專利名稱：用于輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料表面處理的電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種金屬表面處理的電源裝置，尤其是用于鎂、鋁、鈦等輕質(zhì)高強(qiáng)有色金屬及其合金表面處理的電源，利用該電源裝置進(jìn)行表面處理，可在金屬或者其合金表面形成一層耐腐蝕性強(qiáng)、耐磨性強(qiáng)、致密、硬度高的均勻膜層。
背景技術(shù)：
輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料的研究開發(fā)是《國家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》基礎(chǔ)原材料優(yōu)先主題的重要內(nèi)容，鎂合金作為典型的高性能輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料，具有廣闊的應(yīng)用前景，被譽(yù)為二十一世紀(jì)最富于開發(fā)和應(yīng)用潛力的“綠色工程材料”。國際社會(huì)對(duì)鎂的需求量不斷上升，鎂合金已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、電子和通訊等行業(yè)中，特別是在筆記本電腦、手機(jī)、照相機(jī)等電器3C產(chǎn)品上的用量越來越大。盡管鎂、鋁、鈦等有色金屬及其合金有著優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能，鎂、鋁、鈦及其合金作為一種結(jié)構(gòu)材料要獲得廣泛的應(yīng)用，還存在著一定的困難，原因主要是鎂、鋁、鈦及其合金的耐磨性、耐蝕性較差。為了改善鎂、鋁、鈦及其合金的性能，進(jìn)一步擴(kuò)大鎂、鋁、鈦及其合金的應(yīng)用領(lǐng)域，因此鎂、鋁、鈦及其合金在使用過程中必須進(jìn)行表面處理。目前所采用的化學(xué)氧化和陽極氧化還有諸多缺點(diǎn)，如環(huán)境污染大、效率低和功率因素不穩(wěn)定性等。而微等離子體表面改性技術(shù)因具有環(huán)保、耐蝕性及獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而成為鎂合金表面處理的發(fā)展方向之一。微等離子體表面改性過程包括電化學(xué)反應(yīng)和等離子體化學(xué)反應(yīng)。在外加電壓未達(dá)到臨界擊穿電壓之前，在陽極金屬上發(fā)生普通的電化學(xué)反應(yīng)，生成一層很薄的非晶態(tài)氧化膜。當(dāng)外加電壓達(dá)到臨界擊穿電壓后，膜層上最薄弱的部位首先被擊穿，隨著電壓繼續(xù)增力口，氧化膜表面出現(xiàn)微等離子體放電現(xiàn)象，形成等離子體。微等離子體瞬間溫度極高，不僅使微等離子體區(qū)的基體合金發(fā)生熔融，也使周圍的液體氣化并產(chǎn)生極高的壓力。在高溫高壓作用下，基體表面原有的氧化膜發(fā)生晶態(tài)轉(zhuǎn)變。同時(shí)，電解液中的氧離子和其他離子也通過放電通道進(jìn)入到微等離子體區(qū)，和熔融的基體發(fā)生等離子化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物沉積在放電通道的內(nèi)壁上。隨著微等離子體繼續(xù)在試樣表面其他薄弱部位放電，均勻的氧化膜逐漸形成。微等離子體表面改性技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、清潔無污染、膜層均勻質(zhì)硬，材料適應(yīng)性寬等特點(diǎn)，得到的微等離子體表面改性膜既具備普通陽極氧化膜的性能，又兼有陶瓷噴涂層的優(yōu)點(diǎn)，突破了傳統(tǒng)的陽極氧化技術(shù)，是鎂合金表面處理的重點(diǎn)發(fā)展方向。鎂、鋁、鈦及其合金微等離子體表面改性技術(shù)主要包括兩個(gè)方面一是溶液的配方問題，即溶液不同的成分會(huì)對(duì)鍍件成膜速度，厚度等各方面有很大的影響；二是電源技術(shù)問題，即究竟什么樣的電源靜、動(dòng)態(tài)特性以及什么樣的輸出波形結(jié)構(gòu)才最適合微等離子體表面改性技術(shù)、最節(jié)省電能且效率最高。鎂、鋁、鈦及其合金微等離子體表面改性技術(shù)一般在恒流、恒壓方式下去研究閥金屬表面所生成的陶瓷膜性能。目前，微等離子體表面改性所采用的電源，雖然也能在恒流或者恒壓下工作，但是這些電源所能提供的工作電流或者電壓的頻率為工頻，波形和脈寬不可選擇，這就大大限制了制備的表面改性陶瓷膜的性能。本實(shí)用新型能對(duì)工作電壓或電流的脈寬和頻率在較大范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。