高智能監控脈沖電鍍電源的研發與應用

徐麗春

（遵義職業技術學院 機電控制工程系，遵義 563000）

0 引言

脈沖電鍍是20世紀60年代發展起來的一種電鍍技術，脈沖電鍍所依據的電化學原理是利用電流脈沖的張弛增加鍍槽陰極的活化極化和降低陰極的濃差極化，從而改善鍍層的物理化學性能。主要特點是能改善鍍層結構，使鍍層平滑、細致，降低鍍層孔隙率和內應力，同時提高鍍層抗蝕性、韌性及耐磨性，從而獲得成分穩定的合金鍍層。在工業電鍍生產中，脈沖電鍍電源主要用于觸點類小零件的恒流鍍金工序，由于零件小，鍍層質量要求高。工業現場常用的是數控雙脈沖方波電鍍電源，該雙脈沖電源具有脈沖、電流等參數的設置、顯示功能，但沒有電流監控和脈沖監控功能。由于電鍍現場環境惡劣，腐蝕性強，對于具有很多設置開關以及裸露的電路器件，這樣的環境對儀器會產生極大的不利，使用過程中一旦儀器出現故障，無法保證電鍍質量，同時會造成不小的損失（零件報廢和鍍金成本損失）。

為此本項目開發的高智能脈沖電鍍電源主要針對如何解決環境對脈沖電源的腐蝕而造成質量隱患、脈沖電流的監測與控制、脈沖寬度的監測與控制、提高控制精度方面進行改善設計，以最大程度減少因環境因素或設備故障而造成的質量問題或成本損失。

1 原理與設計

1.1 脈沖電源的主要技術指標

由于繼電器觸點零件小，鍍層質量要求高，現場使用的是數控雙脈沖方波電鍍電源，使用峰值電流最大為30A，常用占空比為0.1mS:0.5 mS、0.1 mS:0.8 mS、0.1 mS:0.9 mS三種方式。

1) 供電電源

輸入電源電壓AC220V±15%，50Hz，功耗≤500W。

2) 輸出脈沖電流

電流：0～30A(峰值)。

電壓：0～12V(峰值)。

3) 輸出脈沖波形和占空比

輸出波形：方波；

占空比：0.1mS:0.5 mS、0.1 mS:0.8 mS、0.1 mS:0.9 mS可選擇。

4) 監控功能

具有電流監控和脈沖寬度監控功能。

1.2 原理設計

1) 整機原理設計

整個脈沖電源主要由可調恒流源和脈沖電源監控系統組成，其中脈沖電源監控系統包含電流斬波器、脈沖電源中央控制器和控制面板等，原理框圖如圖1所示。

第三，經濟合理。對于規模較大的農村供水工程，一般能做到通過方案比較和技術經濟分析，使得管道綜合造價低，運行經濟，使用壽命長，施工機具解決及安裝容易，維護維修方便、工作量少、成本低。但對于規模較小的工程，這方面做得還不夠。

圖1 整機原理框圖

可調恒流源：用于提供電鍍電流，根據不同零件電鍍工藝要求可進行不同電流的設定，最大輸出直流電流為30A，開路電壓最大12V。

電流斬波器：該斬波器采用大功率MOS管對恒流源輸出的直流電流進行斬波，通過脈沖電源中央控制器發出的斬波驅動脈沖信號控制MOS管的通斷，達到電流以脈沖方式輸出的目的，改變控制器輸出驅動脈沖信號的占空比即可實現不同需求的脈沖電流或占空比輸出。

脈沖電源中央控制器：該中央控制器是脈沖電鍍電源的核心控制系統，它由單片機MCU、斬波脈沖發生器、脈沖整形驅動電路、脈沖電流采樣、脈沖寬度采樣等部件組成一個完整的智能控制系統。控制系統根據控制面板的設定輸出對應的斬波驅動脈沖，同時對輸出的驅動脈沖和電流脈沖反饋信號進行實時監測處理，達到智能監控脈沖電鍍的目的。

控制面板：控制面板主要設置有輸出電流顯示控制儀表、輸出電流脈沖占空比選擇開關、輸出脈沖狀態指示和輸出脈沖電流狀態指示。

2) 脈沖電鍍電源的防腐蝕設計

可調恒流源的防腐蝕設計：電鍍場所的環境極差，濕度大、空氣含有的酸堿成分對儀器的腐蝕性強，為了保證儀器不被環境因數影響。在脈沖電鍍電源設計時采用了獨立的密封可調恒流電源，即包括電流調整旋鈕都被密封在恒流源的鋁合金腔體內，這樣可調恒流源則可以完全避免環境因素所帶來的不利影響。

脈沖電源監控系統的防腐蝕設計：在該監控系統中，電流斬波器和中央控制器均集成在一塊印制電路板上，所有元器件采用直接焊接方式；所有印制板到控制面板或輸出接口之間的連接導線均采用螺釘壓接端子壓線方式，避免使用接插件而帶來受腐蝕后接觸不良的隱患。

圖3 脈沖電流檢測原理圖

脈沖發生器輸出的脈沖（PLS）通過ULN2004整形后（Q-PLS）驅動MOS管對恒流源設定的電流進行斬波，同時驅動脈沖通過整形后反饋給中央控制器MCU的Pi/o（如圖2所示）。中央控制器通過采集Pi/o的低電平時間判斷輸出驅動脈沖寬度是否符合要求，當低電平脈寬大于0.1mS，中央控制器會對脈沖輸出禁止（使能S=1），切斷斬波器工作，使輸出脈沖電鍍電流為零。同時中央控制器還對電流傳感器的輸出進行采樣，檢測輸出電流是否被切斷。

