CN101311325A - 两级逆变式微弧氧化电源及其输出调节控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种两级逆变式微弧氧化电源，包括主电路、控制系统、人机交互设备，其中主电路包括电源开关、输入整流滤波电路、功率逆变电路、高频变压器、输出整流滤波电路、斩波逆变电路；控制系统包括控制变压器、控制电路；人机交互设备包括键盘、显示器；控制变压器、输入整流滤波电路分别通过电源开关与工频交流电网连接，斩波逆变电路与负载连接，控制电路与功率逆变电路、斩波逆变电路、键盘、显示设备分别连接，且与输出整流滤波电路的输出端连接。本发明控制精度高、响应速度快，具有多输出特性，且工艺稳定性好，采用智能监控，实现了电源的高效化、高频化以及智能化。
Description
技术领域
本发明涉及用于材料表面处理的微弧氧化电源，具体是指两级逆变式微弧氧化电源及其输出调节控制方法。
背景技术
微弧氧化是一种新型的很有前途的材料表面处理技术，而微弧氧化电源是影响微弧氧化膜层质量的关键因素之一。微弧氧化电源有直流，单向脉冲，交流对称和交流不对称等多种模式，采用交流不对称工作模式的电源是微弧氧化技术的重要发展方向。目前国内也研制出具有交流不对称脉冲输出特性的微弧氧化电源，主要有晶闸管整流型电源，二极管整流型电源，两极逆变调压型电源和两级斩波型电源。
晶闸管整流型电源：其主电路结构如图1所示。主要由正负两极变压，晶闸管整流，电容电感滤波，IGBT斩波等电路组成。三相工频变压器的初级为一个绕组，次级为两个绕组工作，分别经晶闸管整流，电感、电容滤波后，产生后级斩波所需的正负两路直流，斩波电路采用两个IGBT模块串联，分别用于产生微弧氧化所需的正负向脉冲。Q1和Q3导通时，Q2和Q4截至；Q2和Q4导通时，Q1和Q3截至，这样经过负载的电压是正负两路交替变换的脉冲电压，而极性转换加工电路的电压调节是通过单片机控制可控硅的导通角来实现的。
该类电源调节周期较长，脉冲频率最大为1kHz，最高加工时间调节分辨率为1ms，由于电流过零的影响，热效率低，用晶闸管调节电流，当电流百分比偏小时，过零时间长，影响更大；变压器损耗大，电源系统功率因素低，回路损耗大，采用工频变压器，设备笨重。
二极管整流型电源：其主电路结构如图2所示。主要也是包括正、负极电压调节电路，整流滤波电路和斩波电路等。采用工频变压，二极管整流，阴阳极电压电流分别固定不变，不能够进行连续调节，能量输出控制精度低，如果要改变输出电压或电流则需在变压器初级前端增加一个调压器来调节输入电压。
两极逆变调压型电源：其主电路结构框图如图3所示。主电路由输入整流滤波电路、逆变调压电路、输出端整流滤波电路、极性转换电路等组成。也是分阴阳两极进行三相逆变调压，耗材，成本高，控制复杂。
两级斩波型电源：其主电路结构如图4所示。主电路在结构上分为整流电路、滤波电路、斩波电路以及逆变电路等组成。其中Q1为初级斩波IGBT，Q2、Q3、Q4、Q5构成后级斩波逆变电路。采用工频整流变压器，体积大，效率低；频率低，控制精度低。
综合起来，上述电源主要存在以下问题：
(1)开关频率低，一般在1kHz以下，能量输出控制和时间控制精度低；
(2)大部分电源初级采用工频整流变压器，体积大、笨重、效率低、耗材；而即便采用逆变调压，也是分阴阳两级，这就使得电源成本高，损耗大；
(3)有些电源为开环系统，部分带电流、电压反馈控制，电源稳定性不够；
(4)正负脉冲一般需采用不同的变压器来得到不同的输出，控制电路复杂；
