多模式精密脈沖電鍍電源系統設計

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械制造工藝研究所，四川綿陽， 621900）

目前，在多種應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，獲得極高質量的鍍金層至關重要。在現有的制備方法中，脈沖電鍍，包括單向脈沖和周期換向脈沖電鍍，是獲得高質量鍍金層的常用方法［6-8］。研究發現在脈沖鍍金過程中，脈沖電源輸出的脈沖參數，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、化學性能，是決定鍍金層質量的關鍵因素之一［9-12］。為了獲得高質量鍍金層，需要設計能夠輸出穩定波形、電流控制精度高的脈沖電源。然而，現有的脈沖電鍍電源多是面向于大功率、大電流的電鍍金應用［13-14］，仍然存在很多不足，包括電流控制精度不高，最低只能達到近百毫安；不能產生任意組合形式、任意脈沖電流幅值的脈沖波形；脈沖電流波形達到峰值時有比較明顯的過沖、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，該電源具有如下優勢：基于電子觸摸屏操作，提供了便捷的人機交互，可實現脈沖電流均值、脈寬、占空比等關鍵脈沖電參數的任意設置和調節；可實時顯示當前的脈沖波形及對應脈沖電壓電流參數，便于對電源脈沖輸出的監測；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到20 A時仍能將均值電流精度控制在±10 mA以內；輸出的脈沖電流波形平滑穩定，無明顯的過沖、振鈴。

1 高精度脈沖電鍍電源硬件設計

1.1 脈沖電源系統總體設計

為實現方便快捷地調整脈沖直流電源的電參數以及實時顯示當前脈沖輸出狀態，提出了如圖1所示電源硬件系統設計，整個脈沖電源系統主要由四個模塊組成，包括觸摸屏單元、MCU控制單元（C8051）、FPGA控制單元（Altera，EP4CE75FE23I 7）以及驅動主電路。在觸摸屏單元上可實現對脈沖電參數：包括脈沖模式、脈沖電流均值、脈寬、占空比等參數的任意設置，設置完成后通過UART通信的方式將設定的參數傳遞給MCU。同時觸摸屏也能實時接收和顯示MCU反饋的電流、電壓參數以及電源系統運行狀態，便于用戶直接觀察電源當前實際的脈沖輸出情況。MCU控制單元在整個系統中主要起到通信中轉的作用，一方面接收和解析觸摸屏下發的脈沖參數，并以自定義總線的方式將該參數傳遞給FPGA，另一方面，接收FPGA反饋的電流、電壓參數，并反饋給觸摸屏。作為整個電源系統的控制核心，FPGA既與MCU通信以完成脈沖參數的接收和電流、電壓參數的反饋，同時又負責控制正反向調壓電路、脈沖產生電路、MOSFET驅動電路，以及電壓和電流反饋電路等，實現高質量脈沖的輸出控制。

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

驅動主電路由圖2所示調壓和多模式脈沖產生兩級電路組成。第一級調壓電路以直流電源（48 V，DC）作為輸入充電電源，FPGA通過控制電源輸出端MSOFET的開關來完成對儲能供電模塊的電壓調節，使第二級供電電壓穩定到預期的目標電壓值，實現對脈沖電流波形的幅值調節，完成儲能；第二級脈沖產生電路則以儲能供電模塊作為電壓輸出模塊，第一級的目標電壓此時可作為第二級輸入電壓，FPGA通過控制儲能供電模塊輸出端MOSFET的開關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，最終穩定輸出與設定參數一致脈沖電流波形。

圖2 電源驅動主電路拓撲圖Fig.2 Topology diagram of main circuit of power drive

1.2 調壓電路設計

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

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

1.3 多模式脈沖產生電路設計

為了產生包括直流、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脈沖產生電路，如圖4所示。電鍍過程中，當需要產生正向單脈沖或正向群脈沖時，保持Q5常開且Q3常閉，同時通過周期性開關Q2實現對輸入信號的斬波，使得正向電流以脈沖的形式流過電鍍液，從而產生周期性的正向脈沖；同理，當需要產生反向脈沖時，則保持MOSFET Q3常開且Q5常閉，通過周期性開關MOSFET Q4實現斬波，使得反向電流以脈沖的形式流過電鍍液，從而產生反向脈沖；特別地，當需要產生正、反向群脈沖時，有序、交替地按照當前脈沖方向開關Q3和Q5并通過周期性開關Q2、Q4實現斬波即可實現正、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生原理圖Fig.4 Schematic diagram of pulse generation of precision pulse electroplating power supply

1.4 數據采集系統設計

為了實現脈沖電流高精度、穩定輸出，以FPGA為控制核心，采用精度高、采集速率快的AD7985構建脈沖電鍍電源的電流、電壓雙閉環檢測反饋控制系統，實現了對電流和電壓的實時、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過霍爾傳感器轉化為電壓信號，再通過電壓反饋放大之后輸入AD7985，在FPGA的控制下實現電流檢測。同理，電壓檢測的原理為：反饋的電壓經過隔離放大之后進行AD模數轉換實現電壓檢測。其中所選用的AD7985可以實現16位轉換，且采集速率能達到2.5 MSPS，可實現信號的高精度、高速采集。在FPGA控制系統中對采集數據進行軟件濾波處理，確保采集穩定性。

