多模式精密脈沖電鍍電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戴越，張林，劉廣民，龍飛，張勇斌，文賽科，荊奇

（中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽， 621900）

目前，在多種應(yīng)用中均要求鍍金層致密性好，孔隙率低，且具有極小的晶粒尺寸［1-5］，因此，獲得極高質(zhì)量的鍍金層至關(guān)重要。在現(xiàn)有的制備方法中，脈沖電鍍，包括單向脈沖和周期換向脈沖電鍍，是獲得高質(zhì)量鍍金層的常用方法［6-8］。研究發(fā)現(xiàn)在脈沖鍍金過程中，脈沖電源輸出的脈沖參數(shù)，包括脈沖模式、脈沖電流均值、脈沖寬度、占空比等均會影響鍍金層的微觀形貌和物理、化學(xué)性能，是決定鍍金層質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一［9-12］。為了獲得高質(zhì)量鍍金層，需要設(shè)計(jì)能夠輸出穩(wěn)定波形、電流控制精度高的脈沖電源。然而，現(xiàn)有的脈沖電鍍電源多是面向于大功率、大電流的電鍍金應(yīng)用［13-14］，仍然存在很多不足，包括電流控制精度不高，最低只能達(dá)到近百毫安；不能產(chǎn)生任意組合形式、任意脈沖電流幅值的脈沖波形；脈沖電流波形達(dá)到峰值時(shí)有比較明顯的過沖、振鈴等問題，因此難以滿足零件精密電鍍的要求。

針對上述問題，研制以MCU（Microcontroller Unit）和FPGA（Field Programmable Gate Array）為控制核心的多模式高精度脈沖電鍍電源，該電源具有如下優(yōu)勢：基于電子觸摸屏操作，提供了便捷的人機(jī)交互，可實(shí)現(xiàn)脈沖電流均值、脈寬、占空比等關(guān)鍵脈沖電參數(shù)的任意設(shè)置和調(diào)節(jié)；可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的脈沖波形及對應(yīng)脈沖電壓電流參數(shù)，便于對電源脈沖輸出的監(jiān)測；可輸出多種模式的脈沖波形，包括正向單脈沖、正向群脈沖和正反向群脈沖；電流控制精度高，脈沖波形的最大峰值電流達(dá)到20 A時(shí)仍能將均值電流精度控制在±10 mA以內(nèi)；輸出的脈沖電流波形平滑穩(wěn)定，無明顯的過沖、振鈴。

1 高精度脈沖電鍍電源硬件設(shè)計(jì)

1.1 脈沖電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)方便快捷地調(diào)整脈沖直流電源的電參數(shù)以及實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前脈沖輸出狀態(tài)，提出了如圖1所示電源硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，整個(gè)脈沖電源系統(tǒng)主要由四個(gè)模塊組成，包括觸摸屏單元、MCU控制單元（C8051）、FPGA控制單元（Altera，EP4CE75FE23I 7）以及驅(qū)動主電路。在觸摸屏單元上可實(shí)現(xiàn)對脈沖電參數(shù)：包括脈沖模式、脈沖電流均值、脈寬、占空比等參數(shù)的任意設(shè)置，設(shè)置完成后通過UART通信的方式將設(shè)定的參數(shù)傳遞給MCU。同時(shí)觸摸屏也能實(shí)時(shí)接收和顯示MCU反饋的電流、電壓參數(shù)以及電源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，便于用戶直接觀察電源當(dāng)前實(shí)際的脈沖輸出情況。MCU控制單元在整個(gè)系統(tǒng)中主要起到通信中轉(zhuǎn)的作用，一方面接收和解析觸摸屏下發(fā)的脈沖參數(shù)，并以自定義總線的方式將該參數(shù)傳遞給FPGA，另一方面，接收FPGA反饋的電流、電壓參數(shù)，并反饋給觸摸屏。作為整個(gè)電源系統(tǒng)的控制核心，F(xiàn)PGA既與MCU通信以完成脈沖參數(shù)的接收和電流、電壓參數(shù)的反饋，同時(shí)又負(fù)責(zé)控制正反向調(diào)壓電路、脈沖產(chǎn)生電路、MOSFET驅(qū)動電路，以及電壓和電流反饋電路等，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量脈沖的輸出控制。