(5)后级斩波电路中开关器件处于硬开关工作状态，开关损耗大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷与不足，提供一种两级逆变式微弧氧化电源，其控制精度高、响应速度快，具有多输出特性，且工艺稳定性好，采用智能监控，实现了电源的高效化、高频化以及智能化。
本发明的目的还在于提供上述两级逆变式微弧氧化电源输出调节控制方法。
本发明的目的通过下述方案实现：本两级逆变式微弧氧化电源，包括主电路、控制系统、人机交互设备，其中主电路包括电源开关、输入整流滤波电路、功率逆变电路、高频变压器、输出整流滤波电路、斩波逆变电路；控制系统包括控制变压器、控制电路；所述人机交互设备包括键盘、显示设备(LED或者LCD)；所述控制变压器、输入整流滤波电路分别通过电源开关与工频交流电网连接，斩波逆变电路与负载连接，控制电路与功率逆变电路、斩波逆变电路、键盘、显示器分别连接，且与输出整流滤波电路的输出端连接。
为更好地实现本发明，所述控制电路包括处理器及其连接的电压/电流采样电路、过载保护电路、功率逆变驱动电路、斩波逆变驱动电路；所述功率逆变驱动电路、斩波逆变驱动电路相应与功率逆变电路、斩波逆变电路连接，所述电压/电流采样电路分别与输出整流滤波电路的输出端连接；处理器还与所述控制变压器、键盘、显示设备连接。
所述处理器包括A/D转换模块、比较模块、PWM输出模块、显示驱动模块和键盘接口，A/D转换模块与电压/电流采样电路连接，PWM输出模块与所述功率逆变驱动电路、斩波逆变驱动电路分别连接，显示驱动模块通过处理器的I/O口、锁存译码器与显示设备连接，键盘接口通过处理器的I/O口与键盘连接。
所述处理器采用DSP实现，其具有16位比较/PWM输出功能，8通道PWM输出，每个PWM发生器都有两个引脚，每个输出引脚对均可互补或独立工作。驱动电路将PWM信号转换成能够驱动所述功率逆变电路、斩波逆变电路的IGBT管开关的驱动信号。电源提供给负载的输出电压/电流大小可以通过调节控制PWM信号的占空比来实现。
所述输入整流滤波电路采用三相二极管整流桥电路。所述输出整流滤波电路采用二极管整流，电容、电感滤波电路；所述二极管为快速二极管。
所述功率逆变电路采用适合于大功率输出的全桥式转换电路，包括四个IGBT管Q1～Q4以及反并联二极管、电容和电阻组成，四只功率管组成桥的四臂，所述高频变压器连接在它们的中间。本功率逆变电路采用有限双极性的控制方式，即超前臂Q1、Q2的驱动信号脉宽可以调节；滞后臂Q3、Q4的驱动信号脉宽不可调，为固定值(即最大脉宽)；Q1和Q3同时导通时间ton，Q2和Q4也同时导通时间ton。所述高频变压器初级电压Vab和输出电压仅与IGBT管状态有关，与负载性质和大小无关。为了避免同一桥臂上下两管同时导通造成短路，上下管必须设置一个固定的死区时间；通过调节Q1、Q2驱动信号脉宽可以实现输出电压调节。
所述高频变压器的输出电压经所述输出整流滤波电路后提供直流电源给斩波逆变电路，通过调节功率逆变电路的占空比可以得到连续可调的直流电或者脉冲电压，从而供给所述斩波逆变电路以产生各种形式的工作电压波形，满足不同的工艺要求。
所述斩波逆变电路同样采用全桥式逆变转换电路，包括四个IGBT管Q5～Q8以及反并联二极管、电容和电阻组成，四只开关管组成桥的四臂，所述负载连接在它们的中间。所述斩波逆变电路工作原理为：在控制脉冲的作用下首先驱动Q5、Q7对通过功率逆变电路、输出整流滤波电路所输出的正电源进行斩波，输出一定脉冲个数后关断正脉冲，延时一定时间再驱动Q6、Q8对通过逆变电路、整流电路输出负电源进行斩波，输出一定脉冲后关断负脉冲，延时一定时间后再切换到正电源进行斩波，如此循环下去，在负载上就可得到工艺所要求的交流不对称脉冲波形，满足微弧氧化工艺要求。
