电路的作用就是实现这个功能。脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，通过控制开关器件的通断状态来调节输出电压的高低，达到稳压的目的。锯齿波发生器用于提供恒定的时钟频率，偏差放大器和PWM比较器形成闭环调压系统。如果由于某种原因使升高，脉宽调制器就改变驱动信号的脉冲宽度，即改变开关管的占空比，使斩波后的平均值电压下降，反之亦然。2.4.2驱动电路驱动电路的主要功能是对脉宽控制器输出的PWM信号进行功率放大，放大以后作为功率开关器件的驱动信号。驱动电路的形式多种多样，一般有TTL电路驱动、CMOS电路驱动和隔离变压器驱动等，在大功率的开关电源中，驱动电路一般都使用具有隔离作用的脉冲变压器来实现对高压功率开关器件的驱动和隔离。2.5温度控制电路在金刚石电镀的过程中，电镀的工艺要求比较严格，影响电镀质量的因素有电流密度、温度、主盐浓度、PH值等。如果参数不合适，将会使镀层质量下降，甚至无法使用，所以必须对镀液的温度进行控制。温度对金刚石电镀效果的影响如表2-1[15]。表2-1温度对金刚石电镀效果的影响Table2-1Impactoftemperaturetoman-madediamondselectroplatingeffect由上表可以看出，温度对电镀质量影响是非常大的，所以必须设计温度控制电路，使温度稳定在一个合适的范围之内。2.6模糊控制的基本理论2.6.1模糊控制简述模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论、模糊技术与自动控制技术相结合的产物。1965年美国控制论专家LA.Zadeh教授创立了模糊集合论，从而为描述、研究和处理模糊性现象提供了一种新的工具。一种利用模糊集合理论来建立系统模型，设计控制器的新型方法―模糊控制随之问世了。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法。这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效地控制。将模糊集合理论运用于自动控制系统而形成的模糊控制理论，近年来得到了迅速的发展，原因是对于那些时变的、非线性的复杂系统，当无法获得精确的数学模型的时候，利用模糊控制器就能给出有效的控制。例如，在炼钢、化工、人文系统、经济系统以及医学心理系统中，要得到正确而且精密的数学模型是相当困难的。这些系统却具有大量的以定性的形式表示的极其重要的先验信息，以及仅仅用语言规定的性能指标。所有这些系统都具有一种不精确性，应用一般的控制理论很难实现控制，但是，这类系统由人来控制却往往容易做到，这是因为过程操作人员的控制方法是建立在直观的和经验的基础上，他们凭借实践积累的经验，采取适当的对策完成控制任务。于是，人们把操作人员的控制经验归纳成定性描述的一组条件语句，然后运用模糊集合理论将其定量化，使控制器得以接受人的经验，模仿人的操作策略，这样就产生了以模糊集合理论为基础的模糊控制器。模糊控制理论的提出是控制思想的一次深刻的变革，它标志着人工智能发展到了一个新的阶段。随着计算机及其相关技术的发展，模糊控制也由最初的经典模糊控制发展到专家模糊控制和基于神经网络的自学习模糊控制[16]。2.6.2模糊控制的数学原理为了用数学的方法描述和处理自然界出现的不精确、不完整的信息，Zadeh教授于1965年发表了著名论文“FuzzySet”，首次提出了模糊(fuzzy)的概念。在此以后，人们习惯了用模糊的方法来思考和推理问题，于是，逐渐将其发展成为一个以模糊集合(fuzzyset)、模糊推理(fuzzyinference)为核心的崭新的数学分支―模糊数学[17]。1．模糊集合模糊集合是相对于经典集合而论的，在数学上，常将具有一定特性的事物全体称为集合。