圖1 精密脈沖電鍍電源系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of precision pulse plating power supply system

驅(qū)動主電路由圖2所示調(diào)壓和多模式脈沖產(chǎn)生兩級電路組成。第一級調(diào)壓電路以直流電源（48 V，DC）作為輸入充電電源，F(xiàn)PGA通過控制電源輸出端MSOFET的開關(guān)來完成對儲能供電模塊的電壓調(diào)節(jié)，使第二級供電電壓穩(wěn)定到預(yù)期的目標(biāo)電壓值，實(shí)現(xiàn)對脈沖電流波形的幅值調(diào)節(jié)，完成儲能；第二級脈沖產(chǎn)生電路則以儲能供電模塊作為電壓輸出模塊，第一級的目標(biāo)電壓此時(shí)可作為第二級輸入電壓，F(xiàn)PGA通過控制儲能供電模塊輸出端MOSFET的開關(guān)來完成對不同脈沖模式、脈沖寬度以及占空比脈沖特性的控制，最終穩(wěn)定輸出與設(shè)定參數(shù)一致脈沖電流波形。

圖2 電源驅(qū)動主電路拓?fù)鋱DFig.2 Topology diagram of main circuit of power drive

1.2 調(diào)壓電路設(shè)計(jì)

在電鍍過程中，脈沖電流的穩(wěn)定輸出是獲得高質(zhì)量鍍金層的關(guān)鍵因素之一。為了實(shí)現(xiàn)對電源系統(tǒng)的脈沖電流幅值的穩(wěn)定控制，通過將輸入的直流電壓調(diào)控到符合要求的目標(biāo)電壓值，從而實(shí)現(xiàn)特定電流幅值穩(wěn)定輸出的策略。由于本電源系統(tǒng)的正反向調(diào)壓電路原理類似，故以正向電壓調(diào)節(jié)為例做簡要分析。如圖3所示，利用非隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換方案，以48 V直流電源作為供電輸入，通過動態(tài)占空比調(diào)節(jié)算法控制MOSFET Q1的開關(guān)以調(diào)節(jié)儲能電容C33兩端的電壓，由于該儲能電容的電壓是脈沖產(chǎn)生電路的輸入電壓，所以調(diào)節(jié)該電壓即可實(shí)現(xiàn)對脈沖電流幅值的有效控制。特別地，在二極管D1和MOSFET Q1之間串聯(lián)電阻R26可以增大儲能電容充電時(shí)間以降低電壓調(diào)節(jié)難度。

圖3 精密脈沖電鍍電源電壓調(diào)節(jié)原理圖Fig.3 Schematic diagram of voltage regulation of preci‐sion pulse electroplating power supply

1.3 多模式脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

為了產(chǎn)生包括直流、正向單脈沖、正向群脈沖、正反向群脈沖和組合脈沖等不同模式的脈沖波形，本研究提出了橋式MOSFET脈沖產(chǎn)生電路，如圖4所示。電鍍過程中，當(dāng)需要產(chǎn)生正向單脈沖或正向群脈沖時(shí)，保持Q5常開且Q3常閉，同時(shí)通過周期性開關(guān)Q2實(shí)現(xiàn)對輸入信號的斬波，使得正向電流以脈沖的形式流過電鍍液，從而產(chǎn)生周期性的正向脈沖；同理，當(dāng)需要產(chǎn)生反向脈沖時(shí)，則保持MOSFET Q3常開且Q5常閉，通過周期性開關(guān)MOSFET Q4實(shí)現(xiàn)斬波，使得反向電流以脈沖的形式流過電鍍液，從而產(chǎn)生反向脈沖；特別地，當(dāng)需要產(chǎn)生正、反向群脈沖時(shí)，有序、交替地按照當(dāng)前脈沖方向開關(guān)Q3和Q5并通過周期性開關(guān)Q2、Q4實(shí)現(xiàn)斬波即可實(shí)現(xiàn)正、反向交替脈沖輸出。多種模式的脈沖組合形式為滿足多種零件的電鍍需求提供了有力保證。

圖4 精密脈沖電鍍電源脈沖產(chǎn)生原理圖Fig.4 Schematic diagram of pulse generation of precision pulse electroplating power supply

