专利名称：用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种脉冲电源，特别涉及用于镁、铝、钛等金属及其合金等轻质高强金属材料表面处理装置的数字化多自由度大功率双极性不对称脉冲电源。
背景技术：
轻质高强金属材料的研究开发是《国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006-2020年)》基础原材料优先主题的重要内容，镁合金作为典型的高性能轻质高强金属材料，具有广阔的应用前景，被誉为二十一世纪最富于开发和应用潜力的“绿色工程材料”。国际社会对镁的需求量不断上升，镁合金已经广泛应用于航空、航天、汽车、电子和通讯等行业中，特别是在笔记本电脑、手机、照相机等电器3C产品上的用量越来越大。尽管镁、铝、钛等有色金属及其合金有着优异的结构性能，镁、铝、钛及其合金作为一种结构材料要获得广泛的应用，还存在着一定的困难，原因主要是镁、铝、钛及其合金的耐磨性、耐蚀性较差。为了改善镁、铝、钛及其合金的性能，进一步扩大镁、铝、钛及其合金的应用领域，因此镁、铝、钛及其合金在使用过程中必须进行表面处理。目前所采用的化学氧化和阳极氧化还有诸多缺点。而微等离子体表面改性技术因具有环保、耐蚀性及独特的优点而成为镁合金表面处理的发展方向之一。微等离子体表面改性过程包括电化学反应和等离子体化学反应。在外加电压未达到临界击穿电压之前，在阳极金属上发生普通的电化学反应，生成一层很薄的非晶态氧化膜。当外加电压达到临界击穿电压后，膜层上最薄弱的部位首先被击穿，随着电压继续增力口，氧化膜表面出现微等离子体放电现象，形成等离子体。微等离子体瞬间温度极高，不仅使微等离子体区的基体合金发生熔融，也使周围的液体气化并产生极高的压力。在高温高压作用下，基体表面原有的氧化膜发生晶态转变。同时，电解液中的氧离子和其他离子也通过放电通道进入到微等离子体区，和熔融的基体发生等离子化学反应，反应产物沉积在放电通道的内壁上。随着微等离子体继续在试样表面其他薄弱部位放电，均勻的氧化膜逐渐形成。微等离子体表面改性技术具有工艺简单、清洁无污染、膜层均勻质硬，材料适应性宽等特点，得到的微等离子体表面改性膜既具备普通阳极氧化膜的性能，又兼有陶瓷喷涂层的优点，突破了传统的阳极氧化技术，是镁合金表面处理的重点发展方向。镁、铝、钛及其合金微等离子体表面改性技术主要包括两个方面一是溶液的配方问题，即溶液不同的成分会对镀件成膜速度，厚度等各方面有很大的影响；二是电源技术问题，即究竟什么样的电源静、动态特性以及什么样的输出波形结构才最适合微等离子体表面改性技术、最节省电能且效率最高。镁、铝、钛及其合金微等离子体表面改性技术一般在恒流或恒压方式下去研究阀金属表面所生成的陶瓷膜性能。目前，微等离子体表面改性所采用的电源，虽然也能在恒流或者恒压下工作，但是这些电源所能提供的工作电流或者电压的频率为工频，波形和脉宽不可选择，这就大大限制了制备的表面改性陶瓷膜的性能。[0008]因此，现有的镁、铝、钛及其合金微等离子体表面改性技术的电源尚有进一步完善的必要。
发明内容本实用新型为了解决上述现有技术存在的问题，而提出一种针对镁、铝、钛等金属及其合金等轻质高强金属材料表面处理而设计的基于TMS320F2812和S3C2410的多自由度大功率双极性不对称脉冲电源，以适用于镁、铝、钛等金属及其合金表面处理，即使不同的溶液配方，也能够通过设置电源的工作电压、电流、频率、正负脉冲的占空比、正脉冲个数、 负脉冲个数、加工时间、工作模式以及工作时间的段数得到良好的微等离子体表面改性陶瓷膜性能。本实用新型是通过以下方案实现的上述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，为数字化多自由度大功率双极性不对称脉冲电源，主要由电性连接的三相可控整流模块、可控硅驱动模块、无源滤波模块、不对称脉冲产生模块、绝缘栅双极型晶体管驱动模块、控制和保护模块以及人机界面模块构成。所述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其中所述三相可控整流模块包括分别串接有隔离变压器的两个相互独立的三相可控整流电路，所述两个三相可控整流电路为三相桥式全控整流电路。所述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其中所述可控硅驱动模块有两个，分别驱动和调节三相可控整流模块的三相可控整流电路。所述可控硅驱动模块驱动所述三相可控整流电路，将单片机发出的6路脉宽调制进行隔离和电流放大后驱动6个可控硅，同时调节其触发角，以调节所述三相可控整流模块的输出电压。所述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其中所述无源滤波模块采用无源低通滤波，为与三相可控整流模块相匹配的两组，分别对两路三相可控整流电路进行滤波。