在经典集合理论中只有两个值“真”和“假”，任何一个元素只能属于它或不属于它，经典集合具有明确的内涵与外延。函数称为集合A的特征函数，它刻画了集合A的元素隶属于A的情况。在现实生活中，存在着大量的模糊概念，如“青年人”、“高个子”等，这些概念都没有明显的外延，对于某个对象不能简单的用“属于”或“不属于”来划分，只能说属于的程度是多少。Zadeh教授仿照用特征函数表示经典集合的方法，用隶属函数来表示模糊集合，就是把特征函数的取值范围从{0，1}两个值扩大到[0，1]闭区间的连续取值，即[0，1]。Zadeh教授就从这一点取得突破，利用经典集合的方法，实现了定量描述模糊集合的概念。2．模糊算子模糊集合可以进行运算，形成新的模糊集合，模糊集合进行运算的算子称为模糊算子。常用的模糊算子是最大算子和最小算子。3．模糊关系日常生活中诸如“A与B很相似”、“X比Y大的很多”等描述模糊关系语句，借助于模糊集合理论，可以定量地来描述这些模糊关系。模糊关系实际上也是一个模糊集合，它描述的是不同对象之间的模糊联系。模糊关系的每个元素都有一个介于0与1之间的隶属度来表示该元素隶属于该关系的程度。模糊关系可以进行合成运算，会形成新的关系，通过模糊关系的这种运算可以形成模糊变换，进而形成模糊推理。4．模糊推理它由条件聚合、推断和累加三部分组成。模糊推理时，首先计算控制规律中每条规则条件的满足程度(条件聚合)，然后依据条件的满足程度推断单一规则输出的大小(推断)，最后将所有规则的输出累加，得到总的模糊输出。模糊推理可以看成是模糊变换，由一定的模糊输入得到模糊输出。2.6.3模糊控制器的结构模糊控制器是一种语言控制器，采用模糊集理论，无需被控对象的精确数学模型，即能实现良好的控制。它是一种采用比例因子进行参数设定的控制器，有利于自适应控制。模糊控制器本质上是一种非线性控制，具有较强的鲁棒性，当对象参数变化时有较强的适应性[18]。在单变量模糊控制系统中，模糊控制器输入量往往可选择为系统输入量的偏差、偏差变化率及偏差变化的变化率，输出量一般为1个，即系统的控制量。根据模糊控制器输入量的个数可做如下分类：一维模糊控制器：其输入变量往往选择为受控变量和输入给定的偏差量E。由于仅仅采用偏差值，很难反映受控过程的动态品质，因此，所能获得的系统动态性能是不能令人满意的。这种一维模糊控制器往往被采用于一阶被控对象。二维模糊控制器：它的两个输入变量基本上都选用受控变量和输入给定的偏差E和偏差变化率EC，由于它们能够较严格地反映受控过程中输出变量的动态特性，因此在控制效果上要比一维模糊控制器好得多，也是目前采用较为广泛的一类模糊控制器。三维模糊控制器：它的三个输入变量分别为系统偏差量E、偏差变化率EC、偏差变化的变化率ECC。由于这类模糊控制器结构较复杂、推理运算时间长，因此除非对动态特性的要求特别高的场合，一般较少选用三维模糊控制器。模糊控制系统往往把一个被控量（通常是系统输出量）的偏差、偏差变化率以及偏差变化的变化率作为模糊控制器的输入。因此，从形式上看，这时输入量应该有3个，但是人们也习惯称之为单变量模糊控制系统。综上所述，由于二维模糊控制器能够较严格地反映受控过程中输出变量的动态特性，因此在控制效果上要比一维模糊控制器好得多，而相对于三维模糊控制器来说，它的结构较简单，推理运算时间较短，是目前较广泛采用的一类模糊控制器。第3章金刚石电镀装置的硬件设计金刚石电镀装置是对金刚石实施电镀的设备，电镀装置主要包括：电镀电源、温度控制电路、搅拌控制电路、电镀电极等。电镀电源的作用是将工频交流电转换成可以恒压或恒流的直流电源，保证在金刚石电镀的整个过程中保证较好的电镀质量。温度控制电路是用来将温度控制在一个最优的温度上；搅拌电路是为了使金刚石在电镀的过程中电镀层均匀。3.1电源主电路的设计在实际应用中，从安全、实用、控制的角度出发，电镀领域中使用的开关变换器基本上都采用带变压器隔离的开关变换器。