1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)脈沖電流高精度、穩(wěn)定輸出，以FPGA為控制核心，采用精度高、采集速率快的AD7985構(gòu)建脈沖電鍍電源的電流、電壓雙閉環(huán)檢測反饋控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對電流和電壓的實(shí)時(shí)、高速采集，如圖5所示。其中電流采集原理為：電路中的脈沖電流經(jīng)過霍爾傳感器轉(zhuǎn)化為電壓信號，再通過電壓反饋放大之后輸入AD7985，在FPGA的控制下實(shí)現(xiàn)電流檢測。同理，電壓檢測的原理為：反饋的電壓經(jīng)過隔離放大之后進(jìn)行AD模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電壓檢測。其中所選用的AD7985可以實(shí)現(xiàn)16位轉(zhuǎn)換，且采集速率能達(dá)到2.5 MSPS，可實(shí)現(xiàn)信號的高精度、高速采集。在FPGA控制系統(tǒng)中對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波處理，確保采集穩(wěn)定性。

圖5 精密脈沖電鍍電源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of data acquisition system for precision pulse electroplating power supply

2 高精度脈沖電鍍電源軟件設(shè)計(jì)

2.1 MCU與FPGA通信設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)MCU與FPGA之間脈沖電參數(shù)和實(shí)際電流、電壓參數(shù)的高效可靠傳輸，采用了自定義總線數(shù)據(jù)并行通信模式實(shí)現(xiàn)雙處理器間數(shù)據(jù)通信。該模式包含控制總線和數(shù)據(jù)總線，其中8路IO總線用于控制數(shù)據(jù)傳輸，16路IO總線用于MCU向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)，另16路IO總線用于MCU從FPGA接收數(shù)據(jù)。比如MCU向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)的通信總體策略是：數(shù)據(jù)整體打包發(fā)送，即MCU連續(xù)向FPGA發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA接收完所有數(shù)據(jù)之后，以求和的方式完成數(shù)據(jù)校驗(yàn)，如果校驗(yàn)成功則視為發(fā)送成功，否則視為發(fā)送失?。蝗暨B續(xù)多次失敗則停止發(fā)送，MCU同時(shí)向觸摸屏反饋錯誤信息，觸摸屏顯示報(bào)錯提醒，如圖6所示。FPGA向MCU反饋數(shù)據(jù)也采取相似策略。

圖6 MCU與FPGA通信流程Fig.6 Communication process of MCU and FPGA

2.2 電壓精密調(diào)節(jié)軟件設(shè)計(jì)

在實(shí)際電鍍中，電鍍液電阻會隨電鍍液離子濃度的變化而變化，導(dǎo)致系統(tǒng)電流不穩(wěn)定［15］，而穩(wěn)定的電流對于確保鍍金層質(zhì)量至關(guān)重要，所以為了實(shí)現(xiàn)對電流的恒定控制，提出了以下控制策略：

（1）在脈沖間隙進(jìn)行電壓調(diào)控。當(dāng)產(chǎn)生脈沖時(shí)不進(jìn)行電壓調(diào)控，而不產(chǎn)生脈沖時(shí)則根據(jù)最新的目標(biāo)電壓值進(jìn)行電壓調(diào)控，消除在脈沖產(chǎn)生過程中因?yàn)殡妷赫{(diào)節(jié)而高速開關(guān)MOSFET所引起的過沖和震蕩，從而產(chǎn)生無過沖無震蕩的脈沖波形，如圖7所示。

圖7 電壓調(diào)控時(shí)機(jī)示意圖Fig.7 Schematic diagram of voltage regulation timing

（2）采用自適應(yīng)動態(tài)調(diào)節(jié)占空比的方法。首先，通過調(diào)試以確定多組占空比參數(shù)表（一共分為四組），在進(jìn)行電壓調(diào)控之前，先通過查表的方式根據(jù)目標(biāo)電壓所處范圍，確定相應(yīng)的調(diào)壓占空比，其中每一組的電壓值都對應(yīng)五段占空比，如圖8所示。比如當(dāng)目標(biāo)電壓大于0 mV小于6000 mV時(shí)，調(diào)壓MOSFET第一階段占空比40%，第二階段占空比30%，以此類推，逐步減小占空比。然后根據(jù)檢測電壓與目標(biāo)電壓的數(shù)值關(guān)系來確定具體的調(diào)壓占空比。比如，當(dāng)檢測電壓小于目標(biāo)電壓值的一半時(shí)賦予第一階段占空比；而當(dāng)檢測電壓大于目標(biāo)電壓值的一半且小于目標(biāo)電壓的四分之三時(shí)則賦予第二階段占空比；而當(dāng)檢測電壓大于目標(biāo)電壓值+100 mV時(shí)，則直接關(guān)閉調(diào)壓MOSFET，如圖9所示。

