專利名稱：一種微弧氧化實(shí)驗(yàn)用的電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電源技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種微弧氧化實(shí)驗(yàn)用的電源裝置，主要用于研究在高能強(qiáng)脈沖作用下的工藝參數(shù)對(duì)材料表面陶瓷膜層性能的影響。
背景技術(shù)：
微弧氧化就是將鋁、鎂、鈦等閥金屬或其合金置于電解質(zhì)水溶液中，利用高壓放電產(chǎn)生的等離子體強(qiáng)化作用直接在基體表面獲得與基體冶金結(jié)合的陶瓷膜層。與傳統(tǒng)的電鍍、陶瓷噴涂以及陽極氧化技術(shù)相比，微弧氧化陶瓷膜與基體結(jié)合牢固，結(jié)構(gòu)致密，具有良好的耐磨、耐腐蝕、耐高溫沖擊和電絕緣等特性，達(dá)到了第二代工程材料(金屬)和第三代工程材料(陶瓷)的結(jié)合，是一項(xiàng)很有發(fā)展前途的輕合金表面處理技術(shù)。但目前，微弧氧化陶瓷膜形成機(jī)理及規(guī)律尚不明確，有待進(jìn)一步研究。有研究表明，在微弧氧化陶瓷膜層的制備過程中，脈沖電源模式較過去的交流電源模式有更好的作用效果，電源的脈沖電壓幅值、頻率、占空比是影響微弧氧化陶瓷膜層物理、化學(xué)特性變化的最重要參數(shù)，從而影響到加工精度、表面質(zhì)量和加工效率。但市場(chǎng)上現(xiàn)有的微弧氧化電源普遍控制精度低、單個(gè)參數(shù)不可連續(xù)調(diào)節(jié)、控制電路復(fù)雜、電能損耗大，嚴(yán)重阻礙了微弧氧化表面處理工藝的深入研究和推廣。因此，有必要研制微弧氧化陶瓷膜層的專用節(jié)能設(shè)備及工藝。目前，申請(qǐng)人檢索得到的最接近的專利申請(qǐng)為一種調(diào)制型直流脈沖電源，公開號(hào)為CN2284473Y。其外電源接整流電路后經(jīng)斬波電路到輸出整流電路，再接外部表面處理設(shè)備，取樣電路輸出連反饋單元，輔助電源輸入接外電源、輸出送反饋單元及時(shí)基發(fā)生器，過流保護(hù)輸入接斬波電路、輸出送反饋單元，時(shí)基發(fā)生器接反饋單元、輸出送斬波電路的控制端。該電源存在的問題是系統(tǒng)的過流保護(hù)可靠性不高，不支持在線調(diào)試功能，操作復(fù)雜。
發(fā)明內(nèi)容要解決的技術(shù)問題為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本實(shí)用新型提出了一種微弧氧化實(shí)驗(yàn)用的電源裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、工作可靠、低能耗，多參數(shù)可調(diào)。技術(shù)方案本實(shí)用新型的技術(shù)方案為所述一種微弧氧化實(shí)驗(yàn)用的電源裝置，其特征在于包括主電路和控制系統(tǒng)；主電路包括三相隔離變壓器，三相整流濾波電路，調(diào)壓電路和斬波電路；主電路的輸入為三相交流電，三相交流電經(jīng)過三相隔離變壓器隔離后輸出至三相整流濾波電路，三相整流濾波電路輸出信號(hào)經(jīng)級(jí)聯(lián)的調(diào)壓電路和斬波電路后連續(xù)輸出正方波脈沖至外部負(fù)載；在調(diào)壓電路和斬波電路中各采用了一個(gè)IGBT開關(guān)器件；控制系統(tǒng)包括單片機(jī)系統(tǒng)，檢測(cè)電路和驅(qū)動(dòng)電路；單片機(jī)系統(tǒng)控制檢測(cè)電路和驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路使用一路PWM作為調(diào)壓電路的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并使用一路HSO作為斬波電路的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)；檢測(cè)電路與調(diào)壓電路、斬波電路以及外部負(fù)載連接，檢測(cè)電路檢測(cè)主電路電流，并且檢測(cè)逆變橋各個(gè)橋臂電流，檢測(cè)電路還檢測(cè)主電路電壓。所述一種微弧氧化實(shí)驗(yàn)用的電源裝置，其特征在于三相整流濾波電路采用三相橋式整流濾波電路。所述一種微弧氧化實(shí)驗(yàn)用的電源裝置，其特征在于在調(diào)壓電路中控制IGBT開關(guān)器件的占空比，控制電源的輸出電壓；在斬波電路中控制IGBT開關(guān)器件的頻率和占空比控制，控制電源的輸出波形。有益效果 本實(shí)用新型的驅(qū)動(dòng)芯片選用M57989L集成IGBT專用芯片，M57959L具有光耦電氣隔離、雙電源驅(qū)動(dòng)、短信號(hào)傳輸延遲時(shí)間、過流保護(hù)等功能，且價(jià)格便宜，性價(jià)比較高。本實(shí)用新型電源采用集中過電流保護(hù)與分散過電流保護(hù)相結(jié)合的雙重過流保護(hù)策略，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。