开关变换器主电路主要包括五部分：EMI滤波电路、工频整流滤波电路、高频逆变电路、高频变压器和高频整流滤波电路。3.1.1EMI滤波器设计开关电源工作在高频开关状态，在开关的过程中瞬变的电压和电流会通过电源线路、寄生参数和杂散的电磁场耦合，产生大量的电磁干扰。产生的电磁干扰会影响供电设备的正常工作，同时外部存在的干扰也会影响变换器的正常工作，所以必须采取措施抑制这种干扰[19]。开关电源产生的电磁干扰，按耦合通道来分，可分为传导干扰和辐射干扰。对传导噪声干扰，采用滤波器滤除噪声是一种非常有效的方法。传导噪声又可分为常模噪声和共模噪声两种形态。对常模形态可采用L、C滤波器或者R、C滤波器来进行抑制。开关电源的噪声，主要是共模噪声，而且是频率很高的尖峰脉冲，不像常模噪声那样容易除去，必须应用共模滤波器抑制。常用的常、共模组合形态的线路滤波器如图3-1所示[20]。如图中所示，L1、L2、C1、C4构成差模滤波器，L3、C2、C3构成共模滤波器。电阻R1为滤波电容C1、C4的放电电阻，按标准规定，一般电容器大约在t=1s时间内完成放电。则R的阻值可按式（3-4）来确定。确定EMI滤波器参数的最简单方法是根据滤波器网络的截止频率来确定，具体计算过程如下：1．计算滤波器的转折频率假定在开关电源的开关频率处需要大概24dB的衰减，可按下式决定滤波器的转折频率：(3-1)2．计算常模电感线圈的电感量通常图中常模滤波器的滤波电容，一般情况下，滤波电容、取范围内的值，这里取，则可求得(3-2)3．计算共模滤波器的共模电感量通常共模滤波器中的电容，一般情况下、取，这里取=4700PF，则(3-3)4．计算放电电阻(3-4)3.1.2工频整流滤波电路设计典型的工频整流滤波电路一般由启动浪涌电流限制器、浪涌电压抑制器、整流桥和输入滤波电容组成。常用的单相输入的交流输入滤波电路如图3-2所示：1．浪涌抑制电路设计浪涌抑制部分包括浪涌电流限制和浪涌电压抑制[21]。当电网受到雷击时会引起雷电过电压，在进行正常的电网操作时也会引起操作过电压，这种过电压会导致设备的损坏，必须采取适当的措施进行保护。压敏电阻是目前电子产品中使用最多的尖峰抑制元件。图3-2输入整流滤波电路Fig3-2Inputrectifyfiltcircuit压敏电阻是一种伏安特性呈非线性的敏感元件，在正常电压条件下，它表现为高电阻性；而当电路出现过电压时，它的内阻急剧下降并迅速导通，从而有效地保护了电路中的其它元器件不致过压而损坏。压敏电阻的优点是响应速度比较快和通流量比较大。压敏电阻的标称值是根据输入电压的最大有效值来选取。考虑到压敏电阻存在标称电压误差和器件老化等问题，为了保证电源的可靠性，通常选择标称电压值略大的压敏电阻。本文输入电压的有效值为220V，电压波动范围为，则电源输入电压的最大有效值。选14D471K作为本电源的浪涌电压抑制器件，14D471K的标称电压为300V。在电路启动时，正常的电流对已经完全放电的输入滤波电容进行充电，使电容的端电压跳变，从而引起很大的浪涌电流，该浪涌电流有可能超过平均输入电流有效值的10倍。所以要在电路中加装启动浪涌电流抑制器件。对于输出功率不是很大的电路，一般是在EMI滤波器后面加一个热敏电阻，用来保护整流器。热敏电阻在低温时的阻值一般在之间，启动后，热敏电阻被加热，加热后的热敏电阻的阻值大约只有。本文选10D11作为电流浪涌保护器件[22]。2．整流桥的选择对于输入整流器，需要考虑的参数主要有：正向平均电流，浪涌电流，直流击穿电压和预期的耗散功率。通过输入整流器的平均电流必须根据整流桥实际的散热条件来选择整流桥的电流参数，如果散热条件不好，必须选择平均电流稍大一点的整流桥，否则可能会因为流过整流桥的平均电流过大而导致整流桥的损坏。