4) 電流監控設計原理

脈沖峰值電流檢測原理設計如圖3所示。電流傳感器ACS750輸出的電流電壓曲線如圖4所示（1A=40m V），脈沖電源工作期間，監控系統在接受脈沖電流監控啟動時，中央處理器根據當前輸出脈沖峰值電流的檢測電壓值（Viv）自動設置DA轉換器輸出V ref。比較器LM 339以V ref作為電流上限基準，以(V ref-2.5)×R2/(R1+R2)+2.5作為下限基準，其中R2=9×R1， 則比較器的上下限為當前正常峰值電流Viv的±5%，計算公式如下：

N為當前峰值電流。

圖4 電流傳感器電壓曲線圖

基準電壓VH：VH=Vref=(Viv-2.5)×1.05+2.5 (V)

基準電壓VL：VL=(Vref-2.5)×0.9+2.5 (V)

在輸出脈沖電流期間，中央處理器通過采集Pio1、Pio2的邏輯電平狀態，若電流峰值在合理范圍，則Pio1=0、 Pio2=0，若電流峰值小于設定的下限，則Pio1=1；若電流峰值大于設定的上限，則Pio2=1。在電流輸出期間，監控系統同時對脈沖電流的寬度（Pio1=0和Pio2=0的時間）進行監測。在電流輸出期間若電流脈沖寬度超差（＞0.1mS）或出現Pio1=1或Pio2=1時，中央控制器會對脈沖輸出禁止（圖2：使能S=1），切斷斬波器工作，使輸出脈沖電鍍電流為零。

5）脈沖電流有效值顯示與監控原理設計

脈沖電流有效值顯示采用電流取樣電阻R和宇電智能儀表結合的顯示與控制方式(如圖5所示)，宇電智能儀表不但具有電流有效值顯示功能，還有上下限設定和報警功能。將報警輸出觸點連接于監控系統MCU的Pio3，檢測有效值電流在設定上下極限范圍時，儀表處于正常監測狀態，輸出Pio3的邏輯電平為1；當有效值電流超出設定范圍，則儀表處于報警狀態，輸出到MCU的Pio3電平為0，這樣控制系統根據Pio3狀態判斷當前脈沖電源輸出的電流有效值是否在設定范圍，當出現超差，中央控制器會對脈沖輸出禁止（圖2：使能S=1），切斷斬波器工作，使輸出脈沖電鍍電流為零。

在出現任何異常狀態時，即脈寬檢測、脈沖電流檢測或有效值電流檢測出現異常后，中央控制器均會切斷斬波器工作，使輸出電流為零。為了確保不是因為斬波器元件故障導致的檢測異常，則在切斷斬波器工作期間，中央控制器繼續對ACS750的電流檢測信號進行處理，即設置LM 339比較器的基準V ref為2.5V+2m V，同時MCU檢測Pio2的邏輯狀態（如圖3所示），用以判別輸出電流是否為零（輸出電流為零時，Viv=2.5V）。若輸出電流不為零，則控制器啟動強制保護措施，即斷開可調恒流源（JK-1），徹底避免輸出電流對電鍍鍍層質量的影響。

6) 高性能、低功耗的32位嵌入式微處理器系統設計

該脈沖電鍍電源采用32位嵌入式微處理器系統，在傳統的工業控制領域，多年來一直由基于X 86架構和8/16位架構的微處理器占據，基于X 86架構的微處理器具有較高的性能，但成本、功耗和體積不太令人滿意，而基于8/16位架構的微處理器，具有成本、功耗和體積的優勢，但性能較低，不能用于需求比較復雜的場合。

近幾年來，隨著以ARM為代表的32位嵌入式微處理器的逐漸推廣使用，為工業控制應用開辟了一個新的發展方向，32位ARM架構的嵌入式微處理器具有高性能、低功耗、低成本、小體積的特點，適合于新一代工業控制系統的需求。該監控脈沖電鍍電源的控制以單片機為核心。通過對輸出電壓、電流的檢測，通過實時處理，經輸出口發出相應的控制信號。協調、控制各個部分電路。當有任何故障狀態出現時．單片機內定時器立即停止計數。所有PWM輸出引腳全部呈高阻狀態，產生中斷信號．通知單片機有故障情況。

圖5 脈沖電流有效值檢測與監控原理圖

2 結束語

本項目對如何解決電鍍現場環境對脈沖電源的腐蝕而造成質量隱患、脈沖電流的監控、脈沖寬度的監控、提高微處理器的掃描速度四個方面進行專項技術研發，以最大程度減少因設備原因而造成的質量問題或成本損失。與傳統的脈沖電鍍電源相比，具有穩定、精度高、安全、高效之特點，其市場前景廣闊。是一具有高附加值的電氣新產品，社會經濟效益和環境效益十分明顯，由于技術的提高，設備的改進，工藝的優化，減少設備的維護成本和過程控制成本，提高產品的性能和質量，減少產品廢品率，將會給企業帶來強大的經濟效益，該脈沖電鍍電源通過耐環境設計后，大大提高了脈沖電源的可靠性；增加脈沖寬度監控和脈沖電流監控設計后，達到了脈沖電鍍參數智能監控的目的，為保證電鍍質量、降低電鍍成本具有非常重要的意義。隨著脈沖電鍍理論研究的進一步成熟，新方法的誕生和更高電流密度電源的出現，脈沖電鍍將能夠解決更多直流電源不能解決的一些問題，有助于它在合金電鍍領域取得更大的發展，這將是脈沖電鍍發展的一個主要方向。

[1] 黃子勛,吳純素.電鍍理論[M].中國農業機械出版社,1982.

[2] 向國樸.脈沖電鍍的原理與應用[M].天津科學技術出版社,1989.

[3] 張振榮,晉明武.等.MCS-51單片機原理及實用技術[M].人民郵電出版社,2000.