既可進(jìn)行恒壓工作，也可進(jìn)行恒流工作，工作電壓或電流的脈寬、頻率、占空比和幅值等多種電參量可通過觸摸屏實(shí)時(shí)顯示和調(diào)節(jié)。同時(shí)，該電源可通過串行口與上一級(jí)計(jì)算機(jī)相連，以便實(shí)時(shí)記錄多種電參數(shù)在工作過程中隨時(shí)間的變化規(guī)律，為探索制備具有優(yōu)良特性的微等離子體表面改性陶瓷膜的工藝條件提供有力的工具。鑒于此，本申請(qǐng)人申請(qǐng)的201120157093. O號(hào)實(shí)用新型專利，公開了一種用于輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料表面處理的脈沖電源，為數(shù)字化多自由度大功率雙極性不對(duì)稱脈沖電源，主要由電性連接的三相可控整流模塊、可控硅驅(qū)動(dòng)模塊、無源濾波模塊、不對(duì)稱脈沖產(chǎn)生模塊、絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)模塊、控制和保護(hù)模塊以及人機(jī)界面模塊構(gòu)成。該脈沖電源可在手動(dòng)和全自動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行，可通過串行口與上一級(jí)計(jì)算機(jī)相連，以便實(shí)時(shí)記錄多種電參數(shù)在工作過程中隨時(shí)間的變化規(guī)律，該電源電壓、電流控制精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可在恒壓、恒流以及恒功率之間無擾動(dòng)切換。上述技術(shù)在實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，電源工作效率和功率因素還有待提升，電壓和電流的控制精度不甚理想。因此，有必要進(jìn)一步完善。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提出一種針對(duì)鎂、鋁、鈦等金屬及其合金表面處理而設(shè)計(jì)的基于TMS320F2812和S3C2410的多自由度大功率雙極性不對(duì)稱脈沖電源的用于輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料表面處理的電源裝置。本實(shí)用新型是通過以下方案實(shí)現(xiàn)的上述的用于輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料表面處理的電源裝置，是數(shù)字化多自由度大功率雙極性不對(duì)稱脈沖電源裝置，所述電源裝置包括電性連接的正脈沖電源、負(fù)脈沖電源、調(diào)壓模塊、不對(duì)稱脈沖產(chǎn)生模塊、絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)模塊、控制和保護(hù)模塊以及人機(jī)界面模塊；所述正脈沖電源和負(fù)脈沖電源均采用多級(jí)逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要由電性連接的三相不可控整流模塊、工頻無源濾波模塊、三相橋式逆變模塊、三相橋式逆變控制模塊、高頻隔離模塊、高頻整流模塊和高頻無源濾波模塊構(gòu)成。所述的用于輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料表面處理的電源裝置，其中所述三相不可控整流模塊包括兩個(gè)相互獨(dú)立的三相不可控整流電路。所述工頻無源濾波模塊采用無源低通濾波。所述三相橋式逆變模塊將恒定的直流電變成按照一定規(guī)律變化的脈沖電壓信號(hào)；所述三相橋式逆變控制模塊主要實(shí)現(xiàn)三相橋式逆變電路脈沖輸出、電壓調(diào)節(jié)和狀態(tài)檢測(cè)。所述高頻隔離模塊通過高頻變壓器實(shí)現(xiàn)輸入電壓和輸出電壓的隔離；所述高頻整流模塊利用單相橋式不可控整流電路實(shí)現(xiàn)將高頻交流電變換成脈動(dòng)較小的直流電。所述高頻無源濾波模塊利用無源濾波電路實(shí)現(xiàn)將脈動(dòng)直流電變換成恒定的直流電。所述的用于輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料表面處理的電源裝置，其中所述調(diào)壓模塊接收控制和保護(hù)模塊發(fā)出控制信號(hào)，調(diào)節(jié)正脈沖電壓和負(fù)脈沖電壓的幅值，包括正脈沖調(diào)壓模塊和負(fù)脈沖調(diào)壓模塊。