多波形微弧氧化脈沖電源的研究

王書強(qiáng), 蘇瑞濤, 賁洪奇(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系,黑龍江 哈爾濱 150001）

多波形微弧氧化脈沖電源的研究

王書強(qiáng), 蘇瑞濤, 賁洪奇
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系,黑龍江 哈爾濱 150001）

為滿足微弧氧化技術(shù)研究的需要,研制了可輸出多種脈沖波形的微弧氧化脈沖電源。電源的前級(jí)由兩臺(tái)直流電源構(gòu)成,利用TMS320F2812和觸摸屏組成的控制系統(tǒng)來控制功率開關(guān)器件IGBT的通斷,實(shí)現(xiàn)各種脈沖波形的輸出。由于脈沖電源可輸出多種脈沖波形,且脈沖參數(shù)均可在寬范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),可用于微弧氧化工藝研究、探索最佳工藝參數(shù)等對(duì)電源要求較高的場(chǎng)合。

多波形;脈沖電源;微弧氧化

0 前言

微弧氧化技術(shù)是一種金屬材料表面陶瓷化技術(shù)[1]。利用該技術(shù)可以在鋁、鎂、鈦等金屬及其合金表面制備不同的陶瓷氧化膜,使其具有耐磨、耐蝕、耐高溫和電絕緣等性能,具有良好的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。目前,微弧氧化電源已成為制約該技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的主要因素。因此,研制一種符合工藝要求的新型電源對(duì)于推動(dòng)微弧氧化技術(shù)的發(fā)展將起到重要作用[2]。

本文針對(duì)微弧氧化技術(shù)對(duì)電源的要求,設(shè)計(jì)了一種用于微弧氧化的多波形脈沖電源。該電源不僅可以輸出多種脈沖波形,而且可實(shí)現(xiàn)正、負(fù)向電壓幅值分別可調(diào)(正向電壓輸出范圍0～700 V、負(fù)向電壓輸出范圍0～300 V）、最大輸出電流100 A、脈沖頻率在50 Hz～10 000 Hz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)、輸出占空比在5%～90%間連續(xù)可調(diào)。

1 多波形脈沖電源主電路的設(shè)計(jì)

電源采用最先進(jìn)的高頻軟開關(guān)電源技術(shù)來實(shí)現(xiàn)輸出調(diào)節(jié),使用功率器件IGBT作為功率開關(guān),采用具有相互箝位作用的高壓脈沖實(shí)現(xiàn)電路,由DSP芯片對(duì)其進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)輸出脈沖波形的調(diào)節(jié),即:電源主要由AC/DC高頻轉(zhuǎn)換及直流輸出調(diào)節(jié)、高壓脈沖實(shí)現(xiàn)電路和控制系統(tǒng)三部分構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)示意圖,如圖1所示。

圖1 電源系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

脈沖電源系統(tǒng)的AC/DC高頻轉(zhuǎn)換及直流輸出調(diào)節(jié)部分的構(gòu)成框圖,如圖2所示。由圖2可知:三相交流輸入經(jīng)EMI及輸入整流電路后,進(jìn)行無源功率因數(shù)校正,得到一個(gè)直流電壓。這個(gè)直流電壓通過開關(guān)調(diào)整電路后,變成高頻交流脈沖波,經(jīng)輸出整流濾波電路后,變成直流輸出。通過電源控制電路對(duì)開關(guān)調(diào)整電路的控制,可得到一個(gè)連續(xù)可調(diào)的直流輸出電壓。

該脈沖電源系統(tǒng)的核心部分是開關(guān)調(diào)整電路部分。該部分電路,如圖3所示。由圖3可知:變壓器有兩個(gè)原邊繞組和一個(gè)副邊繞組。兩個(gè)原邊繞組分別接通一個(gè)雙管正激電路,但通過的勵(lì)磁電流的相位是相反的,而且交替工作。這樣變壓器的工作狀態(tài)就類似于全橋電路的雙向勵(lì)磁模式。在變壓器的副邊得到的是類似于全橋電路的交流輸出,而非普通雙管正激電路的單向脈動(dòng)輸出。因此,該電路既具有雙管正激電路無“直通”的優(yōu)點(diǎn),又具有全橋電路輸出功率大等特點(diǎn)。另外,與普通雙管正激電路相比,該電路在相同輸出電壓條件下,輸出整流二極管承受的電壓應(yīng)力要比普通雙管正激電路的低得多,可實(shí)現(xiàn)高電壓、大功率輸出的目的。