采用正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)SPWM，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和較高的傳輸頻帶，提高其控制性能。優(yōu)化開關(guān)矢量，降低開關(guān)頻率，提高直流側(cè)電壓利用率。微弧氧化電源帶有示波器，可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)所輸出電壓、電流的幅值和頻率。支持在線調(diào)試功能，操作簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。且?guī)в兄羔樖诫妷?、電流量程表，可檢測(cè)示波器中的輸出信號(hào)的幅值是否準(zhǔn)確，保證電源輸出信號(hào)的精度，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、易操作、造價(jià)低廉、控制精度高、可靠性好、電源參數(shù)調(diào)節(jié)靈活、具有在線監(jiān)測(cè)智能化控制等優(yōu)點(diǎn)。有利于系統(tǒng)研究工藝參數(shù)對(duì)氧化膜層的影響規(guī)律及其工藝參數(shù)優(yōu)化，便于研究微弧氧化處理的作用機(jī)理，獲得具備優(yōu)良性能或特殊功能的材料。

圖I :本實(shí)用新型的硬件組成框圖；圖2 :調(diào)壓電路原理圖；圖3:主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；圖4 M57959L的驅(qū)動(dòng)電路；圖5 :過流集中保護(hù)電路原理圖；圖6 :單片機(jī)外部中斷保護(hù)電路；圖7 :控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖8 :軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例描述本實(shí)用新型本實(shí)施例中提出的微弧氧化實(shí)驗(yàn)用的電源裝置輸出模式為單向高頻直流正方波脈沖，頻率O IKHz、占空比20 % 80 %、電壓50 500V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，最大輸出電流30A。采用單向高頻直流脈沖電源，熱量損失小，能量更主要地用于表面氧化，既可提高成膜質(zhì)量又可延長(zhǎng)電解質(zhì)溶液的壽命。參照附圖1，本實(shí)施例包括主電路和控制系統(tǒng)，主電路包括三相隔離變壓器，三相整流濾波電路，調(diào)壓電路和斬波電路；主電路的輸入為三相交流電，三相交流電經(jīng)過三相隔離變壓器隔離后輸出至三相整流濾波電路，三相整流濾波電路輸出信號(hào)經(jīng)級(jí)聯(lián)的調(diào)壓電路和斬波電路后連續(xù)輸出正方波脈沖至外部負(fù)載。三相整流濾波電路采用三相橋式整流濾波電路。本實(shí)施例中三相隔離變壓器為380V/380V、容量15KW的隔離變壓器，能夠減小電網(wǎng)干擾。三相橋式整流濾波電路采用大功率、電流密度高的電感、電容濾波器。參照附圖3，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由整流電路、級(jí)聯(lián)的調(diào)壓電路和斬波電路組成。在調(diào)壓電路和斬波電路中各采用了一個(gè)IGBT開關(guān)器件，即Ql和Q2，IGBT參數(shù)為1200V/100A。兩個(gè)IGBT開關(guān)器件的功用不同，Ql用于調(diào)壓電路，通過調(diào)節(jié)Ql 的占空比，控制電源的輸出電壓，Ql的工作頻率較高；Q2用于斬波電路，通過調(diào)節(jié)Q2的頻率和占空比，控制電源的輸出波形，實(shí)現(xiàn)波形輸出，Q2的工作頻率由人工控制、其值較低。這種結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化了電源結(jié)構(gòu)和控制策略，減小了電源的體積。附圖2為調(diào)壓電路原理圖，Ui為整流電路輸出，IGBT為開關(guān)器件，L、C為平波電感和電容，Uo為輸出電壓，D為快速恢復(fù)二極管；通過控制IGBT管通斷改變占空比調(diào)節(jié)電壓，調(diào)節(jié)電路所用的電感器件為5mH，電容為500uF/1200V，二極管為快速恢復(fù)二極管RURG8010V。此調(diào)壓技術(shù)和老式的調(diào)壓技術(shù)比有體積小、能耗小、精度高等優(yōu)點(diǎn)。此外，在主電路中還使用了多個(gè)二極管。附圖3中，DlO用于調(diào)壓電路，作為續(xù)流二極管；D1連接起后級(jí)電路和前級(jí)電路的兩個(gè)濾波電容，當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變、C4兩端產(chǎn)生的過電壓超過前級(jí)電容C5兩端的電壓時(shí)，Dl導(dǎo)通，以避免前后兩級(jí)電容電壓差值過大而造成電路的損壞；其它的二極管都使用在緩沖吸收電路中。