所述电压/电流采样电路包括霍尔传感器，电压、电流变换电路。
如上所述，本发明两级逆变式微弧氧化电源的输出调节控制方法包括以下工作步骤：
工频交流电经输入整流滤波电路变成低纹波的直流电，然后由功率逆变电路将直流电变成交流电；然后通过高频变压器变压，再由输出整流滤波电路将交变的电压变成直流电，供给斩波逆变电路；
电压/电流采样电路对所述输出整流滤波电路输出的电压/电流信号进行采样后，提供给控制电路进行比较、放大处理并输出控制信号控制功率逆变电路、斩波逆变电路，从而根据微弧氧化的工艺需要为负载提供所需的输出电压/电流波形。
上述调节控制方法中，所述输出电压/电流波形包括直流、直流脉冲、交流对称、交流不对称波形。
为更好地实现本发明，上述调节控制方法中：
若需要提供直流波形或者直流脉冲波形，则通过控制电路控制斩波逆变电路中的一对IGBT管始终处于导通状态，而将控制斩波逆变电路中的另一对IGBT管始终保持关断状态，由控制电路保证功率逆变电路输出为直流或者脉冲；
若需要提供交流对称波形或者不对称波形，则通过控制电路控制斩波逆变电路中的两对IGBT管交替导通和关断，其导通和关断时间由控制电路控制，当输出为正向波形时，图6中IGBT管Q5、Q7一直导通，Q6、Q8关断；反之，当输出为负向波形时，图6中IGBT管Q6、Q8一直导通，Q5、Q7关断，其输出电压/电流的大小由控制电路控制功率逆变电路来实现，当正、负向输出相同时，为交流对称模式，当正、负向输出不同时，为交流不对称模式。
以上四种工作方式中，可通过控制电路来控制输出模式为电压输出或者电流输出：
当输出模式为电压输出时，通过霍尔电压传感器采样输出电压与控制电路中的给定电压比较，控制功率逆变电路IGBT管的导通和关断，实现输出电压大小的调节，当给定电压为直流电压时，电源输出电压为直流波形，当给定电压为脉冲电压时，电源输出电压为脉冲波形；
当输出模式为电流输出时，通过霍尔电流传感器采样输出电流与控制电路中的给定电流值比较，控制功率逆变电路IGBT的导通和关断，实现输出电流大小的调节，当给定电流为直流电时，电源输出电流为直流波形，当给定电流为脉冲波形时，电源输出电流为脉冲波形。
电压/电流输出的稳定性相应通过电压/电流负反馈控制来实现，控制方法采用变结构的PID控制方法。
所述电压/电流负反馈控制是指：电压/电流采样电路对输出整流滤波电路的输出电压/电流进行采样，再输入到控制电路，与控制电路中的给定值比较，从而进行电压/电流负反馈控制。
相对于现有技术，本发明具有如下的优点及效果：
(1)工作频率达到20kHz以上，可将电源的控制精度达到微秒级，大大提高系统的响应速度，显著提升电源的调节分辨率和可控性；
(2)甩掉了传统的工频变压器；具有多输出特性，提高设备的工艺适应性；通过多参数反馈控制保证过程的工艺稳定性；
(3)采用智能监控，保证其工艺过程的一致性，简化了控制电路，实现了电源的高效化、高频化以及智能化；
(4)本发明为铝、镁、钛等有色金属及其合金的表面处理工艺提供一种新型低成本、高可靠性、高效率的微弧氧化装备，可促进微弧氧化技术的产业化，增加产品技术含量，使之具有高效、节能、环保的特点，加强我国微弧氧化电源装置的国际竞争力，具有明显的经济效益和社会效益。
附图说明
图1是现有的晶闸管整流型电源的主电路图；
图2是现有的二极管整流型电源的主电路图；
图3是现有的两极逆变调压型电源的结构框图；
图4是现有的两级斩波型电源主电路图；
图5是本发明两级逆变式微弧氧化电源的结构框图；
图6是本发明两级逆变式微弧氧化电源的主电路图；
图7是本发明两级逆变式微弧氧化电源的控制系统框图；
