高智能監(jiān)控脈沖電鍍電源的研發(fā)與應(yīng)用

徐麗春

（遵義職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電控制工程系，遵義 563000）

0 引言

脈沖電鍍是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種電鍍技術(shù)，脈沖電鍍所依據(jù)的電化學(xué)原理是利用電流脈沖的張弛增加鍍槽陰極的活化極化和降低陰極的濃差極化，從而改善鍍層的物理化學(xué)性能。主要特點(diǎn)是能改善鍍層結(jié)構(gòu)，使鍍層平滑、細(xì)致，降低鍍層孔隙率和內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)提高鍍層抗蝕性、韌性及耐磨性，從而獲得成分穩(wěn)定的合金鍍層。在工業(yè)電鍍生產(chǎn)中，脈沖電鍍電源主要用于觸點(diǎn)類小零件的恒流鍍金工序，由于零件小，鍍層質(zhì)量要求高。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用的是數(shù)控雙脈沖方波電鍍電源，該雙脈沖電源具有脈沖、電流等參數(shù)的設(shè)置、顯示功能，但沒有電流監(jiān)控和脈沖監(jiān)控功能。由于電鍍現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，腐蝕性強(qiáng)，對(duì)于具有很多設(shè)置開關(guān)以及裸露的電路器件，這樣的環(huán)境對(duì)儀器會(huì)產(chǎn)生極大的不利，使用過程中一旦儀器出現(xiàn)故障，無法保證電鍍質(zhì)量，同時(shí)會(huì)造成不小的損失（零件報(bào)廢和鍍金成本損失）。

為此本項(xiàng)目開發(fā)的高智能脈沖電鍍電源主要針對(duì)如何解決環(huán)境對(duì)脈沖電源的腐蝕而造成質(zhì)量隱患、脈沖電流的監(jiān)測(cè)與控制、脈沖寬度的監(jiān)測(cè)與控制、提高控制精度方面進(jìn)行改善設(shè)計(jì)，以最大程度減少因環(huán)境因素或設(shè)備故障而造成的質(zhì)量問題或成本損失。

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 脈沖電源的主要技術(shù)指標(biāo)

由于繼電器觸點(diǎn)零件小，鍍層質(zhì)量要求高，現(xiàn)場(chǎng)使用的是數(shù)控雙脈沖方波電鍍電源，使用峰值電流最大為30A，常用占空比為0.1mS:0.5 mS、0.1 mS:0.8 mS、0.1 mS:0.9 mS三種方式。

1) 供電電源

輸入電源電壓AC220V±15%，50Hz，功耗≤500W。

2) 輸出脈沖電流

電流：0～30A(峰值)。

電壓：0～12V(峰值)。

3) 輸出脈沖波形和占空比

輸出波形：方波；

占空比：0.1mS:0.5 mS、0.1 mS:0.8 mS、0.1 mS:0.9 mS可選擇。

4) 監(jiān)控功能

具有電流監(jiān)控和脈沖寬度監(jiān)控功能。

1.2 原理設(shè)計(jì)

1) 整機(jī)原理設(shè)計(jì)

整個(gè)脈沖電源主要由可調(diào)恒流源和脈沖電源監(jiān)控系統(tǒng)組成，其中脈沖電源監(jiān)控系統(tǒng)包含電流斬波器、脈沖電源中央控制器和控制面板等，原理框圖如圖1所示。

第三，經(jīng)濟(jì)合理。對(duì)于規(guī)模較大的農(nóng)村供水工程，一般能做到通過方案比較和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，使得管道綜合造價(jià)低，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)，使用壽命長(zhǎng)，施工機(jī)具解決及安裝容易，維護(hù)維修方便、工作量少、成本低。但對(duì)于規(guī)模較小的工程，這方面做得還不夠。

圖1 整機(jī)原理框圖

可調(diào)恒流源：用于提供電鍍電流，根據(jù)不同零件電鍍工藝要求可進(jìn)行不同電流的設(shè)定，最大輸出直流電流為30A，開路電壓最大12V。

電流斬波器：該斬波器采用大功率MOS管對(duì)恒流源輸出的直流電流進(jìn)行斬波，通過脈沖電源中央控制器發(fā)出的斬波驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)控制MOS管的通斷，達(dá)到電流以脈沖方式輸出的目的，改變控制器輸出驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的占空比即可實(shí)現(xiàn)不同需求的脈沖電流或占空比輸出。

脈沖電源中央控制器：該中央控制器是脈沖電鍍電源的核心控制系統(tǒng)，它由單片機(jī)MCU、斬波脈沖發(fā)生器、脈沖整形驅(qū)動(dòng)電路、脈沖電流采樣、脈沖寬度采樣等部件組成一個(gè)完整的智能控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)控制面板的設(shè)定輸出對(duì)應(yīng)的斬波驅(qū)動(dòng)脈沖，同時(shí)對(duì)輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖和電流脈沖反饋信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)處理，達(dá)到智能監(jiān)控脈沖電鍍的目的。