如果电源中没有设计功率因数校正环节，通过整流器的峰值电流可能会超过二极管平均电流4倍。这会使整流管严重发热。为了对这种情况进行补偿，可以选择电流等级更高的二极管来减少通态压降，从而降低损耗、减少发热量。整流器件需要满足的最低要求可由式（3-5）、（3-6）、（3-7）确定：(3-5)(3-6)(3-7)根据电源的设计要求，并保留适当余量，选取整流桥KBL410作为本电镀电源的输入整流器件，其电压定额为1000V，电流定额为4A。3．输入滤波电容的计算滤波电容的电容量大小要根据设计的要求进行计算。如果电容量选的过小，电压纹波就会达不到设计的要求，如果电容量选的过大，纹波电压会比较小，但是在电源上电时就会产生很大的浪涌电流。滤波电容的选择通常是先根据设计要求，计算满足电压纹波要求的最小电容值，然后选择比计算值稍大的标准电容值作为设计结果。对于交流离线式变换器，纹波电压一般设计为输入交流电压峰值的5%-8%，对于DC/DC变换器纹波电压峰峰值设计为0.1-0.5V。输入滤波电容的大小由公式（3-8）计算[11]：(3-8)式中为逆变器输入电流平均值（A），；为电容器的放电时间（S），当输入为三相交流时，选为2.2ms；输入为单向交流时，选为6.7ms。为允许纹波的脉动电压值（V），可取输入交流电压峰值的5%。为输出功率（W）；为变换器的效率。计算结果如下：(3-9)(3-10)(3-11)滤波电容的额定电压按式（3-12）确定：(3-12)式中为输入电压的有效值。根据计算结果，选择两只滤波电容并联。3.1.3高频逆变电路高频逆变电路的主要作用是把直流电转换成脉宽调制的交流电，其电路如图3-3所示。图3-3高频逆变电路Fig3-3Circuitofhighfrequencyinvert1．功率开关管选择功率开关管是开关电源中的关键器件，直接影响到电源的损耗和效率。常用作功率开关管的器件有绝缘栅双极型晶体管和场效应晶体管。IGBT与MOSFT相比，一般用于高电压、大电流电路，不过IGBT的关断速度比稍慢，通常用在开关频率小于20KHZ的电路中。本课题选用场效应晶体管作为主电路的开关管。场效应管的选取：(3-13)本文选IRFP440作为主电路开关管，该管，，。2．无损缓冲电路在硬开关状态下，功率开关管在开通和关断的过程中有可能承受过高的和的冲击，使开关管发热，如果不采取适当的保护措施，很可能导致功率开关管损坏。在功率开关电路中，通常设置缓冲电路或采用软开关技术，以防止瞬时过压、过流和过大的和对开关管的冲击，减小开关损耗，确保开关管工作在安全工作区。缓冲电路的形式有很多，常用的缓冲电路可以分为无源缓冲电路和有源缓冲电路。有源缓冲电路在电路结构和控制方法上比较复杂，而且成本较高。而以往的无源缓冲电路大部分都是用电容C吸收功率开关管关断时的能量，然后消耗在电阻R上，这虽然可以改善开关器件的关断特性，但却降低了电路的变换效率。并且在大功率场合，需要大功率的电阻，而消耗掉大量能量，甚至改变了设备的工作环境。为了简化电路，提高变换器效率，已经开始了对无源无损缓冲电路的研究和使用[23][24]。型无源无损缓冲电路是一种经常用于半桥和全桥的吸收电路[25]，其电路结构如图3-3中所示，电容和二极管、组成了的缓冲吸收电路，电容和二极管和组成了的缓冲吸收电路。在工作过程中，电容首先吸收功率开关电路中需要缓冲的能量，然后再将能量反馈回电源，因此该缓冲电路提高了电路的转换效率。在该电路中，由于工作频率比较高，二极管选用肖特基二极管。3.1.4高频变压器的设计在开关电源中，变压器参数的设计对电源的性能参数、可靠性、安全性，具有至关重要的影响。根据电源的设计要求，进行高频变压器的设计如下[26]：1．计算变压器二次测输出功率(3-14)2．计算变压器的视在功率变压器的视在功率。它的数值与变换器电路的结构有关。