多波形微弧氧化脈沖電源的研究

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

多波形微弧氧化脈沖電源的研究

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

為滿足微弧氧化技術研究的需要,研制了可輸出多種脈沖波形的微弧氧化脈沖電源。電源的前級由兩臺直流電源構成,利用TMS320F2812和觸摸屏組成的控制系統來控制功率開關器件IGBT的通斷,實現各種脈沖波形的輸出。由于脈沖電源可輸出多種脈沖波形,且脈沖參數均可在寬范圍內連續可調,可用于微弧氧化工藝研究、探索最佳工藝參數等對電源要求較高的場合。

多波形;脈沖電源;微弧氧化

0 前言

微弧氧化技術是一種金屬材料表面陶瓷化技術[1]。利用該技術可以在鋁、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,具有良好的應用前景和發展空間。目前,微弧氧化電源已成為制約該技術應用和發展的主要因素。因此,研制一種符合工藝要求的新型電源對于推動微弧氧化技術的發展將起到重要作用[2]。

本文針對微弧氧化技術對電源的要求,設計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,而且可實現正、負向電壓幅值分別可調(正向電壓輸出范圍0～700 V、負向電壓輸出范圍0～300 V）、最大輸出電流100 A、脈沖頻率在50 Hz～10 000 Hz范圍內連續可調、輸出占空比在5%～90%間連續可調。

1 多波形脈沖電源主電路的設計

電源采用最先進的高頻軟開關電源技術來實現輸出調節,使用功率器件IGBT作為功率開關,采用具有相互箝位作用的高壓脈沖實現電路,由DSP芯片對其進行控制來實現輸出脈沖波形的調節,即:電源主要由AC/DC高頻轉換及直流輸出調節、高壓脈沖實現電路和控制系統三部分構成。其結構示意圖,如圖1所示。

圖1 電源系統構成示意圖

脈沖電源系統的AC/DC高頻轉換及直流輸出調節部分的構成框圖,如圖2所示。由圖2可知:三相交流輸入經EMI及輸入整流電路后,進行無源功率因數校正,得到一個直流電壓。這個直流電壓通過開關調整電路后,變成高頻交流脈沖波,經輸出整流濾波電路后,變成直流輸出。通過電源控制電路對開關調整電路的控制,可得到一個連續可調的直流輸出電壓。

該脈沖電源系統的核心部分是開關調整電路部分。該部分電路,如圖3所示。由圖3可知:變壓器有兩個原邊繞組和一個副邊繞組。兩個原邊繞組分別接通一個雙管正激電路,但通過的勵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就類似于全橋電路的雙向勵磁模式。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輸出。因此,該電路既具有雙管正激電路無“直通”的優點,又具有全橋電路輸出功率大等特點。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力要比普通雙管正激電路的低得多,可實現高電壓、大功率輸出的目的。

圖2 高頻大功率AC/DC轉換及調節部分原理圖

圖3 開關調整電路

現代高頻開關電源技術的應用,在提高電源效率、動態響應速率的同時,使電源中不再含有笨重的工頻變壓器和工作在工頻狀態的晶閘管,不僅有效地降低了電源的體積和質量,提高了電源使用的靈活性,而且提高了電源網側功率因數,降低了對電網的諧波污染。該技術的應用不僅消除了目前常用的晶閘管調壓電源存在的諸多缺點,而且可以促進微弧氧化技術的進一步發展和應用。

2 多波形脈沖電源控制系統的設計

2.1 控制系統硬件設計

根據電源的技術要求,控制系統是以DSP芯片TMS320F2812為核心而開發的。作為 TI公司首推的控制芯片,TMS320F2812廣泛應用于工業控制,特別是應用于對處理速度、處理精度要求較高的領域,能夠滿足電氣平臺的開發與設計[3]。以TMS320F2812為核心的控制系統需要完成以下功能:

(1）控制信號的輸出 輸出起停控制信號和正、負兩路驅動脈沖信號。

(2）參數的輸入 電源的相關參數設置由觸摸屏完成。

為實現上述的功能,TMS320F2812一方面實現與觸摸屏的通信;另一方面實現脈沖驅動信號的輸出。以DSP為核心的控制系統結構,如圖4所示。由圖4可知:參數的設定由觸摸屏完成,并由觸摸屏將相關的信息傳遞給 TMS320F2812。觸摸屏與TMS320F2812的通信采用標準的RS232串行通信接口。

圖4 控制系統結構框圖

工業觸膜屏是取代傳統控制面板和鍵盤的智能操作顯示器[4],用于設置參數,顯示數據,以動畫等形式描繪自動化控制過程。DSP與觸摸屏配套使用,一方面,擴展了DSP的功能,使其能夠組成具有圖形化、交互式工作界面的獨立系統;另一方面,也可大大減少操作臺上開關、按鈕、儀表等的使用數量,使操作更加簡便,工作環境更加舒適;而且觸摸屏體積小、工作穩定、抗干擾能力強。根據系統的實際應用要求,觸摸屏需要完成以下功能:

(1）參數的輸入功能。

(2）置啟動和停止按鈕以及相應的指示燈。

(3）當輸入數據超出范圍時,觸摸屏具有報錯功能。

(4）系統運行出現故障時,具有報警及顯示功能。

2.2 控制系統軟件設計

控制系統的軟件設計主要包括:串行通信程序、觸摸屏程序以及脈沖發生程序等。由于觸摸屏采用標準的RS232串行通信,在設計 TMS320F2812的PCB板時,預留了串行通信接口。由于在通信時,收發雙方必須遵守共同的通信協議,因而在應用中需要根據觸摸屏通信協議,在 TMS320F2812中編寫相應的串行通信程序。為提高程序執行效率和保證數據收發的正確,采用了串行中斷接收方式接收由觸摸屏發送來的數據,采用掃描的方式向觸摸屏發送數據。TMS320F2812有兩個標準的串行通信接口SCIA和SCIB,這里使用的是SCIA,通信波特率設置為9 600 bps。

在程序的運行過程中,首先執行的是觸摸屏程序,以完成對輸入參數的設置以及參數的顯示。待參數設置和顯示完成以后,按動觸摸屏的啟動按鈕,向DSP發出啟動信號。DSP根據設置的參數產生相應的脈沖波形,用來控制開關器件的通斷。通過開關器件的通斷,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 脈沖波形發生程序

3 實驗結果

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 結論

隨著微弧氧化技術不斷發展,對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。由于采用了現代高頻開關電源技術,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,而且降低了使用費用。針對電源輸出波形的具體要求,采用TMS320F2812和觸摸屏構成脈沖電源的控制系統,不僅實現了參數的設置、顯示,而且實現了脈沖頻率、幅值、占空比的連續調節。實際應用表明:該電源工作穩定可靠,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、探索最佳參數等領域應用。

圖8 正向脈沖電壓450 V,負向電壓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.鋁合金、鎂合金微弧氧化功能陶瓷膜的研究進展[J].電鍍與環保,2008,28(6）:1-4.

[2] 呂觀順,王海梅,姜兆華,等.不對稱正弦電源實現方式的研究[J].電鍍與環保,2005,25(1）:34-36.

[3] 孫麗明.TMS320F2812原理及其C語言程序開發[M].北京:清華大學出版社,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的研究[J].電鍍與環保,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·