图8是本发明两级逆变式微弧氧化电源功率逆变电路的工作波形图；
图9-a～9-d是本发明两级逆变式微弧氧化电源输出波形模式。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
如图5所示，本两级逆变式微弧氧化电源，包括主电路、控制系统、人机交互设备，其中主电路包括电源开关、输入整流滤波电路、功率逆变电路、高频变压器、输出整流滤波电路、斩波逆变电路；控制系统包括控制变压器、控制电路；人机交互设备包括键盘、LED显示器；控制变压器、输入整流滤波电路分别通过电源开关与工频交流电网连接，斩波逆变电路与负载连接，控制电路与功率逆变电路、斩波逆变电路、键盘、LED显示器分别连接，且与输出整流滤波电路的输出端连接。
其中，如图7所示，控制电路包括处理器及其连接的电压/电流采样电路、过载保护电路、功率逆变驱动电路、斩波逆变驱动电路；功率逆变驱动电路、斩波逆变驱动电路相应与功率逆变电路、斩波逆变电路连接，电压/电流采样电路分别与输出整流滤波电路的输出端连接；处理器还与控制变压器、键盘、显示器连接。
所述处理器包括A/D转换模块、比较模块、PWM输出模块、显示驱动模块和键盘接口，A/D转换模块与电压/电流采样电路连接，PWM输出模块与所述功率逆变驱动电路、斩波逆变驱动电路分别连接，显示驱动模块通过处理器的I/O口、锁存译码器与显示设备连接，键盘接口通过处理器的I/O口与键盘连接。
处理器采用数字信号处理器DSPIC30F6010，其具有16位比较/PWM输出功能，可以同时输出8路PWM信号，4路用于控制驱动功率逆变电路，4路用于控制驱动斩波逆变电路。驱动电路将PWM信号转换成能够驱动所述功率逆变电路、斩波逆变电路的IGBT管开关的驱动信号。电源提供给负载的输出电压/电流大小可以通过调节控制PWM信号的占空比来实现。
电压/电流采样电路包括霍尔传感器，电压、电流变换电路；电源运行过程中一旦有过电流、过电压、欠电压、过热、缺冷却水现象产生，保护电路将使DSP控制系统产生中断、复位，保证整个电源可靠工作。
如图6所示，输入整流滤波电路采用三相二极管整流桥电路。所述输出整流滤波电路采用二极管整流，电容、电感滤波电路；所述二极管为快速二极管。
功率逆变电路采用适合于大功率输出的全桥式逆变转换电路，包括四个IGBT管Q1～Q4以及反并联二极管、电容和电阻组成，四个IGBT管组成桥的四臂，高频变压器连接在它们的中间。如图8所示，本功率逆变电路采用有限双极性的控制方式，即超前臂Q1、Q2的驱动信号脉宽可以调节；滞后臂Q3、Q4的驱动信号脉宽不可调，为固定值(即最大脉宽)；Q1和Q3同时导通时间ton，Q2和Q4也同时导通时间ton。高频变压器初级电压Vab和输出电压仅与IGBT管状态有关，与负载性质和大小无关，这样就保证了本两级逆变式微弧氧化电源输出电压/电流的稳定性。为了避免同一桥臂上下两管同时导通造成短路，上下管必须设置一个固定的死区时间；通过调节Q1、Q2驱动信号脉宽可以实现输出电压调节。
高频变压器的输出电压经输出整流滤波电路后提供直流电源给斩波逆变电路，通过调节功率逆变电路的占空比可以得到连续可调的直流电，从而供给斩波逆变电路以产生各种形式的工作电压波形，满足不同的工艺要求。
斩波逆变电路同样采用全桥式逆变转换电路，包括四个IGBT管Q5～Q8以及反并联二极管、电容和电阻组成，四个IGBT管组成桥的四臂，负载连接在它们的中间。斩波逆变电路工作原理为：在控制脉冲的作用下首先驱动Q5、Q7对通过功率逆变电路、输出整流滤波电路所输出的正电源进行斩波，输出一定脉冲个数后关断正脉冲，延时一定时间再驱动Q6、Q8对通过逆变电路、整流电路输出负电源进行斩波，输出一定脉冲后关断负脉冲，延时一定时间后再切换到正电源进行斩波，如此循环下去，在负载上就可得到工艺所要求的交流不对称脉冲波形，满足微弧氧化工艺要求。