所述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其中所述不对称脉冲产生模块由并联的IGBT组成。所述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其中所述IGBT驱动模块将控制和保护模块输出的四路脉宽调制波形功率放大和电压放大，同时提供相互独立抗干扰性强的脉冲作为IGBT的开通和关断信号，驱动模块同时还有检测IGBT短路故障的功能。所述IGBT驱动模块采用多个IGBT并联，每个桥臂上六个IGBT并联。所述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其中所述控制和保护模 块采用TMS320F2812作为控制核心，建立电源离散域的数学模型和连续域的数学模型，分别分析数字控制、模拟控制以及数字/模拟控制对电源系统稳定性影响的差异，得出数字化过程对电源稳定性的影响与电源自身参数的相关性，实现控制和保护功能。所述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其中所述人机界面模块包括用户管理、运行控制、运行参数设计、保护参数设置、数据查询、故障信息查询、帮助信息和安全关机功能。有益效果[0020]本实用新型是一种用于镁、铝、钛等金属及其合金等轻质高强金属材料表面处理而设计的一种数字化多自由度大功率双极性不对称脉冲电源，采用TI的TMS320F2812作为控制和保护模块的控制核心，S3C2410作为人机界面模块的控制核心，使用模糊PID算法实现恒压、恒流以及恒功率运行以及无扰动切换，电源可在手动和全自动状态下运行，所有能量参数均可以通过人机界面模块进行设置，同时该电源可通过串行口与上一级计算机相连，以便实时记录多种电参数在工作过程中随时间的变化规律，为探索制备具有优良特性的微等离子体表面改性陶瓷膜的工艺条件提供有力的工具；该电源电压、电流控制精度高，动态响应快，可在恒压、恒流以及恒功率之间无扰动切换，适应好。并且利用该装置对这些合金进行表面处理的技术具有工艺简单、清洁无污染、膜层均勻质硬，材料适应性宽等特点，是镁、铝、钛等有色金属及其合金表面处理的重点发展方向。
图1、图2是本实用新型的结构原理图图3是本实用新型的主回路工作原理图；图4是本实用新型的电源控制系统的总体结构示意图；图5是本实用新型的用户界面模块结构框图；图6是本实用新型的不对称脉冲产生模块的原理图。
具体实施方式
如图1、图2所示，本实用新型的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，为数字化多自由度大功率双极性不对称脉冲电源，主要由电性连接的三相可控整流模块1、可控硅驱动模块2、无源滤波模块3、不对称脉冲产生模块4、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动模块5、控制和保护模块6以及人机界面模块7构成；该脉冲电源主回路工作原理参见图3。三相可控整流模块1包括分别串接有隔离变压器11的两个相互独立的三相可控整流电路12，该两个三相可控整流电路12为完全相同的两路三相桥式全控整流电路121和 122 ；将380V的交流电经过工频变压器11隔离后，变成两路独立的线电压为410V和240V 上的三相交流电，该两路独立的三相交流电分别经相互独立的三相桥式全控整流电路121 和122后得到脉动频率为300HZ的直流电。可控硅驱动模块2包括第一模块21和第二模块22，分别驱动和调节三相可控整流模块1的两路三相桥式全控整流电路121和122 ；其中的第一模块21和第二模块22分别实现三相桥式全控整流电路121和122的可控硅的驱动，分别将单片机发出的6路脉宽调制进行隔离和电流放大后驱动6个可控硅，并分别调节三相全控整流电路121和122的触发角，从而调节三相可控整流模块1的输出电压。无源滤波模块3为与三相可控整流模块1相匹配的两组，分别对两路三相可控整流电路进行滤波。该无源滤波模块3采用无源低通滤波，实现脉动直流到恒定直流的变换， 以减小电流的波动量。如图2、图6所示，不对称脉冲产生模块4由并联的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)组成，在两路相互独立的直流电源经过该模块后，得到不对称的脉冲电源，通过改变该模块的工作参数，就可以调节脉冲 的频率、占空比、脉冲个数以及加工时间等。