所述的用于輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料表面處理的電源裝置，其中所述IGBT驅(qū)動(dòng)模塊將控制和保護(hù)模塊輸出的四路脈寬調(diào)制波形功率放大和電壓放大，同時(shí)提供相互獨(dú)立抗干擾性強(qiáng)的脈沖作為IGBT的開關(guān)斷信號(hào)和IGBT短路故障檢測(cè)，包括第一驅(qū)動(dòng)模塊和第二驅(qū)動(dòng)模塊，分別驅(qū)動(dòng)所述正脈沖電路和負(fù)脈沖電路。所述的用于輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料表面處理的電源裝置，其中所述控制和保護(hù)模塊采用TMS320F2812為控制核心，建立正脈沖電源、負(fù)脈沖電源和系統(tǒng)之間的數(shù)學(xué)模型，分析數(shù)字控制、模擬控制以及數(shù)字/模擬控制對(duì)電源系統(tǒng)穩(wěn)定性、正脈沖電源和負(fù)脈沖電源調(diào)壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、控制精度狀態(tài)控制影響的差異，得出了集成控制技術(shù)對(duì)電源穩(wěn)定性的影響與電源自身參數(shù)的相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)控制和保護(hù)功能。所述的用于輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料表面處理的電源裝置，其中所述人機(jī)界面模塊以S3C2410作為控制核心，使用模糊PID算法實(shí)現(xiàn)恒壓、恒流以及恒功率運(yùn)行以及無擾動(dòng)切換，以菜單的形式進(jìn)行顯示。有益效果本實(shí)用新型研制了正負(fù)脈沖電源電路，采用新型多級(jí)逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用高頻變 壓器隔離，能夠顯著的減小變壓器的體積，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、功率因素和效率；新研制的電源工作效率和功率因素較前者大大提高，電壓和電流的控制精度得到了明顯改盡.
口 ，采用TI的TMS320F2812作為控制和保護(hù)模塊的控制核心，S3C2410作為人機(jī)界面模塊的控制核心，使用模糊PID算法實(shí)現(xiàn)恒壓、恒流以及恒功率運(yùn)行以及無擾動(dòng)切換，電源可在手動(dòng)和全自動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行，所有能量參數(shù)均可以通過人機(jī)界面模塊進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)該電源可通過串行口與上一級(jí)計(jì)算機(jī)相連，以便實(shí)時(shí)記錄多種電參數(shù)在工作過程中隨時(shí)間的變化規(guī)律，為探索制備具有優(yōu)良特性的微等離子體表面改性陶瓷膜的工藝條件提供有力的工具。本實(shí)用新型的電源裝置對(duì)鎂、鋁、鈦等輕質(zhì)有色金屬及其合金進(jìn)行表面處理，可在金屬或者其合金表面形成一層耐腐蝕性強(qiáng)、耐磨性強(qiáng)、致密、硬度高的均勻膜層；不同的溶液配方,可以通過設(shè)置電源的工作電壓、電流、頻率、正負(fù)脈沖的占空比、正脈沖個(gè)數(shù)、負(fù)脈沖個(gè)數(shù)、加工時(shí)間、工作模式以及工作時(shí)間的段數(shù)得到良好的微等離子體表面改性陶瓷膜性能；該電源可在恒壓、恒流以及恒功率之間無擾動(dòng)切換，適應(yīng)好。利用該裝置對(duì)輕質(zhì)金屬進(jìn)行表面處理的技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、清潔無污染、膜層均勻質(zhì)硬，材料適應(yīng)性寬等特點(diǎn)，是鎂、鋁、鈦等有色金屬及其合金表面處理的重點(diǎn)發(fā)展方向。

圖I是本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本實(shí)用新型的正脈沖電源結(jié)構(gòu)框圖。圖3是本實(shí)用新型的負(fù)脈沖電源結(jié)構(gòu)框圖。圖4是本實(shí)用新型的人機(jī)界面模塊結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式