參照附圖7，控制系統(tǒng)包括單片機(jī)系統(tǒng)，檢測(cè)電路和驅(qū)動(dòng)電路，以Intel的80C196KC微控制器作為控制核心。單片機(jī)系統(tǒng)控制檢測(cè)電路和驅(qū)動(dòng)電路。單片機(jī)系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制調(diào)壓電路和斬波電路，實(shí)現(xiàn)單向高頻直流脈沖的連續(xù)輸出。同時(shí)檢測(cè)電路與調(diào)壓電路、斬波電路以及外部負(fù)載連接，檢測(cè)設(shè)備輸出電壓、電流變化情況，提供給操作人員進(jìn)行設(shè)備參數(shù)的調(diào)整和設(shè)備工況的監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)通過微控制器向調(diào)壓電路和斬波電路發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制調(diào)壓電路和斬波電路中IGBT開關(guān)器件的通斷，達(dá)到控制波形輸出的目的。單片機(jī)80C196KC的輸出兩路PWM信號(hào)，在程序中分別用PWMl和PWM2來表示，PWMl驅(qū)動(dòng)調(diào)壓電路，PWM2驅(qū)動(dòng)斬波電路。PWMl由單片機(jī)80C196KC內(nèi)置的PWM脈寬調(diào)制器提供，PWM2由80C196KC特有的高速輸出器HSO提供。通過軟件編程，可以十分簡(jiǎn)便地對(duì)PWM脈寬調(diào)制器和高速輸出器HSO所對(duì)應(yīng)的特殊功能寄存器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)脈沖電壓幅值、頻率、占空比的調(diào)節(jié)。驅(qū)動(dòng)電路如附圖4所示，驅(qū)動(dòng)芯片選用M57989L集成IGBT專用芯片。M57959L具有光耦電氣隔離、雙電源驅(qū)動(dòng)、短信號(hào)傳輸延遲時(shí)間、過流保護(hù)等功能。附圖4中，Dl為30V穩(wěn)壓二極管，D3、D4、R2構(gòu)成柵極過壓保護(hù)電路，D3、D4為穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)壓值的大小根據(jù)IGBT的正負(fù)偏壓選取，保護(hù)電阻R2取值10ΚΩ，8引腳為故障輸出端。由于M5979L兼容TTL和CMOS，所以輸入信號(hào)可以直接為單片機(jī)等CMOS器件的輸出信號(hào)。實(shí)現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電路使用一路PWM作為調(diào)壓電路的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并使用一路HSO作為斬波電路的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，充分發(fā)揮80C196KC中HSO輸出精確靈活和PWM輸出簡(jiǎn)單可調(diào)的特點(diǎn)單片機(jī)系統(tǒng)本身由單片機(jī)系統(tǒng)電路、鍵盤顯示電路、外部中斷保護(hù)電路等組成。單片機(jī)系統(tǒng)電路中復(fù)位電路采用三端電源監(jiān)控芯片MAX809 ;程序存儲(chǔ)器采用AT28C256 ;控制系統(tǒng)中還擴(kuò)了一片AT24C02作為控制參數(shù)的存儲(chǔ)器，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)輸入的數(shù)據(jù)能夠在斷電的情況下長(zhǎng)久保存。單片機(jī)上電后讀取存儲(chǔ)器AT24C02中預(yù)置的控制參數(shù)進(jìn)行操作，并輸出顯示，同時(shí)AT24C02中的數(shù)據(jù)可以通過鍵盤修改并保存新的控制參數(shù)，這樣可以避免在每次控制系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)設(shè)置參數(shù)的繁瑣。斬波電路的PWM波形由HSO引腳來產(chǎn)生，單片機(jī)CPU在讀取AT24C02中預(yù)置的參數(shù)后，調(diào)用波形發(fā)生子程序，電源對(duì)電解槽供電，系統(tǒng)開始工作。單片機(jī)系統(tǒng)電路中鍵盤顯示電路采用HD7279a來實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)可完成LED顯示鍵盤接口的全部功能，由HD7279a構(gòu)建的人機(jī)界面簡(jiǎn)單清晰,實(shí)驗(yàn)人員可以十分簡(jiǎn)便的對(duì)微弧氧化過程中的脈沖電壓幅值、頻率、占空比進(jìn)行控制。參照附圖6，外部中斷保護(hù)電路完成故障檢測(cè)和故障發(fā)生后的 處理工作，故障發(fā)生時(shí)，故障信號(hào)觸發(fā)外部中斷，單片機(jī)接到外部中斷信號(hào)后，調(diào)用外部中斷處理子程序。關(guān)段斬波PWM輸出，和逆變的HSO輸出引腳，等故障排除后，啟動(dòng)單片機(jī)重新工作。