相关电路结构与视在功率的关系如下：全桥变换器：(3-15)半桥变换器：(3-16)推挽变换器：(3-17)本课题采用半桥结构，根据式（3-16）计算如下：(3-18)3．确定变压器的磁芯尺寸由视在功率计算变压器磁芯尺寸要求，即的值。(3-19)式中为窗口利用系数，典型值取=0.4；为波形系数，正弦波的为4.44，方波的为4；、是与磁芯结构有关的常数。本文采用软磁铁氧体磁性材料的EE型结构磁芯。取=200mT，电流密度系数取值为450，磁芯结构系数=-0.12，则：(3-20)只要选用磁芯的大于计算值，就可以满足功率传输的要求，但考虑到实际制作过程中的绕线、绝缘、散热及二次测中心抽头等具体情况，本文选用有较大裕量的EE40铁氧体磁芯，通过查表可得：，，。4．计算一、二次绕组匝数半周期内开关管的最大占空比，选取，则可求得(3-21)输入至变压器的最高直流电压为：(3-22)一次侧匝数为：(3-23)取一次侧的匝数为匝。二次侧匝数为：(3-24)取二次侧匝数为匝。5．计算一二次侧电流的有效值二次侧电流峰值为：(3-25)二次侧电流有效值为(3-26)一次侧电流峰值为：(3-27)一次侧电流有效值为：(3-28)6．计算绕组电流密度(3-29)取。7．计算一、二次侧线圈绕组导体面积、：(3-30)(3-31)副边输出有中间抽头，一、二次侧绕线面积若按分配，则一、二次侧线圈绕线面积为：(3-32)(3-33)高频电流在通过导体时，因内部和边沿所交链的磁通量不同，导致导体截面积上的电流分布不均匀，而是电流趋于表面流动，相当于有效截面积减小，这种现象被称为集肤效应。由于集肤效应，交变电流沿导体表面开始能达到的深度，称为穿透深度，20℃时铜导体穿透深度与频率的关系为：式中频率的单位为则有(3-34)考虑到趋附效应的影响，一次侧采用4根漆包线并绕，则一次绕组线规为：(3-35)取，由于二次侧电流较大，考虑采用铜皮绕制，根据EE40磁芯骨架尺寸，采用宽15mm的铜皮进行绕制，则铜皮的厚度为：(3-36)取厚的铜皮绕制。为了减少变压器的漏感，采用一、二次测加强耦合的结构布局，绕组结构如图3-4所示：图3-4高频变压器绕组结构Fig3-4Framediagramofhighfrequencytransformerwinding8．串联耦合电容的选择半桥变换器的高频变压器工作在双向磁化状态，理论上是不会出现偏磁现象的。但由于开关器件特性和驱动电路的不对称，也可能会引起偏磁，所以在半桥电路中应该设计防偏磁电路。在半桥电路中，一般是通过在变压器原边绕组中串联一个耦合电容来防止偏磁现象的发生，图3-3中即为所串电容。一般选用无极性的薄膜电容，为了电容在电流作用下的温升，应尽可能使用具有低等效串联电阻的电容器。电容的电容值为：(3-37)3.1.5高频整流滤波电路设计高频整流滤波电路包括高频整流和输出滤波电路。电路如图3-5。图3-5高频整流滤波电路Fig3-5Circuitofhighfrequencyrectifyfilteircuit1．高频整流电路在开关电源中，高频变压器输出脉冲信号的频率很高，必须使用高频整流管进行整流。常用的高频整流管有快恢复二极管、超快恢复二极管和肖特基二极管。在选择整流管时应尽可能选择正向压降小、反向恢复电流峰值小、正向恢复电压低和反向漏电流小的整流管。但是由于整流二极管都存在导通压降，即使是开关速度最快的肖特基二极管的导通压降也在之间，随着电源输出电压的降低和电源开关频率的不断提高，整流管的导通损耗在总损耗中所占比重可能会超过50%，这严重降低了电源的整体效率。电镀电源的输出电压一般都比较低，在电镀的过程中，有时电镀的电压会低于2V，这使得电镀电源的效率普遍较低。为了提高电源的效率，必须采取方法来减小整流管的导通压降。本文采用同步整流技术来降低整流管导通压降，图3-5中场效应管、组成了全波整流电路，、为MOS管寄生体二极管。