如圖I所示，本實(shí)用新型的用于輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料表面處理的電源裝置，是數(shù)字化多自由度大功率雙極性不對(duì)稱脈沖電源裝置，包括電性連接的正脈沖電源I、負(fù)脈沖電源2、調(diào)壓模塊3、不對(duì)稱脈沖產(chǎn)生模塊4、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)驅(qū)動(dòng)模塊5、控制和保護(hù)模塊6以及人機(jī)界面模塊7。如圖2所示，正脈沖電源I采用新型多級(jí)逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要由電性連接的三相不可控整流模塊11、工頻無源濾波模塊12、三相橋式逆變模塊13、三相橋式逆變控制模塊14、高頻隔離模塊15、高頻整流模塊16和高頻無源濾波模塊17構(gòu)成。如圖3所示，負(fù)脈沖電源2和正脈沖電源I相同，亦采用新型多級(jí)逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要由電性連接的三相不可控整流模塊21、工頻無源濾波模塊22、三相橋式逆變模塊23、高頻隔離模塊24、高頻整流模塊25、高頻無源濾波模塊26和三相橋式逆變控制模塊27構(gòu)成。其中的三相不可控整流模塊11和21分別包括兩個(gè)相互獨(dú)立的三相不可控整流電路，分別將380V的三相交流電經(jīng)該兩個(gè)相互獨(dú)立的三相不可控整流電路后得到脈動(dòng)頻率為300HZ的直流電。工頻無源濾波模塊12和22分別采用無源低通濾波，將脈動(dòng)頻率為300HZ的直流 電經(jīng)工頻無源濾波模塊后，實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)直流到恒定直流的變換，主要是減小電流的波動(dòng)量。三相橋式逆變模塊13和23分別將恒定的直流電變成按照一定規(guī)律變化的脈沖電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)按照控制規(guī)律將直流電變化成交流電。高頻隔離模塊14和24通過高頻變壓器實(shí)現(xiàn)輸入電壓和輸出電壓的隔離；高頻整流模塊15和25利用單相橋式不可控整流電路實(shí)現(xiàn)將高頻交流電變換成脈動(dòng)較小的直流電。高頻無源濾波模塊16和26利用無源濾波電路實(shí)現(xiàn)將脈動(dòng)直流電變換成恒定的直流電。三相橋式逆變控制模塊17和27主要實(shí)現(xiàn)三相橋式逆變電路脈沖輸出、電壓調(diào)節(jié)和狀態(tài)檢測(cè)。調(diào)壓模塊3接收控制和保護(hù)模塊6發(fā)出控制信號(hào)，調(diào)節(jié)正脈沖電壓和負(fù)脈沖電壓的幅值，包括正脈沖調(diào)壓模塊31和負(fù)脈沖調(diào)壓模塊32，分別調(diào)節(jié)正脈沖電源I和負(fù)脈沖電源2的電壓幅值。不對(duì)稱脈沖產(chǎn)生模塊4由并聯(lián)的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)組成，在兩路相互獨(dú)立的直流電源經(jīng)過該模塊后，得到不對(duì)稱的脈沖電源，通過改變?cè)撃K的工作參數(shù)，就可以調(diào)節(jié)脈沖的頻率、占空比、脈沖個(gè)數(shù)以及加工時(shí)間等。該不對(duì)稱脈沖產(chǎn)生模塊4的工作原理結(jié)合圖I進(jìn)一步說明如下當(dāng)三極管Ql、Q4導(dǎo)通時(shí)，正脈沖電壓加在三極管Ql、Q4上，此時(shí)負(fù)載兩端得到正脈沖電壓，通過調(diào)節(jié)三極管QU Q4的脈沖的個(gè)數(shù)和占空比等參數(shù)就可以得到不同的正脈沖電壓；當(dāng)三極管Q2、Q3導(dǎo)通時(shí)，負(fù)脈沖電壓加在三極管Q2、Q3上，此時(shí)負(fù)載兩端得到負(fù)脈沖電壓，通過調(diào)節(jié)三極管Q2、Q3的脈沖的個(gè)數(shù)和占空比等參數(shù)就可以得到不同的負(fù)脈沖電壓。IGBT驅(qū)動(dòng)模塊5將控制和保護(hù)模塊6輸出的四路脈寬調(diào)制波形功率放大和電壓放大，同時(shí)提供相互獨(dú)立抗干擾性強(qiáng)的脈沖作為IGBT的開通和關(guān)斷信號(hào)，并具有檢測(cè)IGBT短路故障的功能。包括第一驅(qū)動(dòng)模塊51和第二驅(qū)動(dòng)模塊52，分別驅(qū)動(dòng)正脈沖電路I和負(fù)脈沖電路2?？