该不对称脉冲产生模块4的工作原理结合图2进一步说明如下当三极管Ql、Q4 导通时，正脉冲电压加在三极管Ql、Q4上，此时负载两端得到正脉冲电压，通过调节三极管 QU Q4的脉冲的个数和占空比等参数就可以得到不同的正脉冲电压；当三极管Q2、Q3导通时，负脉冲电压加在三极管Q2、Q3上，此时负载两端得到负脉冲电压，通过调节三极管Q2、 Q3的脉冲的个数和占空比等参数就可以得到不同的负脉冲电压；同时调节三相可控整流模块1的三相桥式全控整流电路121和三相全控整流电路122输出电压，即可调节正负脉冲电压的脉冲幅值。IGBT驱动模块5将控制和保护模块6输出的四路脉宽调制波形功率放大和电压放大，同时提供相互独立抗干扰性强的脉冲作为IGBT的开通和关断信号，驱动模块同时还有检测IGBT短路故障的功能。随着单次加工面积越来越大，为了提高单台电源的功率，采用多个IGBT并联的方法来提高其过电流能力，同时降低电源成本。这里主要是对450A/1700V 的IGBT的并联，型号为FF450R17ME3，每个桥臂上6个IGBT并联。采用合理的工艺结构和自均流技术保证每个桥臂并联的IGBT的电流达到均衡。在基本驱动电路的基础上利用放大电路来增大驱动电路的输出功率，驱动电路的瞬态响应、抗干扰性以及可靠性如图4所示，控制和保护模块6采用TMS320F2812作为控制核心，建立电源离散域的数学模型和连续域的数学模型，分别分析数字控制、模拟控制以及数字/模拟控制对电源系统稳定性影响的差异，得出数字化过程对电源稳定性的影响与电源自身参数的相关性，主要实现以下功能系统开机前的状态检测以及自诊断、为驱动电路提供四路脉宽调制、调节正负脉冲的幅值电压、正负脉冲电压以及电流的数据采集、主控板上状态指示、软启动、恒压工作、恒流工作、恒脉冲工作以及与监控系统的通讯；保护功能实现正脉冲平均电压过压保护、正脉冲平均电流过流保护、正脉冲峰值电流过流保护、负脉冲平均电压过压保护、负脉冲平均电流过流保护、负脉冲峰值电流过流保护、IGBT过热保护、可控硅过热保护以及短路硬件保护。如图5所示，人机界面模块7主要以菜单的形式进行显示，可以方便用户在同一页面中对所需功能项进行选择如图3所示，具有的功能选项主要包括用户管理、运行控制、 运行参数设计、保护参数设置、数据查询、故障信息查询、帮助信息和安全关机。工作过程总电源启动后，控制和保护模块6开始进行系统自检，主要是检查线路是否有开路或者短路情况，以及各器件是否基本工作正常，如果有不正常现象，控制和保护模块向人机界面模块7发送故障信息，人机界面模块7显示该故障信息，同时系统提示用户进行检查，此时系统处于保护工作模式；如果系统自检正常，控制和保护模块6使系统进入待机模式；此时用户通过人机界面模块7设置加工参数，设定好加工参数后，按下人机界面模块7的启动按钮，可控硅驱动模块2发出六路隔离的驱动和控制信号使得三相可控整流模块1开始工作，三相可控整流模块1将三相交流电变换成脉动频率为300Hz的直流电，无源滤波模块3将脉动的直流电变换为平滑的直流电，该平滑的直流电加在不对称脉冲产生模块4上，IGBT驱动模块5按照人机界面模块7设定的参数发出四路不同形式的PWM驱动不对称脉冲产生模块4，不对称脉冲产生模块4将两路不同的直流电变换成不对称的脉冲电源。[0039]此后，系统进入恒压、恒流或者恒功率工作模式。每一种工作模式的工作时间达到设定时间后，系统自动的无扰动的切换到下一种工作模式，所有工作时间都完成后，系统自动停机，控制和保护模块6处于待机模式，人机界面模块7此时处于数据查询状态，其余所有参数均处于上次加工时参数。
本实用新型的数字化多自由度大功率双极性不对称脉冲电源，具有以下特点1、采用大功率高压模块的并联技术及其驱动技术随着单次加工面积越来越大，为了提高单台电源的功率，采用多个IGBT并联的方法来提高其过电流能力，同时降低电源成本。IGBT的并联研究中，最关键的就是负载均分，实现各个IGBT的均流。目前较常见的简单而有效的措施是限流电感法，在各并联IGBT的输出端串接限流电感，但限流电感的取值在限制动态环流的效果和稳压精确两方面存在矛盾，而且从成本和体积方面考虑，减少或去除并机阻抗是必然的要求。这里采用合理的工艺结构和自均流技术保证每个桥臂并联的IGBT的电流达到均衡。同时随着功率模块的容量越大，所需驱动电路的电流就越大，常用的驱动电路难以满足驱动功率和过流保护的要求，因此必须在基本驱动电路的基础上利用放大电路来增大驱动电路的输出功率，驱动电路的瞬态响应、抗干扰性以及可靠性。2、采用大功率双极性不对称脉冲电源数字化控制技术以大功率双极性不对称的脉冲电源作为研究对象，采用TMS320F2812作为控制和保护模块的控制核心，理论建立了电源离散域的数学模型和连续域的数学模型，分别分析了数字控制、模拟控制以及数字/模拟控制对电源系统稳定性影响的差异，得出了数字化过程对电源稳定性的影响与电源自身参数的相关性。