本发明两级逆变式微弧氧化电源的调节控制方法包括以下工作步骤：
工频交流电经输入整流滤波电路变成低纹波的直流电，然后由功率逆变电路将直流电变成交流电；然后通过高频变压器变压，再由输出整流滤波电路将交变的电压变成直流电，供给斩波逆变电路；
电压/电流采样电路对输出整流滤波电路输出的电压/电流信号进行采样后，提供给控制电路进行比较、放大处理并输出控制信号控制功率逆变电路、斩波逆变电路，从而根据微弧氧化的工艺需要为负载提供所需的输出电压/电流波形。
如图9所示，输出电压/电流波形包括直流、直流脉冲、交流对称、交流不对称波形。
上述调节控制方法中：
若需要提供直流波形或者直流脉冲波形，则通过控制电路控制斩波逆变电路中的一对IGBT管始终处于导通状态，而将控制斩波逆变电路中的另一对IGBT管始终保持关断状态，由控制电路保证功率逆变电路输出为直流或者脉冲；
若需要提供交流对称波形或者不对称波形，则通过控制电路控制斩波逆变电路中的两对IGBT管交替导通和关断，其导通和关断时间由控制电路控制，当输出为正向波形时，图6中IGBT管Q5、Q7一直导通，Q6、Q8关断；反之，当输出为负向波形时，图6中IGBT管Q6、Q8一直导通，Q5、Q7关断，其输出电压/电流的大小由控制电路控制功率逆变电路来实现，当正、负向输出相同时，为交流对称模式，当正、负向输出不同时，为交流不对称模式。
以上四种工作方式中，可通过控制电路来控制输出模式为电压输出或者电流输出：
当输出模式为电压输出时，通过霍尔电压传感器采样输出电压与控制电路中的给定电压比较，控制功率逆变电路IGBT管的导通和关断，实现输出电压大小的调节，当给定电压为直流电压时，电源输出电压为直流波形，当给定电压为脉冲电压时，电源输出电压为脉冲波形；
当输出模式为电流输出时，通过霍尔电流传感器采样输出电流与控制电路中的给定电流值比较，控制功率逆变电路IGBT的导通和关断，实现输出电流大小的调节，当给定电流为直流电时，电源输出电流为直流波形，当给定电流为脉冲波形时，电源输出电流为脉冲波形。
电压/电流输出的稳定性相应通过电压/电流负反馈控制来实现，控制方法采用变结构的PID控制方法。
如图5所示，所述电压/电流负反馈控制是指：电压/电流采样电路对输出整流滤波电路的输出电压/电流(如图5中的UF/IF)进行采样，再输入到控制电路，与控制电路中的给定值比较，从而进行电压/电流负反馈控制。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (9)
1、两级逆变式微弧氧化电源，其特征在于：包括主电路、控制系统、人机交互设备，其中主电路包括电源开关、输入整流滤波电路、功率逆变电路、高频变压器、输出整流滤波电路、斩波逆变电路；控制系统包括控制变压器、控制电路；所述人机交互设备包括键盘、显示设备；所述控制变压器、输入整流滤波电路分别通过电源开关与工频交流电网连接，斩波逆变电路与负载连接，控制电路与功率逆变电路、斩波逆变电路、键盘、显示设备分别连接，且与输出整流滤波电路的输出端连接。
2、根据权利要求1所述两级逆变式微弧氧化电源，其特征在于：所述控制电路包括处理器及其连接的电压/电流采样电路、过载保护电路、功率逆变驱动电路、斩波逆变驱动电路；所述功率逆变驱动电路、斩波逆变驱动电路相应与功率逆变电路、斩波逆变电路连接，所述电压/电流采样电路分别与输出整流滤波电路的输出端连接；处理器还与所述控制变压器、键盘、显示设备连接。