控制面板：控制面板主要設(shè)置有輸出電流顯示控制儀表、輸出電流脈沖占空比選擇開關(guān)、輸出脈沖狀態(tài)指示和輸出脈沖電流狀態(tài)指示。

2) 脈沖電鍍電源的防腐蝕設(shè)計(jì)

可調(diào)恒流源的防腐蝕設(shè)計(jì)：電鍍場(chǎng)所的環(huán)境極差，濕度大、空氣含有的酸堿成分對(duì)儀器的腐蝕性強(qiáng)，為了保證儀器不被環(huán)境因數(shù)影響。在脈沖電鍍電源設(shè)計(jì)時(shí)采用了獨(dú)立的密封可調(diào)恒流電源，即包括電流調(diào)整旋鈕都被密封在恒流源的鋁合金腔體內(nèi)，這樣可調(diào)恒流源則可以完全避免環(huán)境因素所帶來的不利影響。

脈沖電源監(jiān)控系統(tǒng)的防腐蝕設(shè)計(jì)：在該監(jiān)控系統(tǒng)中，電流斬波器和中央控制器均集成在一塊印制電路板上，所有元器件采用直接焊接方式；所有印制板到控制面板或輸出接口之間的連接導(dǎo)線均采用螺釘壓接端子壓線方式，避免使用接插件而帶來受腐蝕后接觸不良的隱患。

圖3 脈沖電流檢測(cè)原理圖

脈沖發(fā)生器輸出的脈沖（PLS）通過ULN2004整形后（Q-PLS）驅(qū)動(dòng)MOS管對(duì)恒流源設(shè)定的電流進(jìn)行斬波，同時(shí)驅(qū)動(dòng)脈沖通過整形后反饋給中央控制器MCU的Pi/o（如圖2所示）。中央控制器通過采集Pi/o的低電平時(shí)間判斷輸出驅(qū)動(dòng)脈沖寬度是否符合要求，當(dāng)?shù)碗娖矫}寬大于0.1mS，中央控制器會(huì)對(duì)脈沖輸出禁止（使能S=1），切斷斬波器工作，使輸出脈沖電鍍電流為零。同時(shí)中央控制器還對(duì)電流傳感器的輸出進(jìn)行采樣，檢測(cè)輸出電流是否被切斷。

4) 電流監(jiān)控設(shè)計(jì)原理

脈沖峰值電流檢測(cè)原理設(shè)計(jì)如圖3所示。電流傳感器ACS750輸出的電流電壓曲線如圖4所示（1A=40m V），脈沖電源工作期間，監(jiān)控系統(tǒng)在接受脈沖電流監(jiān)控啟動(dòng)時(shí)，中央處理器根據(jù)當(dāng)前輸出脈沖峰值電流的檢測(cè)電壓值（Viv）自動(dòng)設(shè)置DA轉(zhuǎn)換器輸出V ref。比較器LM 339以V ref作為電流上限基準(zhǔn)，以(V ref-2.5)×R2/(R1+R2)+2.5作為下限基準(zhǔn)，其中R2=9×R1， 則比較器的上下限為當(dāng)前正常峰值電流Viv的±5%，計(jì)算公式如下：

N為當(dāng)前峰值電流。

圖4 電流傳感器電壓曲線圖

基準(zhǔn)電壓VH：VH=Vref=(Viv-2.5)×1.05+2.5 (V)

基準(zhǔn)電壓VL：VL=(Vref-2.5)×0.9+2.5 (V)

在輸出脈沖電流期間，中央處理器通過采集Pio1、Pio2的邏輯電平狀態(tài)，若電流峰值在合理范圍，則Pio1=0、 Pio2=0，若電流峰值小于設(shè)定的下限，則Pio1=1；若電流峰值大于設(shè)定的上限，則Pio2=1。在電流輸出期間，監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)對(duì)脈沖電流的寬度（Pio1=0和Pio2=0的時(shí)間）進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在電流輸出期間若電流脈沖寬度超差（＞0.1mS）或出現(xiàn)Pio1=1或Pio2=1時(shí)，中央控制器會(huì)對(duì)脈沖輸出禁止（圖2：使能S=1），切斷斬波器工作，使輸出脈沖電鍍電流為零。

5）脈沖電流有效值顯示與監(jiān)控原理設(shè)計(jì)

脈沖電流有效值顯示采用電流取樣電阻R和宇電智能儀表結(jié)合的顯示與控制方式(如圖5所示)，宇電智能儀表不但具有電流有效值顯示功能，還有上下限設(shè)定和報(bào)警功能。將報(bào)警輸出觸點(diǎn)連接于監(jiān)控系統(tǒng)MCU的Pio3，檢測(cè)有效值電流在設(shè)定上下極限范圍時(shí)，儀表處于正常監(jiān)測(cè)狀態(tài)，輸出Pio3的邏輯電平為1；當(dāng)有效值電流超出設(shè)定范圍，則儀表處于報(bào)警狀態(tài)，輸出到MCU的Pio3電平為0，這樣控制系統(tǒng)根據(jù)Pio3狀態(tài)判斷當(dāng)前脈沖電源輸出的電流有效值是否在設(shè)定范圍，當(dāng)出現(xiàn)超差，中央控制器會(huì)對(duì)脈沖輸出禁止（圖2：使能S=1），切斷斬波器工作，使輸出脈沖電鍍電流為零。