圖8 自適應(yīng)動態(tài)調(diào)節(jié)占空比流程圖Fig.8 Flow chart of adaptive and dynamic adjustment of duty cycle

圖9 電壓調(diào)控流程圖Fig.9 Flow chart of voltage regulation

2.3 多模式脈沖產(chǎn)生軟件設(shè)計(jì)

通過有序開關(guān)MOSFET可產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖波形，根據(jù)前述脈沖產(chǎn)生電路和控制策略，通過準(zhǔn)確控制Q2、Q5以及Q3、Q4的開關(guān)順序即能準(zhǔn)確產(chǎn)生相應(yīng)模式的脈沖。在正向群脈沖時(shí)間段內(nèi)，首先關(guān)閉Q3且打開Q5，然后只要計(jì)數(shù)器小于一個(gè)正向脈寬就將Q2打開，否則將Q2關(guān)閉。當(dāng)運(yùn)行時(shí)間超過正向群脈沖時(shí)間時(shí)，關(guān)閉Q5，延時(shí)1 μs之后再關(guān)閉Q3。同樣的，只要計(jì)數(shù)器小于一個(gè)反向脈寬就將Q4打開，否則將Q4關(guān)閉。最后，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間超過一組正反向脈沖時(shí)間時(shí)，關(guān)閉所有MOSFET，相應(yīng)的流程圖如圖10所示。

圖10 脈沖產(chǎn)生制策略流程圖Fig.10 Pulse generation system strategy flowchart

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

基于上述的硬件和軟件設(shè)計(jì)方案，成功完成了多模式精密脈沖電鍍電源樣機(jī)研制。本電源基于全觸屏操作，通過電子觸摸屏界面可以提供更好的人機(jī)交互，可方便、快捷地完成多種脈沖電參數(shù)設(shè)置，可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的脈沖波形及對應(yīng)脈沖電壓電流參數(shù)，便于對電源脈沖輸出的監(jiān)測。如圖11所示，當(dāng)前設(shè)置脈沖電參數(shù)為：正反交替脈沖模式，正向脈沖均值為200 mA，脈寬為100 μs，占空比為1∶10，脈沖數(shù)為2個(gè)，反向脈沖電參數(shù)設(shè)定值與正向相同。操作界面波形示意及脈沖參數(shù)均可準(zhǔn)確直觀地顯示電源當(dāng)前工作情況，從圖11（b）可看出當(dāng)前脈沖電流均值穩(wěn)定且準(zhǔn)確，脈沖形式及波形狀態(tài)符合設(shè)置要求。

圖11 多模式高精度脈沖電鍍電源操作界面Fig.11 Operation interface of multi-mode high-precision pulse electroplating power supply

3.1 脈沖波形輸出測試

為了評價(jià)脈沖電鍍電源的脈沖產(chǎn)生與調(diào)控性能，包括脈沖輸出模式、脈沖穩(wěn)定性及電流控制精度，搭建脈沖輸出測試平臺，分別測試和記錄了不同脈沖模式及不同脈沖參數(shù)設(shè)定下的脈沖電流波形。