根据输出电压和电流的设计要求，采用场效应管IRF3205作为同步整流管，IRF3205的参数为：，，。2．输出滤波电路设计输出滤波电路是把经过整流以后得到的方波脉冲信号变换成直流输出。滤波电感器计算（1）计算在允许纹波电流峰峰值的所需的电感量(3-38)选择为的20%，。（2）输出滤波电容额定工作电压的选取输出滤波电容器的工作电压一般由输出电压的最大值决定，由于各种情况的存在，在考虑选取电容器的额定电压时，要留有足够的裕度。一般选取裕度系数，取。(3-39)（3）滤波电容器容量计算输出滤波电容的容量选取常按照对纹波电压的要求来计算。(3-40)输出滤波电容一般采用低ESR的电解电容。但实际中的电容并不是理想电容，其等效电路为电容、电感和电阻的串并联，当电容工作在高频电路时，容抗会减少，甚至会变为感性。根据经验和实际验证，本文选用两个、两个的电解电容并联，并采用瓷片电容来滤除高频杂波。3.2电源控制电路的设计驱动电路是电源的重要组成部分。本文设计的电镀电源的驱动部分采用集成控制芯片SG3525A产生用于驱动控制的PWM信号[27]。3.2.1SG3525A芯片SG3525A是美国硅通用半导体公司最早生产的定频PWM控制器[28]，它是在第一代定频PWM控制器SG3524的基础上经过多项改进后推出的新产品。SG3525A内部集成了精密基准电源、误差放大器、带同步功能的振荡器、脉冲同步触发器、图腾柱式输出晶体管、PWM比较器、PWM锁存器、欠电压锁定电路以及关断电路。其内部原理框图如图3-6所示。图3-6SG3525A内部原理框图Fig3-6BlockdiagramofSG3525A1．SG3525A的主要改进（1）增加了欠电压锁定电路SG3525A的输入电压低于8V时，控制器内部电路锁定，除基准电源和一些必要电路之外的所有电路停止工作，使控制器消耗的电流极小。（2）增加了软启动电路增加软启动电路以后，使占空比由小逐渐变化到最大，这样可以避免开关电源在开机瞬间的电流冲击，以防止可能会造成的末级功率开关管的损坏。（3）增加了PWM锁存器为了使关断电路更加可靠地工作，SG3525A在其内部增加了PWM锁存器。（4）增加了同步端和放电端在SG3525A中对振荡器作了较大的改进，在SG3524中的振荡器只有CT及RT两个引脚的基础上，增加了放电引脚7，使充电电路和放电回路得以分开，便于通过RD来调节死区的时间，这一改进，大大提高了SG3525A的实用性。在SG3525A中增加的同步引脚3专为外部同步时使用，为多个SG3525（5）改进了输出级的结构由于功率MOSFET栅源之间存在电容，为了缩短功率MOSFET的关断时间，必须给功率MOSFET提供一条低阻通道，为了适应驱动MOSFET的这一需要，末级采用了推挽式电路，使MOSFET的关断速度更快。通过改进，使SG3525A的功能更加完善，从而使其获得了更为广泛的应用。2．SG3525A的工作原理SG3525A内部集成了5.1V的精密基准电源，微调精度达到±1.0%SG3525A内部集成了软启动电路，只需要在软启动接入端上接一个软启动电容就可以实现对软启动时间的调节，启动电容的大小决定了软启动时间的长短。在上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反相输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平，PWM锁存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有经过一段时间的充电，软启动电容上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525A才开始工作。