刂坪捅Ｗo(hù)模塊6采用TMS320F2812作為控制和保護(hù)模塊的控制核心，建立了正脈沖電源、負(fù)脈沖電源和系統(tǒng)之間的數(shù)學(xué)模型，分析數(shù)字控制、模擬控制以及數(shù)字/模擬控制對(duì)電源系統(tǒng)穩(wěn)定性、正脈沖電源和負(fù)脈沖電源調(diào)壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、控制精度狀態(tài)控制影響的差異，得出了集成控制技術(shù)對(duì)電源穩(wěn)定性的影響與電源自身參數(shù)的相關(guān)性，主要實(shí)現(xiàn)以下功能系統(tǒng)開機(jī)前的狀態(tài)檢測(cè)以及自診斷、為驅(qū)動(dòng)電路提供四路PWM、調(diào)節(jié)正負(fù)脈沖的幅值電壓、正負(fù)脈沖電壓以及電流的數(shù)據(jù)采集、主控板上狀態(tài)指示、軟啟動(dòng)、恒壓工作、恒流工作、恒功率工作以及與監(jiān)控系統(tǒng)的通訊；保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)正脈沖平均電壓過壓保護(hù)、正脈沖平均電流過流保護(hù)、正脈沖峰值電流過流保護(hù)、負(fù)脈沖平均電壓過壓保護(hù)、負(fù)脈沖平均電流過流保護(hù)、負(fù)脈沖峰值電流過流保護(hù)、IGBT過熱保護(hù)、三相橋式逆變中開關(guān)管過熱保護(hù)以及短路硬件保護(hù)。人機(jī)界面模塊7以S3C2410作為控制核心，使用模糊PID算法實(shí)現(xiàn)恒壓、恒流以及恒功率運(yùn)行以及無擾動(dòng)切換，電源可在手動(dòng)和全自動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行，所有能量參數(shù)均可以通過該人機(jī)界面模塊7進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)該電源可通過串行口與上一級(jí)計(jì)算機(jī)相連，以便實(shí)時(shí)記錄多種電參數(shù)在工作過程中隨時(shí)間的變化規(guī)律。人機(jī)界面模塊7主要是以菜單的形式進(jìn)行顯示，這樣可以方便用戶在同一頁面中對(duì)所需功能項(xiàng)進(jìn)行選擇，如圖4所示，具有的功能選項(xiàng)主要包括用戶管理、運(yùn)行控制、運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、保護(hù)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)查詢、故障信息查 詢、幫助信息和安全關(guān)機(jī)。工作過程總電源啟動(dòng)后，控制和保護(hù)模塊6開始進(jìn)行系統(tǒng)自檢，進(jìn)入自診斷模式，主要是檢查線路是否有開路或者短路情況，以及各器件是否基本工作正常，如果有不正?，F(xiàn)象，控制和保護(hù)模塊6向人機(jī)界面模塊7發(fā)送故障信息，人機(jī)界面模塊7顯示該故障信息，并且給出故障代碼，同時(shí)系統(tǒng)提示用戶進(jìn)行檢查，此時(shí)系統(tǒng)處于自診斷模式；如果系統(tǒng)自檢正常，控制和保護(hù)模塊6使系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式；用戶通過人機(jī)界面模塊7設(shè)置運(yùn)行參數(shù)、保護(hù)參數(shù)、工作模式以及工作時(shí)間分配后，確認(rèn)參數(shù)正常，人機(jī)界面模塊7將參數(shù)發(fā)給控制和保護(hù)模塊6，控制和保護(hù)模塊6根據(jù)這些參數(shù)更新系統(tǒng)設(shè)置。按下人機(jī)界面模塊7上的啟動(dòng)按鈕后，系統(tǒng)進(jìn)入軟啟動(dòng)模式，正脈沖電源I和負(fù)脈沖電源2根據(jù)設(shè)定的電壓和電流進(jìn)入規(guī)定的軟啟動(dòng)程序，大約需要3秒鐘時(shí)間完成啟動(dòng)。啟動(dòng)完成后正常工作模式，控制和保護(hù)模塊6根據(jù)人機(jī)界面模塊7設(shè)定的工作模式進(jìn)入恒壓、恒流或者恒功率工作模式。每一種工作模式的工作時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，系統(tǒng)自動(dòng)的無擾動(dòng)的切換到下一種工作模式，所有工作時(shí)間都完成后，系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)，控制和保護(hù)模塊6處于待機(jī)模式，人機(jī)界面模塊7此時(shí)處于數(shù)據(jù)查詢狀態(tài)，其余所有參數(shù)均處于上次加工時(shí)參數(shù)。在工作過程中，控制和保護(hù)模塊6檢測(cè)是否有出現(xiàn)輸出過壓、輸出過流、IGBT過熱、輸入電壓不正常等情況，一旦出現(xiàn)則進(jìn)入保護(hù)工作模式。保護(hù)工作模式中，當(dāng)出現(xiàn)此類故障時(shí)，控制和保護(hù)模塊6進(jìn)入故障保護(hù)處理工作流程，經(jīng)過一定時(shí)間的延時(shí)后，如果故障排除，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)進(jìn)入正常工作模式。