數(shù)字單脈沖電源在電鍍中的應(yīng)用

     摘　要:脈沖電鍍具有鍍件質(zhì)量好,生產(chǎn)效率高,節(jié)約原材料及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)此介紹了基于單片機(jī)的數(shù)字單脈沖電源在電鍍中的應(yīng)用。闡述了數(shù)字單脈沖電源的工作原理,其控制電路簡單,組合方便。給出了雙CPU結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng),以及軟件流程圖。

　　0　引言：

　　隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和市場經(jīng)濟(jì)的日益繁榮,特別是我國加入世界貿(mào)易組織后,我國的電鍍行業(yè)遇到更多的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

　　電鍍,即采用電化學(xué)的方法使金屬離子還原為金屬,并在金屬或非金屬制品表面形成符合要求的平滑、致密的金屬覆蓋層。電鍍后的鍍層性能在很大程度上取代了原先基體的性質(zhì),起到了裝飾與防護(hù)的作用。隨著科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)力的提高,電鍍工藝已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。

　　電流通過鍍槽是電鍍的必要條件,鍍件上的金屬鍍層就是在電流流過電鍍槽時(shí)所產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)而形成的。

　　根據(jù)電鍍的基本原理,改進(jìn)電鍍質(zhì)量有兩個(gè)方法:調(diào)整電鍍?nèi)芤?改進(jìn)電鍍電源。現(xiàn)實(shí)中人們廣泛采用改進(jìn)電鍍電源的方法來提高電鍍的性能。在電鍍電源的發(fā)展過程中,由全控型電力電子開關(guān)構(gòu)成的脈沖電源是電鍍電源的一次革命。這種電源體積小、性能優(yōu)越、紋波系數(shù)小、不易受輸出電流的影響。

　　1　脈沖電源電鍍的基本原理：

　　脈沖電源電鍍是一項(xiàng)新的電鍍技術(shù)。它的特點(diǎn)是由脈沖電流對(duì)電極過程動(dòng)力學(xué)的特效影響所決定的,其中最重要的是對(duì)傳質(zhì)過程中的影響。在直流電鍍時(shí),鍍液中被鍍出的金屬離子在陰極表面附近溶液中逐漸被消耗,造成了該處被鍍金屬離子與溶液中該離子的濃度出現(xiàn)差別。這種差別隨著使用的電流密度的增高而加大。當(dāng)陰極附近液層中的該離子的濃度降到0時(shí),就達(dá)到了極限電流密度,傳質(zhì)過程完全受到擴(kuò)散控制。但在脈沖電鍍時(shí),由于有關(guān)斷時(shí)間的存在,被消耗的金屬離子利用這段時(shí)間擴(kuò)散、補(bǔ)充到陰極附近,當(dāng)下一導(dǎo)通時(shí)間到來時(shí),陰極附近的金屬離子濃度得到恢復(fù),故可以使用較高的電流密度;因此脈沖電鍍時(shí)的傳質(zhì)過程與直流電鍍時(shí)的傳質(zhì)過程的差異,造成了峰值電流可以大大高于平均電流,促使晶體形成的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于晶體長大的速度,使鍍層結(jié)晶細(xì)化,排列緊密,孔隙減小,電阻率低。并且直流電鍍時(shí)的連續(xù)陰極極化電位下的各種物質(zhì)在陰極表面上的吸脫附過程與脈沖條件下的間斷高陰極極化電位下的吸脫附過程的機(jī)理有了很大的差異,造成了同樣的溶液配方及添加劑在電源波形不同時(shí),表現(xiàn)的作用差異也很大。

　　脈沖電源其電流呈脈沖方式流動(dòng),并可在瞬時(shí)產(chǎn)生高密度電流;因此,在電鍍時(shí)能將底層均勻地涂覆到鍍件上,并使之加速,提高了效率;鍍件表面均勻、細(xì)致,使金銀等貴重金屬得到很大的節(jié)約。由此可以看出,可以調(diào)節(jié)占空比及頻率的脈沖電鍍電源,尤其是開關(guān)電源,將隨之得到廣泛的應(yīng)用。

　　2　數(shù)字單脈沖電源硬件系統(tǒng)框架：

　　所謂數(shù)字脈沖電源,就是采用微處理器等數(shù)字電路對(duì)脈沖電源中的直流斬波進(jìn)行控制,并實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示與數(shù)字調(diào)節(jié)的一種脈沖電源。它是現(xiàn)在最先進(jìn)的電鍍電源,也是電鍍電源的發(fā)展方向。

　　數(shù)字脈沖電源一般分為雙脈沖電源與單脈沖電源兩種。[!--empirenews.page--]

　　數(shù)字單脈沖電源的原理框圖如圖1。

　　目前,大多數(shù)斬波系統(tǒng)利用全控型電力電子器件MOS2FET和IGBT對(duì)直流電源進(jìn)行斬波 ,達(dá)到脈沖輸出的目的。改變開關(guān)管的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào),便可以實(shí)現(xiàn)脈寬及頻率的調(diào)節(jié)。