在实际应用中，基准电压通常接在误差放大器的同相输入端，输出电压的采样电压接在误差放大器的反相输入端，当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM锁存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，保证SG3525A还设计了外部封锁信号输入引脚，用于过流、过压等保护的封锁信号输入，也可用于紧急情况下对输出进行封锁。外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当封锁信号输入引脚上的信号为高电平时，PWM锁存器将立即动作，禁止SG3525A的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。封锁信号输入引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号影响SG35253.2.2SG3525A的外围电路SG3525A的外围电路设计主要包括：振荡频率的计算、死区时间和软启动时间的设定。SG3525A的同相输入端接给定电压，PWM脉冲波形由11脚和14脚互补输出。为了防止输出短路时损坏芯片，在输出级的电源和输出端可接，的电阻。本文设计的SG3525A外围电路如图3-7所示[29][30]。根据设计要求，振荡器的电阻和电容由式（3-41）确定，SG3525A的振荡频率为。(3-41)选，，由式（3-41）可推出(3-42)为了获得较大的软启动时间，选择软启动电容参数为：，。图3-7SG3525A外围电路Fig3-7OutsidecircuitofSG3525A3.2.3驱动信号处理电路信号处理电路是对SG3525A输出的互补的两路信号进行延时和整形。本文设计的电镀电源采用半桥电路拓扑结构，输出整流采用外驱动的同步整流电路，共需要四路具有固定相位关系的驱动信号，且各驱动信号之间需要有固定的时间延迟，所以需要对SG3525A输出的两路互补信号进行处理[31]。信号处理电路如图3-8所示。图3-8驱动信号处理电路Fig3-8Treatmentcircuitofdrivesignal由SG3525A产生的脉冲信号PULSE1、PULSE2的幅值为15V，为了便于对信号进行延时处理，先利用74HC4050将15V逻辑信号转换为5V逻辑信号，然后利用与门74HC08对信号进行延时，最后利用74LS07将5V逻辑信号转换为幅值为15V的驱动信号。延时电路原理如下所述：74HC08的1、2、3脚的波形如图3-9中所示。当74HC4050的2脚输出为高电平时，74HC08的1脚立即跳变为高电平，由于电容的存在，74HC08的2脚上的电压不能跳变，会有一段时间的延迟，所以74HC08的3脚信号也不会立即跳变，当电容上的电压被充至74HC08的阈值电压时，74HC08的3脚信号立即跳变为高电平；当74HC4050的2脚输出变为低电平时，74HC08的3脚信号也会立即跳变为低电平。图中二极管的作用是为了使电容能够快速放电，便于下一脉冲来临时的重新充电。处理后的四路波形如图3-10所示。图3-10处理后的四路脉冲信号Fig3-10Signaloffourwaysphaseaftertreatment延时时间的计算：由电容的充电公式可推出：(3-43)查74HC08数据表可知，74HC08阈值电压的典型值为2.4V，取电容C为200P，电阻R为3.3K，则延时时间为(3-43)通过用示波器测量74HC4050和74HC08的输出波形，可得延时电路的延时时间为，两个结果差距较大，这主要是因为电阻、电容和芯片等器件在制造过程中参数都会存在偏移造成的。3.2.4TX-KD301驱动模块在MOS管开通时，要求栅极信号能够迅速达到导通电平，在MOS管关断时，驱动电压要能够很快降到门限电压以下。但由于存在