基于FPGA的多参数组合脉冲电镀电源控制器设计研究及应用

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电镀脉冲在细化结晶、改善镀层物理化学性能、缩短电镀周期、节约贵金属等方面比传统的直流电镀有着无可比拟的优越性。脉冲参数与镀层结构、性能之间有密切的关系,要想获得更理想的沉积层,必须有效的控制脉冲参数,多参数组合脉冲电镀电源逐渐显示出普通单向脉冲和双脉冲电镀电源无法比拟的优点。现有多参数组合脉冲电镀电源控制器的研究,多是以单片机、ARM处理器或者PLC为控制核心,外扩其他逻辑电路完成系统控制任务,虽参数满足设计要求,但功能相对较少,不利于优化工艺。本课题的主要任务就是基于FPGA设计出高精度、高可靠性、高集成度和柔性化的多参数组合脉冲电镀电源控制器,满足生产需求,也便于在科研上寻求最优的电镀参数组合。  整个多参数组合脉冲电镀电源控制器采用基于FPGA的SOPC的设计方式,实现了双向不对称脉冲参数(包括正、负脉冲频率、占空比、脉冲个数以及正负脉冲交替运行次数等参数)的大范围连续可调,同时该控制器还可设定正负脉冲恒流/恒压幅值。该控制器可适应不同的电镀行业,具有良好的通用性、柔性、实用性和可推广性。本控制器系统由SOPC核心系统及其外围硬件电路组成。  SOPC核心系统为面向目前脉冲电镀电源的通用系统,对于不同系统需求,不需改动SOPC核心板电路,仅需微调SOPC设计文件并增减相应的外围硬件电路即可。  采用Verilog HDL进行了控制器SOPC设计,按照自顶向下的设计方法首先将该SOPC划分成微控制单元和多参数组合脉冲发生两个功能模块,然后又将这两个功能模块继续划分成多个子模块。本文对各个模块的设计、仿真、综合、布局布线、编程下载和测试验证等都进行了详细的讨论。  最后按照自底向上的设计方法讨论了控制器SOPC的设计集成,并将该SOPC设计文件下载到控制器系统板的FPGA上,进行了系统级测试验证。测试结果完全达到了控制器系统的预期设计要求。该控制器系统的开发实现,不仅提高了多参数组合脉冲电镀电源的性能,而且还对SOPC设计相关领域的研究有重要的探索意义和参考价值。
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