多波形微弧氧化脉冲电源的研究

王书强, 苏瑞涛, 贲洪奇(哈尔滨工业大学电气工程系,黑龙江 哈尔滨 150001）

多波形微弧氧化脉冲电源的研究

王书强, 苏瑞涛, 贲洪奇
(哈尔滨工业大学电气工程系,黑龙江 哈尔滨 150001）

为满足微弧氧化技术研究的需要,研制了可输出多种脉冲波形的微弧氧化脉冲电源。电源的前级由两台直流电源构成,利用TMS320F2812和触摸屏组成的控制系统来控制功率开关器件IGBT的通断,实现各种脉冲波形的输出。由于脉冲电源可输出多种脉冲波形,且脉冲参数均可在宽范围内连续可调,可用于微弧氧化工艺研究、探索最佳工艺参数等对电源要求较高的场合。

多波形;脉冲电源;微弧氧化

0 前言

微弧氧化技术是一种金属材料表面陶瓷化技术[1]。利用该技术可以在铝、镁、钛等金属及其合金表面制备不同的陶瓷氧化膜,使其具有耐磨、耐蚀、耐高温和电绝缘等性能,具有良好的应用前景和发展空间。目前,微弧氧化电源已成为制约该技术应用和发展的主要因素。因此,研制一种符合工艺要求的新型电源对于推动微弧氧化技术的发展将起到重要作用[2]。

本文针对微弧氧化技术对电源的要求,设计了一种用于微弧氧化的多波形脉冲电源。该电源不仅可以输出多种脉冲波形,而且可实现正、负向电压幅值分别可调(正向电压输出范围0～700 V、负向电压输出范围0～300 V）、最大输出电流100 A、脉冲频率在50 Hz～10 000 Hz范围内连续可调、输出占空比在5%～90%间连续可调。

1 多波形脉冲电源主电路的设计

电源采用最先进的高频软开关电源技术来实现输出调节,使用功率器件IGBT作为功率开关,采用具有相互箝位作用的高压脉冲实现电路,由DSP芯片对其进行控制来实现输出脉冲波形的调节,即:电源主要由AC/DC高频转换及直流输出调节、高压脉冲实现电路和控制系统三部分构成。其结构示意图,如图1所示。

图1 电源系统构成示意图

脉冲电源系统的AC/DC高频转换及直流输出调节部分的构成框图,如图2所示。由图2可知:三相交流输入经EMI及输入整流电路后,进行无源功率因数校正,得到一个直流电压。这个直流电压通过开关调整电路后,变成高频交流脉冲波,经输出整流滤波电路后,变成直流输出。通过电源控制电路对开关调整电路的控制,可得到一个连续可调的直流输出电压。

该脉冲电源系统的核心部分是开关调整电路部分。该部分电路,如图3所示。由图3可知:变压器有两个原边绕组和一个副边绕组。两个原边绕组分别接通一个双管正激电路,但通过的励磁电流的相位是相反的,而且交替工作。这样变压器的工作状态就类似于全桥电路的双向励磁模式。在变压器的副边得到的是类似于全桥电路的交流输出,而非普通双管正激电路的单向脉动输出。因此,该电路既具有双管正激电路无“直通”的优点,又具有全桥电路输出功率大等特点。另外,与普通双管正激电路相比,该电路在相同输出电压条件下,输出整流二极管承受的电压应力要比普通双管正激电路的低得多,可实现高电压、大功率输出的目的。

图2 高频大功率AC/DC转换及调节部分原理图

图3 开关调整电路

现代高频开关电源技术的应用,在提高电源效率、动态响应速率的同时,使电源中不再含有笨重的工频变压器和工作在工频状态的晶闸管,不仅有效地降低了电源的体积和质量,提高了电源使用的灵活性,而且提高了电源网侧功率因数,降低了对电网的谐波污染。该技术的应用不仅消除了目前常用的晶闸管调压电源存在的诸多缺点,而且可以促进微弧氧化技术的进一步发展和应用。

2 多波形脉冲电源控制系统的设计

2.1 控制系统硬件设计

根据电源的技术要求,控制系统是以DSP芯片TMS320F2812为核心而开发的。作为 TI公司首推的控制芯片,TMS320F2812广泛应用于工业控制,特别是应用于对处理速度、处理精度要求较高的领域,能够满足电气平台的开发与设计[3]。以TMS320F2812为核心的控制系统需要完成以下功能:

(1）控制信号的输出 输出起停控制信号和正、负两路驱动脉冲信号。

(2）参数的输入 电源的相关参数设置由触摸屏完成。

为实现上述的功能,TMS320F2812一方面实现与触摸屏的通信;另一方面实现脉冲驱动信号的输出。以DSP为核心的控制系统结构,如图4所示。由图4可知:参数的设定由触摸屏完成,并由触摸屏将相关的信息传递给 TMS320F2812。触摸屏与TMS320F2812的通信采用标准的RS232串行通信接口。

图4 控制系统结构框图

工业触膜屏是取代传统控制面板和键盘的智能操作显示器[4],用于设置参数,显示数据,以动画等形式描绘自动化控制过程。DSP与触摸屏配套使用,一方面,扩展了DSP的功能,使其能够组成具有图形化、交互式工作界面的独立系统;另一方面,也可大大减少操作台上开关、按钮、仪表等的使用数量,使操作更加简便,工作环境更加舒适;而且触摸屏体积小、工作稳定、抗干扰能力强。根据系统的实际应用要求,触摸屏需要完成以下功能:

(1）参数的输入功能。

(2）置启动和停止按钮以及相应的指示灯。

(3）当输入数据超出范围时,触摸屏具有报错功能。

(4）系统运行出现故障时,具有报警及显示功能。

2.2 控制系统软件设计

控制系统的软件设计主要包括:串行通信程序、触摸屏程序以及脉冲发生程序等。由于触摸屏采用标准的RS232串行通信,在设计 TMS320F2812的PCB板时,预留了串行通信接口。由于在通信时,收发双方必须遵守共同的通信协议,因而在应用中需要根据触摸屏通信协议,在 TMS320F2812中编写相应的串行通信程序。为提高程序执行效率和保证数据收发的正确,采用了串行中断接收方式接收由触摸屏发送来的数据,采用扫描的方式向触摸屏发送数据。TMS320F2812有两个标准的串行通信接口SCIA和SCIB,这里使用的是SCIA,通信波特率设置为9 600 bps。

在程序的运行过程中,首先执行的是触摸屏程序,以完成对输入参数的设置以及参数的显示。待参数设置和显示完成以后,按动触摸屏的启动按钮,向DSP发出启动信号。DSP根据设置的参数产生相应的脉冲波形,用来控制开关器件的通断。通过开关器件的通断,可以使电源输出满足工艺要求的脉冲波形。

程序的流程图,如图5所示。脉冲波形发生程序的流程图,如图6所示。

图5 程序流程图

图6 脉冲波形发生程序

3 实验结果

用于微弧氧化的多波形脉冲电源,利用示波器所观察的脉冲波形如图7,图8,图9和图10所示(这里仅给出4种输出波形示意图,其它形式的输出脉冲波形不再列出）。该电源输出的不同脉冲波形,可以满足微弧氧化工艺研究的不同要求。

图7 单向脉冲电压450 V,频率500 Hz的脉冲波形

4 结论

随着微弧氧化技术不断发展,对微弧氧化脉冲电源要求越来越高,研制了可输出多种脉冲波形的微弧氧化脉冲电源。由于采用了现代高频开关电源技术,不仅满足了电源的容量要求,提高了电源效率,减少了电磁干扰,而且降低了使用费用。针对电源输出波形的具体要求,采用TMS320F2812和触摸屏构成脉冲电源的控制系统,不仅实现了参数的设置、显示,而且实现了脉冲频率、幅值、占空比的连续调节。实际应用表明:该电源工作稳定可靠,可满足各种微弧氧化工艺的要求,特别适合在微弧氧化工艺研究、探索最佳参数等领域应用。

图8 正向脉冲电压450 V,负向电压220 V,频率500 Hz的脉冲波形

图9 电压450 V,频率500 Hz的单向多脉冲波形

图10 正向脉冲电压450 V,负向电压220 V,频率500 Hz的多脉冲波形

[1] 王彩丽,赵立新,邵忠财.铝合金、镁合金微弧氧化功能陶瓷膜的研究进展[J].电镀与环保,2008,28(6）:1-4.

[2] 吕观顺,王海梅,姜兆华,等.不对称正弦电源实现方式的研究[J].电镀与环保,2005,25(1）:34-36.

[3] 孙丽明.TMS320F2812原理及其C语言程序开发[M].北京:清华大学出版社,2008:1-2.

[4] 陈妍妍,王明彦,高忠波,等.多波形脉冲电镀电源控制系统的研究[J].电镀与环保,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

·综 述·