圖12（a）為單個(gè)典型脈沖電流波形，可以看到波形平滑、穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯的過沖、振鈴，并且脈沖的上升和下降沿陡峭，沒有明顯的延時(shí)，說明脈沖電流波形幅值調(diào)控策略優(yōu)異，有效避免了過沖和震蕩的產(chǎn)生。圖12（b）為正向單脈沖實(shí)測波形，脈沖參數(shù)為正向均值電流0.6 A，脈寬100 μs，占空比1∶10。多個(gè)脈沖形狀一致，峰值無差異，占空比保持穩(wěn)定，波形質(zhì)量好。圖12（c）為正向群脈沖實(shí)測波形，脈沖參數(shù)為正向均值電流0.5 A，脈寬100 μs，占空比1∶10，脈沖數(shù)2個(gè)，群間隔數(shù)2個(gè)。脈沖可以明顯看出群間隔，脈沖產(chǎn)生數(shù)量及間隔時(shí)間均符合設(shè)定要求。圖12（d）為正反向交替雙極性脈沖波形測試圖，脈沖參數(shù)為正向均值電流0.35 A，脈寬100 μs，占空比1∶10，脈沖數(shù)5個(gè)，反向均值電流0.17 A，脈寬100 μs，占空比1∶10，脈沖數(shù)2個(gè)。正反雙向脈沖交替正常，脈沖個(gè)數(shù)符合設(shè)定要求，脈沖峰值及脈沖形狀均保持一致。

由圖12可以看到實(shí)際脈沖波形的脈寬、占空比和脈沖數(shù)均與設(shè)定的脈沖電參數(shù)一致，所有脈沖波形峰值穩(wěn)定，未發(fā)生明顯波動，沒有出現(xiàn)過沖，說明脈沖整體幅值調(diào)控策略優(yōu)異，脈沖精度高，輸出穩(wěn)定性好。

圖12 多模式高精度脈沖電鍍電源脈沖波形Fig.12 Pulse shape of multi-mode high-precision pulse electroplating power supply

3.2 零件電鍍測試

采用如圖13（a）所示銅基底試件進(jìn)行電鍍測試，同時(shí)進(jìn)行多個(gè)試件電鍍，電鍍參數(shù)如下表1所示，電鍍后對試件宏觀及微觀形貌進(jìn)行觀測。

表1 電鍍測試加工參數(shù)Tab.1 Electroplating test processing parameters

對比圖13（a）和（b）可以發(fā)現(xiàn)，零件鍍金前后表面形貌有明顯差異，零件鍍金后的鍍層呈現(xiàn)光亮的金黃色且無明顯缺陷，說明從宏觀判斷鍍金質(zhì)量很好，達(dá)到了鍍層表面質(zhì)量評價(jià)的較高標(biāo)準(zhǔn)。另外，采用熱震實(shí)驗(yàn)測試了鍍層的結(jié)合力，將該樣件放入溫度為240℃的馬弗爐中，時(shí)間為30 min，然后迅速拿出放入常溫水槽中驟冷，觀察到該零件鍍金層完好，未出現(xiàn)起皮等現(xiàn)象，說明鍍層結(jié)合力良好。

圖13 試件鍍金前后照片F(xiàn)ig.13 Macroscopic morphology of specimen before and after gold plating

為評價(jià)該零件鍍層的微觀質(zhì)量，記錄了鍍層的SEM圖，如圖14所示?？梢钥吹藉儗映手旅艿膶盈B分布，無孔隙，無明顯的胞狀顆粒，即該鍍層具有極高的致密性、極低的孔隙率和極小的晶粒尺寸，說明本精密脈沖電鍍電源可以很好滿足精密鍍金需求。

圖14 鍍金層的SEM圖Fig.14 SEM image of the surface morphology of the gold-plated layer

4 結(jié)論

本文提出了研制以MCU和FPGA為控制核心的多模式精密脈沖電鍍電源，基于全觸摸屏操作，提供了便捷的人機(jī)交互，可實(shí)現(xiàn)脈沖電流均值、脈寬、占空比等關(guān)鍵脈沖電參數(shù)的任意可調(diào)；可輸出任意模式的脈沖波形，且脈沖幅值任意可調(diào)；工作中可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的脈沖波形及對應(yīng)脈沖電壓電流參數(shù)，便于對電源脈沖輸出的監(jiān)測；且脈沖平均電流精度可到10 mA以內(nèi)；輸出波形平滑穩(wěn)定，無明顯的過沖、振鈴?；谠撾婂冸娫?，成功制備了宏觀形貌好，致密性好、晶粒尺寸小的高質(zhì)量鍍金層，可有效滿足多種零件的精密脈沖電鍍需求。另外，本研究提出的脈沖產(chǎn)生方法及恒流控制策略為其他精密脈沖電源設(shè)備研制提供了可靠借鑒。