本实用新型由于采用TI的TMS320F2812作为控制和保护模块的控制核心， S3C2410作为人机界面模块的控制核心，使用模糊PID算法实现恒压、恒流以及恒功率运行以及无扰动切换，电源可在手动和全自动状态下运行，所有能量参数均可以通过人机界面模块进行设置，同时该电源可通过串行口与上一级计算机相连，以便实时记录多种电参数在工作过程中随时间的变化规律，为探索制备具有优良特性的微等离子体表面改性陶瓷膜的工艺条件提供有力的工具。本实用新型能对工作电压或电流的脉宽和频率在较大范围内进行连续调节。既可进行恒压工作，也可进行恒流工作，工作电压或电流的脉宽、频率、占空比和幅值等多种电参量可通过触摸屏实时显示和调节。同时，该电源可通过串行口与上一级计算机相连，以便实时记录多种电参数在工作过程中随时间的变化规律，为探索制备具有优良特性的微等离子体表面改性陶瓷膜的工艺条件提供有力的工具。非因此局限本实用新型的保护范围，故举凡运用本实用新型说明书及图示内容所为的等效技术变化，均包含于本实用新型的保护范围内。
权利要求1.一种用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其特征在于所述电源为数字化多自由度大功率双极性不对称脉冲电源，主要由电性连接的三相可控整流模块、可控硅驱动模块、无源滤波模块、不对称脉冲产生模块、绝缘栅双极型晶体管驱动模块、控制和保护模块以及人机界面模块构成。
2.如权利要求1所述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其特征在于所述三相可控整流模块包括分别串接有隔离变压器的两个相互独立的三相可控整流电路，所述两个三相可控整流电路为三相桥式全控整流电路。
3.如权利要求1所述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其特征在于所述可控硅驱动模块有两个，分别驱动和调节三相可控整流模块的三相可控整流电路。
4、如权利要求3所述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其特征在于所述可控硅驱动模块驱动所述三相可控整流电路，将单片机发出的6路脉宽调制进行隔离和电流放大后驱动6个可控硅，同时调节其触发角，以调节所述三相可控整流模块的输出电压。
5、如权利要求1所述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其特征在于所述无源滤波模块采用无源低通滤波，为与三相可控整流模块相匹配的两组，分别对两路三相可控整流电路进行滤波。
6、如权利要求1所述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其特征在于所述不对称脉冲产生模块由并联的IGBT组成。
7、如权利要求6所述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其特征在于 所述IGBT驱动模块将控制和保护模块输出的四路脉宽调制波形功率放大和电压放大，同时提供相互独立抗干扰性强的脉冲作为IGBT的开通和关断信号，驱动模块同时还有检测 IGBT短路故障的功能。
8、如权利要求7所述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其特征在于所述IGBT驱动模块采用多个IGBT并联，每个桥臂上六个IGBT并联。
9、如权利要求1所述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其特征在于所述控制和保护模块采用TMS320F2812作为控制核心。
10、如权利要求1所述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其特征在于所述人机界面模块包括用户管理、运行控制、运行参数设计、保护参数设置、数据查询、故障信息查询、帮助信息和安全关机功能。
专利摘要本实用新型涉及用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，为数字化多自由度大功率双极性不对称脉冲电源，主要由电性连接的三相可控整流模块、可控硅驱动模块、无源滤波模块、不对称脉冲产生模块、绝缘栅双极型晶体管驱动模块、控制和保护模块以及人机界面模块构成。该脉冲电源可在手动和全自动状态下运行，可通过串行口与上一级计算机相连，以便实时记录多种电参数在工作过程中随时间的变化规律，该电源电压、电流控制精度高，动态响应快，可在恒压、恒流以及恒功率之间无扰动切换，适应好。
文档编号H02M9/06GK202050368SQ20112015709
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月17日 优先权日2011年5月17日
发明者姜木霖, 梅建伟, 黄晓林 申请人:湖北汽车工业学院