圖2 高頻大功率AC/DC轉(zhuǎn)換及調(diào)節(jié)部分原理圖

圖3 開關(guān)調(diào)整電路

現(xiàn)代高頻開關(guān)電源技術(shù)的應(yīng)用,在提高電源效率、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速率的同時(shí),使電源中不再含有笨重的工頻變壓器和工作在工頻狀態(tài)的晶閘管,不僅有效地降低了電源的體積和質(zhì)量,提高了電源使用的靈活性,而且提高了電源網(wǎng)側(cè)功率因數(shù),降低了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。該技術(shù)的應(yīng)用不僅消除了目前常用的晶閘管調(diào)壓電源存在的諸多缺點(diǎn),而且可以促進(jìn)微弧氧化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。

2 多波形脈沖電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)電源的技術(shù)要求,控制系統(tǒng)是以DSP芯片TMS320F2812為核心而開發(fā)的。作為 TI公司首推的控制芯片,TMS320F2812廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制,特別是應(yīng)用于對(duì)處理速度、處理精度要求較高的領(lǐng)域,能夠滿足電氣平臺(tái)的開發(fā)與設(shè)計(jì)[3]。以TMS320F2812為核心的控制系統(tǒng)需要完成以下功能:

(1）控制信號(hào)的輸出 輸出起?？刂菩盘?hào)和正、負(fù)兩路驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。

(2）參數(shù)的輸入 電源的相關(guān)參數(shù)設(shè)置由觸摸屏完成。

為實(shí)現(xiàn)上述的功能,TMS320F2812一方面實(shí)現(xiàn)與觸摸屏的通信;另一方面實(shí)現(xiàn)脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出。以DSP為核心的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖4所示。由圖4可知:參數(shù)的設(shè)定由觸摸屏完成,并由觸摸屏將相關(guān)的信息傳遞給 TMS320F2812。觸摸屏與TMS320F2812的通信采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行通信接口。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

工業(yè)觸膜屏是取代傳統(tǒng)控制面板和鍵盤的智能操作顯示器[4],用于設(shè)置參數(shù),顯示數(shù)據(jù),以動(dòng)畫等形式描繪自動(dòng)化控制過程。DSP與觸摸屏配套使用,一方面,擴(kuò)展了DSP的功能,使其能夠組成具有圖形化、交互式工作界面的獨(dú)立系統(tǒng);另一方面,也可大大減少操作臺(tái)上開關(guān)、按鈕、儀表等的使用數(shù)量,使操作更加簡便,工作環(huán)境更加舒適;而且觸摸屏體積小、工作穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用要求,觸摸屏需要完成以下功能:

(1）參數(shù)的輸入功能。

(2）置啟動(dòng)和停止按鈕以及相應(yīng)的指示燈。

(3）當(dāng)輸入數(shù)據(jù)超出范圍時(shí),觸摸屏具有報(bào)錯(cuò)功能。

(4）系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí),具有報(bào)警及顯示功能。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括:串行通信程序、觸摸屏程序以及脈沖發(fā)生程序等。由于觸摸屏采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行通信,在設(shè)計(jì) TMS320F2812的PCB板時(shí),預(yù)留了串行通信接口。由于在通信時(shí),收發(fā)雙方必須遵守共同的通信協(xié)議,因而在應(yīng)用中需要根據(jù)觸摸屏通信協(xié)議,在 TMS320F2812中編寫相應(yīng)的串行通信程序。為提高程序執(zhí)行效率和保證數(shù)據(jù)收發(fā)的正確,采用了串行中斷接收方式接收由觸摸屏發(fā)送來的數(shù)據(jù),采用掃描的方式向觸摸屏發(fā)送數(shù)據(jù)。TMS320F2812有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口SCIA和SCIB,這里使用的是SCIA,通信波特率設(shè)置為9 600 bps。