3、根据权利要求2所述两级逆变式微弧氧化电源，其特征在于：所述处理器包括A/D转换模块、比较模块、PWM输出模块、显示驱动模块和键盘接口，A/D转换模块与电压/电流采样电路连接，PWM输出模块与所述功率逆变驱动电路、斩波逆变驱动电路分别连接，显示驱动模块与显示设备连接，键盘接口与键盘连接。
4、根据权利要求3所述两级逆变式微弧氧化电源，其特征在于：所述处理器采用8通道PWM输出的DSP实现；所述电压/电流采样电路包括有霍尔传感器，电压、电流变换电路。
5、根据权利要求1～4任一项所述两级逆变式微弧氧化电源，其特征在于：所述功率逆变电路采用全桥式逆变转换电路，其由四个IGBT管以及反并联二极管、电容和电阻组成，四个IGBT管组成桥的四臂，所述高频变压器与四个IGBT管分别连接；所述斩波逆变电路采用全桥式逆变转换电路，其由四个IGBT管以及反并联二极管、电容和电阻组成，四只IGBT管组成桥的四臂，所述负载与四个IGBT管分别连接。
6、采用权利要求5所述两级逆变式微弧氧化电源的输出调节控制方法，其特征在于包括以下工作步骤：
工频交流电经输入整流滤波电路变成低纹波的直流电，然后由功率逆变电路将直流电变成交流电；然后通过高频变压器变压，再由输出整流滤波电路将交变的电压变成直流电，供给斩波逆变电路；
电压/电流采样电路对所述输出整流滤波电路输出的电压/电流信号进行采样后，提供给控制电路进行比较、放大处理并输出控制信号控制功率逆变电路、斩波逆变电路，从而根据微弧氧化的工艺需要为负载提供所需的输出电压/电流波形；所述输出电压/电流波形包括直流、直流脉冲、交流对称、交流不对称波形。
7、根据权利要求6所述两级逆变式微弧氧化电源的输出调节控制方法，其特征在于：
若需要提供直流波形或者直流脉冲波形，则通过控制电路控制斩波逆变电路中的一对IGBT管始终处于导通状态，而将控制斩波逆变电路中的另一对IGBT管始终保持关断状态，由控制电路保证功率逆变电路输出为直流或者脉冲；
若需要提供交流对称波形或者不对称波形，则通过控制电路控制斩波逆变电路中的两对IGBT管交替导通和关断，其导通和关断时间由控制电路控制，当输出为正向波形时，其中一对IGBT管一直导通，另一对IGBT管关断；反之，则输出为负向波形，其输出电压/电流的大小由控制电路控制功率逆变电路来实现，当正、负向输出相同时，为交流对称模式，当正、负向输出不同时，为交流不对称模式。
8、根据权利要求7所述两级逆变式微弧氧化电源的输出调节控制方法，其特征在于：通过控制电路来控制输出模式为电压输出或者电流输出，即：
当输出模式为电压输出时，通过霍尔电压传感器采样输出电压与控制电路中的给定电压比较，控制功率逆变电路IGBT管的导通和关断，实现输出电压大小的调节，当给定电压为直流电压时，电源输出电压为直流波形，当给定电压为脉冲电压时，电源输出电压为脉冲波形；
当输出模式为电流输出时，通过霍尔电流传感器采样输出电流与控制电路中的给定电流值比较，控制功率逆变电路IGBT的导通和关断，实现输出电流大小的调节，当给定电流为直流电时，电源输出电流为直流波形，当给定电流为脉冲波形时，电源输出电流为脉冲波形；
电压/电流输出的稳定性相应通过电压/电流负反馈控制来实现，控制方法采用变结构的PID控制方法。
9、根据权利要求8所述两级逆变式微弧氧化电源的输出调节控制方法，其特征在于：所述电压/电流负反馈控制是指：电压/电流采样电路对输出整流滤波电路的输出电压/电流进行采样，再输入到控制电路，与控制电路中的给定值比较，从而进行电压/电流负反馈控制。
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