　　系統(tǒng)中核心的問題是定時(shí):電鍍時(shí)間的定時(shí)以及驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的脈沖定時(shí),而且后者的定時(shí)精度直接影響輸出脈沖波形的頻率精度。同時(shí)考慮系統(tǒng)的顯示以及按鍵處理的因素,本系統(tǒng)采用了雙CPU的系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

　　雙CPU系統(tǒng)的關(guān)鍵是主從CPU的協(xié)調(diào)與通信。實(shí)現(xiàn)的條件是:

　　(1) 能滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求,響應(yīng)及時(shí),并能完成系統(tǒng)的所有設(shè)計(jì)功能;(2) 軟硬件實(shí)現(xiàn)不能過于復(fù)雜。

　　在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中,雙CPU或者多CPU系統(tǒng)的構(gòu)建通常有以下幾種形式:

　　(1) 采用雙口RAM方式;(2) 采用并口通信方式;(3) 采用串行通信方式;本系統(tǒng)采用串行通信的方式來連接。雙CPU系統(tǒng)原理框圖見圖2。

　　按照設(shè)計(jì)要求與方案,本系統(tǒng)的功能模塊有顯示、按鍵電路、復(fù)位與看門狗電路、主CPU系統(tǒng)、從CPU系統(tǒng)、斬波控制電路等。

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　　(1) 主CPU系統(tǒng)：

        主CPU系統(tǒng)主要管理顯示電路、按鍵電路、運(yùn)行狀態(tài)控制以及向從CPU 系統(tǒng)發(fā)送脈沖參數(shù)等。本CPU 選用89C52,暫停時(shí)通過P11控制暫停指示燈發(fā)光指示,喂狗信號(hào)由P10輸出。主從CPU的握手信號(hào)為R /P。考慮到主CPU系統(tǒng)對(duì)定時(shí)的要求不高,采用6MHz主頻信號(hào)。

　　(2) 從CPU系統(tǒng)：

　　從CPU系統(tǒng)選用89C2051單片機(jī),唯一的任務(wù)是產(chǎn)生斬波所需要的脈沖信號(hào)。ATMEL公司生產(chǎn)的這種型號(hào)單片機(jī)是一種低功耗、高性能的8位CMOS微處理器芯片。片內(nèi)帶有2 kB的閃爍可編程及可擦除只讀存儲(chǔ)器,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80C51指令集相兼容。

　　(3) 復(fù)位與看門狗電路：

　　按照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及長期連續(xù)運(yùn)行等實(shí)際情況,本系統(tǒng)的復(fù)位必須考慮三種情況:上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位及看門狗定時(shí)器溢出復(fù)位。采用MAX813L電源監(jiān)視電路。主從CPU系統(tǒng)共用復(fù)位信號(hào),當(dāng)系統(tǒng)中任何一個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)行失效時(shí),必須共同復(fù)位。

　　(4) 主系統(tǒng)顯示與按鍵電路：

　　考慮到電鍍的實(shí)際生產(chǎn),顯示采用數(shù)碼管,同時(shí)為了減輕主CPU的負(fù)擔(dān),簡化硬件設(shè)計(jì),顯示與按鍵電路通過8279專用接口芯片與單片機(jī)相連。

　　　　3　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

　　采用雙CPU系統(tǒng), 2個(gè)CPU各司其職,使軟件的設(shè)計(jì)難度降低了。

　　3. 1　主系統(tǒng)軟件：

　　主系統(tǒng)主要有4大功能模塊組成:主程序模塊、串行通信模塊、T2定時(shí)中斷服務(wù)程序、參數(shù)編輯模塊。4個(gè)模塊的功能分別是:

　　主程序模塊:系統(tǒng)初始化及其他模塊的協(xié)調(diào)與調(diào)用。

　　串行通信模塊:主要向從系統(tǒng)發(fā)送編輯好的ton , toff及T等參數(shù)。

　　T2定時(shí)中斷系統(tǒng)服務(wù)模塊:計(jì)算電鍍時(shí)間,即對(duì)T參數(shù)倒計(jì)時(shí)處理。

　　參數(shù)編輯模塊:編輯輸入脈沖所需的ton , toff及T等參數(shù)。

　　主系統(tǒng)主程序框圖見圖3。

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　　3. 2　從系統(tǒng)軟件：

　　從系統(tǒng)軟件主要有3大模塊:主程序模塊、串行通信模塊、T1定時(shí)中斷服務(wù)程序。從系統(tǒng)主程序框圖見圖4。

　　4　結(jié)論：

　　隨著科技進(jìn)步,電子、通信、信息等技術(shù)的不斷發(fā)展,電鍍數(shù)字脈沖電源的應(yīng)用將會(huì)越來越廣,合理使用脈沖電源必將對(duì)我國電鍍行業(yè)的發(fā)展起到很大的作用。