圖5 精密脈沖電鍍電源數據采集系統結構圖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計

2.1 MCU與FPGA通信設計

為了實現MCU與FPGA之間脈沖電參數和實際電流、電壓參數的高效可靠傳輸，采用了自定義總線數據并行通信模式實現雙處理器間數據通信。該模式包含控制總線和數據總線，其中8路IO總線用于控制數據傳輸，16路IO總線用于MCU向FPGA發送數據，另16路IO總線用于MCU從FPGA接收數據。比如MCU向FPGA發送數據的通信總體策略是：數據整體打包發送，即MCU連續向FPGA發送多個數據，FPGA接收完所有數據之后，以求和的方式完成數據校驗，如果校驗成功則視為發送成功，否則視為發送失敗；若連續多次失敗則停止發送，MCU同時向觸摸屏反饋錯誤信息，觸摸屏顯示報錯提醒，如圖6所示。FPGA向MCU反饋數據也采取相似策略。

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

2.2 電壓精密調節軟件設計

在實際電鍍中，電鍍液電阻會隨電鍍液離子濃度的變化而變化，導致系統電流不穩定［15］，而穩定的電流對于確保鍍金層質量至關重要，所以為了實現對電流的恒定控制，提出了以下控制策略：

（1）在脈沖間隙進行電壓調控。當產生脈沖時不進行電壓調控，而不產生脈沖時則根據最新的目標電壓值進行電壓調控，消除在脈沖產生過程中因為電壓調節而高速開關MOSFET所引起的過沖和震蕩，從而產生無過沖無震蕩的脈沖波形，如圖7所示。

圖7 電壓調控時機示意圖Fig.7 Schematic diagram of voltage regulation timing

（2）采用自適應動態調節占空比的方法。首先，通過調試以確定多組占空比參數表（一共分為四組），在進行電壓調控之前，先通過查表的方式根據目標電壓所處范圍，確定相應的調壓占空比，其中每一組的電壓值都對應五段占空比，如圖8所示。比如當目標電壓大于0 mV小于6000 mV時，調壓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。然后根據檢測電壓與目標電壓的數值關系來確定具體的調壓占空比。比如，當檢測電壓小于目標電壓值的一半時賦予第一階段占空比；而當檢測電壓大于目標電壓值的一半且小于目標電壓的四分之三時則賦予第二階段占空比；而當檢測電壓大于目標電壓值+100 mV時，則直接關閉調壓MOSFET，如圖9所示。

圖8 自適應動態調節占空比流程圖Fig.8 Flow chart of adaptive and dynamic adjustment of duty cycle

圖9 電壓調控流程圖Fig.9 Flow chart of voltage regulation

2.3 多模式脈沖產生軟件設計

通過有序開關MOSFET可產生相應的脈沖波形，根據前述脈沖產生電路和控制策略，通過準確控制Q2、Q5以及Q3、Q4的開關順序即能準確產生相應模式的脈沖。在正向群脈沖時間段內，首先關閉Q3且打開Q5，然后只要計數器小于一個正向脈寬就將Q2打開，否則將Q2關閉。當運行時間超過正向群脈沖時間時，關閉Q5，延時1 μs之后再關閉Q3。同樣的，只要計數器小于一個反向脈寬就將Q4打開，否則將Q4關閉。最后，當運行時間超過一組正反向脈沖時間時，關閉所有MOSFET，相應的流程圖如圖10所示。

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

3 實驗結果與討論

基于上述的硬件和軟件設計方案，成功完成了多模式精密脈沖電鍍電源樣機研制。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交互，可方便、快捷地完成多種脈沖電參數設置，可實時顯示當前的脈沖波形及對應脈沖電壓電流參數，便于對電源脈沖輸出的監測。如圖11所示，當前設置脈沖電參數為：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，脈沖數為2個，反向脈沖電參數設定值與正向相同。操作界面波形示意及脈沖參數均可準確直觀地顯示電源當前工作情況，從圖11（b）可看出當前脈沖電流均值穩定且準確，脈沖形式及波形狀態符合設置要求。

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

為了評價脈沖電鍍電源的脈沖產生與調控性能，包括脈沖輸出模式、脈沖穩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設定下的脈沖電流波形。

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

由圖12可以看到實際脈沖波形的脈寬、占空比和脈沖數均與設定的脈沖電參數一致，所有脈沖波形峰值穩定，未發生明顯波動，沒有出現過沖，說明脈沖整體幅值調控策略優異，脈沖精度高，輸出穩定性好。

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）所示銅基底試件進行電鍍測試，同時進行多個試件電鍍，電鍍參數如下表1所示，電鍍后對試件宏觀及微觀形貌進行觀測。

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

對比圖13（a）和（b）可以發現，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光亮的金黃色且無明顯缺陷，說明從宏觀判斷鍍金質量很好，達到了鍍層表面質量評價的較高標準。另外，采用熱震實驗測試了鍍層的結合力，將該樣件放入溫度為240℃的馬弗爐中，時間為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，未出現起皮等現象，說明鍍層結合力良好。

圖13 試件鍍金前后照片Fig.13 Macroscopic morphology of specimen before and after gold plating

為評價該零件鍍層的微觀質量，記錄了鍍層的SEM圖，如圖14所示。可以看到鍍層呈致密的層疊分布，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，提供了便捷的人機交互，可實現脈沖電流均值、脈寬、占空比等關鍵脈沖電參數的任意可調；可輸出任意模式的脈沖波形，且脈沖幅值任意可調；工作中可實時顯示當前的脈沖波形及對應脈沖電壓電流參數，便于對電源脈沖輸出的監測；且脈沖平均電流精度可到10 mA以內；輸出波形平滑穩定，無明顯的過沖、振鈴。基于該電鍍電源，成功制備了宏觀形貌好，致密性好、晶粒尺寸小的高質量鍍金層，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生方法及恒流控制策略為其他精密脈沖電源設備研制提供了可靠借鑒。