在出現(xiàn)任何異常狀態(tài)時(shí)，即脈寬檢測(cè)、脈沖電流檢測(cè)或有效值電流檢測(cè)出現(xiàn)異常后，中央控制器均會(huì)切斷斬波器工作，使輸出電流為零。為了確保不是因?yàn)閿夭ㄆ髟收蠈?dǎo)致的檢測(cè)異常，則在切斷斬波器工作期間，中央控制器繼續(xù)對(duì)ACS750的電流檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，即設(shè)置LM 339比較器的基準(zhǔn)V ref為2.5V+2m V，同時(shí)MCU檢測(cè)Pio2的邏輯狀態(tài)（如圖3所示），用以判別輸出電流是否為零（輸出電流為零時(shí)，Viv=2.5V）。若輸出電流不為零，則控制器啟動(dòng)強(qiáng)制保護(hù)措施，即斷開可調(diào)恒流源（JK-1），徹底避免輸出電流對(duì)電鍍鍍層質(zhì)量的影響。

6) 高性能、低功耗的32位嵌入式微處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該脈沖電鍍電源采用32位嵌入式微處理器系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的工業(yè)控制領(lǐng)域，多年來一直由基于X 86架構(gòu)和8/16位架構(gòu)的微處理器占據(jù)，基于X 86架構(gòu)的微處理器具有較高的性能，但成本、功耗和體積不太令人滿意，而基于8/16位架構(gòu)的微處理器，具有成本、功耗和體積的優(yōu)勢(shì)，但性能較低，不能用于需求比較復(fù)雜的場(chǎng)合。

近幾年來，隨著以ARM為代表的32位嵌入式微處理器的逐漸推廣使用，為工業(yè)控制應(yīng)用開辟了一個(gè)新的發(fā)展方向，32位ARM架構(gòu)的嵌入式微處理器具有高性能、低功耗、低成本、小體積的特點(diǎn)，適合于新一代工業(yè)控制系統(tǒng)的需求。該監(jiān)控脈沖電鍍電源的控制以單片機(jī)為核心。通過對(duì)輸出電壓、電流的檢測(cè)，通過實(shí)時(shí)處理，經(jīng)輸出口發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。協(xié)調(diào)、控制各個(gè)部分電路。當(dāng)有任何故障狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)．單片機(jī)內(nèi)定時(shí)器立即停止計(jì)數(shù)。所有PWM輸出引腳全部呈高阻狀態(tài)，產(chǎn)生中斷信號(hào)．通知單片機(jī)有故障情況。

圖5 脈沖電流有效值檢測(cè)與監(jiān)控原理圖

2 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目對(duì)如何解決電鍍現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)脈沖電源的腐蝕而造成質(zhì)量隱患、脈沖電流的監(jiān)控、脈沖寬度的監(jiān)控、提高微處理器的掃描速度四個(gè)方面進(jìn)行專項(xiàng)技術(shù)研發(fā)，以最大程度減少因設(shè)備原因而造成的質(zhì)量問題或成本損失。與傳統(tǒng)的脈沖電鍍電源相比，具有穩(wěn)定、精度高、安全、高效之特點(diǎn)，其市場(chǎng)前景廣闊。是一具有高附加值的電氣新產(chǎn)品，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益十分明顯，由于技術(shù)的提高，設(shè)備的改進(jìn)，工藝的優(yōu)化，減少設(shè)備的維護(hù)成本和過程控制成本，提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，減少產(chǎn)品廢品率，將會(huì)給企業(yè)帶來強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)效益，該脈沖電鍍電源通過耐環(huán)境設(shè)計(jì)后，大大提高了脈沖電源的可靠性；增加脈沖寬度監(jiān)控和脈沖電流監(jiān)控設(shè)計(jì)后，達(dá)到了脈沖電鍍參數(shù)智能監(jiān)控的目的，為保證電鍍質(zhì)量、降低電鍍成本具有非常重要的意義。隨著脈沖電鍍理論研究的進(jìn)一步成熟，新方法的誕生和更高電流密度電源的出現(xiàn)，脈沖電鍍將能夠解決更多直流電源不能解決的一些問題，有助于它在合金電鍍領(lǐng)域取得更大的發(fā)展，這將是脈沖電鍍發(fā)展的一個(gè)主要方向。

[1] 黃子勛,吳純素.電鍍理論[M].中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社,1982.

[2] 向國(guó)樸.脈沖電鍍的原理與應(yīng)用[M].天津科學(xué)技術(shù)出版社,1989.

[3] 張振榮,晉明武.等.MCS-51單片機(jī)原理及實(shí)用技術(shù)[M].人民郵電出版社,2000.