本實(shí)用新型的用于輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料表面處理的電源裝置，具有以下特點(diǎn)I、新型多級(jí)逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨著單次加工面積增大，正負(fù)電源的功率越來越大，采用新型多級(jí)逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用高頻變壓器隔離，能夠顯著的減小變壓器的體積，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、功率因素和效率；[0052]新型多級(jí)逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，采用新型控制技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)，能夠使多級(jí)逆變器有較高直流電壓利用率和較低的開關(guān)損耗；采用高頻變壓器能夠顯著降低成本，同時(shí)減小變壓器的溫升和噪音，提高系統(tǒng)效率。2、系統(tǒng)集成控制技術(shù)以微等離子體氧化電源作為研究對(duì)象，采用TMS320F2812作為控制和保護(hù)模塊的控制核心，建立了正脈沖電源、負(fù)脈沖電源和系統(tǒng)之間的數(shù)學(xué)模型，分析數(shù)字控制、模擬控制以及數(shù)字/模擬控制對(duì)電源系統(tǒng)穩(wěn)定性、正脈沖電源和負(fù)脈沖電源調(diào)壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、控制精度狀態(tài)控制影響的差異，得出了集成控制技術(shù)對(duì)電源穩(wěn)定性的影響與電源自身參數(shù)的相關(guān)性；3、采用TI的TMS320F2812作為控制和保護(hù)模塊的控制核心，S3C2410作為人機(jī)界面模塊的控制核心，使用模糊PID算法實(shí)現(xiàn)恒壓、恒流以及恒功率運(yùn)行以及無擾動(dòng)切換，電源可在手動(dòng)和全自動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行，所有能量參數(shù)均可以通過人機(jī)界面模塊進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)該電源可通過串行口與上一級(jí)計(jì)算機(jī)相連，以便實(shí)時(shí)記錄多種電參數(shù)在工作過程中隨時(shí)間的變化規(guī)律，為探索制備具有優(yōu)良特性的微等離子體表面改性陶瓷膜的工藝條件提供有力 的工具。
權(quán)利要求1.一種用于輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料表面處理的電源裝置，是數(shù)字化多自由度大功率雙極性不對(duì)稱脈沖電源裝置，其特征在于所述電源裝置包括電性連接的正脈沖電源、負(fù)脈沖電源、調(diào)壓模塊、不對(duì)稱脈沖產(chǎn)生模塊、絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)模塊、控制和保護(hù)模塊以及人機(jī)界面模塊； 所述正脈沖電源和負(fù)脈沖電源均采用多級(jí)逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要由電性連接的三相不可控整流模塊、工頻無源濾波模塊、三相橋式逆變模塊、三相橋式逆變控制模塊、高頻隔離模塊、高頻整流模塊和高頻無源濾波模塊構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求I所述的用于輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料表面處理的電源裝置，其特征在于所述三相不可控整流模塊包括兩個(gè)相互獨(dú)立的三相不可控整流電路。
3.如權(quán)利要求I或2所述的用于輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料表面處理的電源裝置，其特征在于所述工頻無源濾波模塊采用無源低通濾波。
4.如權(quán)利要求I或2所述的用于輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料表面處理的電源裝置，其特征在于所述三相橋式逆變模塊將恒定的直流電變成按照一定規(guī)律變化的脈沖電壓信號(hào)； 所述三相橋式逆變控制模塊主要實(shí)現(xiàn)三相橋式逆變電路脈沖輸出、電壓調(diào)節(jié)和狀態(tài)檢測(cè)。