在程序的運(yùn)行過程中,首先執(zhí)行的是觸摸屏程序,以完成對(duì)輸入?yún)?shù)的設(shè)置以及參數(shù)的顯示。待參數(shù)設(shè)置和顯示完成以后,按動(dòng)觸摸屏的啟動(dòng)按鈕,向DSP發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)。DSP根據(jù)設(shè)置的參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖波形,用來控制開關(guān)器件的通斷。通過開關(guān)器件的通斷,可以使電源輸出滿足工藝要求的脈沖波形。

程序的流程圖,如圖5所示。脈沖波形發(fā)生程序的流程圖,如圖6所示。

圖5 程序流程圖

圖6 脈沖波形發(fā)生程序

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用于微弧氧化的多波形脈沖電源,利用示波器所觀察的脈沖波形如圖7,圖8,圖9和圖10所示(這里僅給出4種輸出波形示意圖,其它形式的輸出脈沖波形不再列出）。該電源輸出的不同脈沖波形,可以滿足微弧氧化工藝研究的不同要求。

圖7 單向脈沖電壓450 V,頻率500 Hz的脈沖波形

4 結(jié)論

隨著微弧氧化技術(shù)不斷發(fā)展,對(duì)微弧氧化脈沖電源要求越來越高,研制了可輸出多種脈沖波形的微弧氧化脈沖電源。由于采用了現(xiàn)代高頻開關(guān)電源技術(shù),不僅滿足了電源的容量要求,提高了電源效率,減少了電磁干擾,而且降低了使用費(fèi)用。針對(duì)電源輸出波形的具體要求,采用TMS320F2812和觸摸屏構(gòu)成脈沖電源的控制系統(tǒng),不僅實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的設(shè)置、顯示,而且實(shí)現(xiàn)了脈沖頻率、幅值、占空比的連續(xù)調(diào)節(jié)。實(shí)際應(yīng)用表明:該電源工作穩(wěn)定可靠,可滿足各種微弧氧化工藝的要求,特別適合在微弧氧化工藝研究、探索最佳參數(shù)等領(lǐng)域應(yīng)用。

圖8 正向脈沖電壓450 V,負(fù)向電壓220 V,頻率500 Hz的脈沖波形

圖9 電壓450 V,頻率500 Hz的單向多脈沖波形

圖10 正向脈沖電壓450 V,負(fù)向電壓220 V,頻率500 Hz的多脈沖波形

[1] 王彩麗,趙立新,邵忠財(cái).鋁合金、鎂合金微弧氧化功能陶瓷膜的研究進(jìn)展[J].電鍍與環(huán)保,2008,28(6）:1-4.

[2] 呂觀順,王海梅,姜兆華,等.不對(duì)稱正弦電源實(shí)現(xiàn)方式的研究[J].電鍍與環(huán)保,2005,25(1）:34-36.

[3] 孫麗明.TMS320F2812原理及其C語言程序開發(fā)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008:1-2.

[4] 陳妍妍,王明彥,高忠波,等.多波形脈沖電鍍電源控制系統(tǒng)的研究[J].電鍍與環(huán)保,2004,24(3）:30-31.

A Research on Multi-Waveform Pulse Power Source for Micro-arc Oxidation

WANGShu-qiang, SU Rui-tao, BEN Hong-qi
(Electric Engineering Department,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China）

To satisfy the research of micro-arc oxidation,a multi-waveform pulse power source for micro-arc oxidation have been developed.The first stage of the pulse power source is composed of two DC power supplies.It realizes the output of various pulse waveforms by using a control system consisting of TMS320F2812 and touch-screen to control on-off of IGBT.Since the pulse power source can output a variety of waveforms and the parameters can be regulated in a wide range,it can be used in the occasions with higher requirements on power source,such as research on the process of micro-arc oxidation,search for optimal technological parameters,etc.

multi-waveform;pulse power source;micro-arc oxidation

TQ 153

A

1000-4742(2010）02-0040-04

2009-09-02

·綜 述·