本實(shí)施例中，檢測(cè)電路采用集中過電流保護(hù)與分散過電流保護(hù)相結(jié)合的過流護(hù)策略。集中過電流保護(hù)(見附圖5)，就是通過檢測(cè)主電路上的電流，當(dāng)該電流值超過設(shè)定的閾值時(shí)，封鎖所有橋臂的IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。分散過電流保護(hù)是通過檢測(cè)逆變橋各個(gè)橋臂上的電流，當(dāng)該電流超過設(shè)定的閾值時(shí)，封鎖該IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。采取雙重過電流保護(hù)使裝置的可靠性大大提高。電源還采用了直測(cè)型霍爾電流傳感器CS100B和磁平式霍爾電壓傳感器VSM500D對(duì)主電路的電壓進(jìn)行檢測(cè)提供給單片機(jī)做故障檢測(cè)和故障發(fā)生后的處理工作，其響應(yīng)時(shí)間均<10us。由于它的響應(yīng)時(shí)間很短，還可以將其測(cè)量信號(hào)提供給示波器，對(duì)電源各個(gè)器件的工作電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并送LED顯示器顯示。
權(quán)利要求1.一種微弧氧化實(shí)驗(yàn)用的電源裝置，其特征在于包括主電路和控制系統(tǒng)；主電路包括三相隔離變壓器，三相整流濾波電路，調(diào)壓電路和斬波電路；主電路的輸入為三相交流電，三相交流電經(jīng)過三相隔離變壓器隔離后輸出至三相整流濾波電路，三相整流濾波電路輸出信號(hào)經(jīng)級(jí)聯(lián)的調(diào)壓電路和斬波電路后連續(xù)輸出正方波脈沖至外部負(fù)載；在調(diào)壓電路和斬波電路中各采用了一個(gè)IGBT開關(guān)器件；控制系統(tǒng)包括單片機(jī)系統(tǒng)，檢測(cè)電路和驅(qū)動(dòng)電路；單片機(jī)系統(tǒng)控制檢測(cè)電路和驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路使用一路PWM作為調(diào)壓電路的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并使用一路HSO作為斬波電路的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)；檢測(cè)電路與調(diào)壓電路、斬波電路以及外部負(fù)載連接，檢測(cè)電路檢測(cè)主電路電流,并且檢測(cè)逆變橋各個(gè)橋臂電流,檢測(cè)電路還檢測(cè)主電路電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種微弧氧化實(shí)驗(yàn)用的電源裝置，其特征在于三相整流濾波電路采用三相橋式整流濾波電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種微弧氧化實(shí)驗(yàn)用的電源裝置，其特征在于在調(diào)壓電路中控制IGBT開關(guān)器件的占空比，控制電源的輸出電壓；在斬波電路中控制IGBT開關(guān)器件的頻率和占空比控制，控制電源的輸出波形。
專利摘要本實(shí)用新型提出了一種微弧氧化實(shí)驗(yàn)用的電源裝置，包括主電路和控制系統(tǒng)；主電路輸入三相交流電，三相交流電經(jīng)過三相隔離變壓器隔離后輸出至三相整流濾波電路，三相整流濾波電路輸出信號(hào)經(jīng)級(jí)聯(lián)的調(diào)壓電路和斬波電路后連續(xù)輸出正方波脈沖至外部負(fù)載；在調(diào)壓電路和斬波電路中各采用了一個(gè)IGBT開關(guān)器件；控制系統(tǒng)包括單片機(jī)系統(tǒng)，檢測(cè)電路和驅(qū)動(dòng)電路；驅(qū)動(dòng)電路使用一路PWM作為調(diào)壓電路的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并使用一路HSO作為斬波電路的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。本實(shí)用新型電源采用集中過電流保護(hù)與分散過電流保護(hù)相結(jié)合的雙重過流保護(hù)策略，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。采用正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)SPWM，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和較高的傳輸頻帶，提高其控制性能。
文檔編號(hào)H02M7/217GK202617023SQ201220235330
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者任海果, 趙志龍, 劉一洋, 唐波, 陳雷 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)