5.如權(quán)利要求I或2所述的用于輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料表面處理的電源裝置，其特征在于所述高頻隔離模塊通過高頻變壓器實(shí)現(xiàn)輸入電壓和輸出電壓的隔離； 所述高頻整流模塊利用單相橋式不可控整流電路實(shí)現(xiàn)將高頻交流電變換成脈動(dòng)較小的直流電。
6.如權(quán)利要求I或2所述的用于輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料表面處理的電源裝置，其特征在于所述高頻無源濾波模塊利用無源濾波電路實(shí)現(xiàn)將脈動(dòng)直流電變換成恒定的直流電。
7.如權(quán)利要求I所述的用于輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料表面處理的電源裝置，其特征在于所述調(diào)壓模塊接收控制和保護(hù)模塊發(fā)出控制信號(hào)，調(diào)節(jié)正脈沖電壓和負(fù)脈沖電壓的幅值，包括正脈沖調(diào)壓模塊和負(fù)脈沖調(diào)壓模塊。
8.如權(quán)利要求I所述的用于輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料表面處理的電源裝置，其特征在于所述絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)模塊將控制和保護(hù)模塊輸出的四路脈寬調(diào)制波形功率放大和電壓放大，同時(shí)提供相互獨(dú)立抗干擾性強(qiáng)的脈沖作為絕緣柵雙極型晶體管的開關(guān)斷信號(hào)和絕緣柵雙極型晶體管短路故障檢測(cè)，包括第一驅(qū)動(dòng)模塊和第二驅(qū)動(dòng)模塊，分別驅(qū)動(dòng)所述正脈沖電路和負(fù)脈沖電路。
9.如權(quán)利要求I所述的用于輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料表面處理的電源裝置，其特征在于所述控制和保護(hù)模塊采用TMS320F2812為控制核心，建立正脈沖電源、負(fù)脈沖電源和系統(tǒng)之間的數(shù)學(xué)模型，分析數(shù)字控制、模擬控制以及數(shù)字/模擬控制對(duì)電源系統(tǒng)穩(wěn)定性、正脈沖電源和負(fù)脈沖電源調(diào)壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、控制精度狀態(tài)控制影響的差異，得出了集成控制技術(shù)對(duì)電源穩(wěn)定性的影響與電源自身參數(shù)的相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)控制和保護(hù)功能。
10.如權(quán)利要求I所述的用于輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料表面處理的電源裝置，其特征在于所述人機(jī)界面模塊以S3C2410作為控制核心，使用模糊PID算法實(shí)現(xiàn)恒壓、恒流以及恒功率運(yùn)行以及無擾動(dòng)切換，以菜單的形式進(jìn)行顯示。
專利摘要本實(shí)用新型涉及用于輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料表面處理的電源裝置，包括電性連接的正脈沖電源、負(fù)脈沖電源、調(diào)壓模塊、不對(duì)稱脈沖產(chǎn)生模塊、絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)模塊、控制和保護(hù)模塊以及人機(jī)界面模塊；正脈沖電源和負(fù)脈沖電源均采用多級(jí)逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型采用新型多級(jí)逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正負(fù)脈沖電源電路，工作效率和功率因素較前者大大提高，電壓和電流的控制精度得到了明顯改善；可在恒壓、恒流以及恒功率之間無擾動(dòng)切換，適應(yīng)好。利用該裝置對(duì)輕質(zhì)金屬進(jìn)行表面處理具有工藝簡(jiǎn)單、清潔無污染、膜層均勻質(zhì)硬，材料適應(yīng)性寬等特點(diǎn)，是鎂、鋁、鈦等有色金屬及其合金表面處理的重點(diǎn)發(fā)展方向。
文檔編號(hào)H02M3/335GK202617005SQ20122015312
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月12日
發(fā)明者梅建偉, 姜木霖, 史旅華, 趙榕, 黃曉林 申請(qǐng)人:湖北汽車工業(yè)學(xué)院