微弧氧化電源系統研究現狀

何 飛，盧 偉，慕偉意

（西北有色金屬研究院，陜西西安 710016）

0 引言

隨著鈦、鎂、鋁合金應用越來越廣泛，提高其表面性能的要求日益迫切，在基體表面進行表面處理可以防止其與環境直接接觸，減少或避免腐蝕，現在常用的表面處理方法有電化學鍍、陽極氧化、微弧氧化、氣相沉積、激光表面合金化等。與其他的表面處理方法相比，微弧氧化具有氧化膜層質量好、制備工藝操作簡單、成本偏低且無污染產物生成的優點。

微弧氧化技術（MAO），又稱微等離子體氧化技術、液相等離子體氧化技術等，是一種將鈦、鎂、鋁等閥金屬及合金放置于特制的電解液中，使其表面原位生長出氧化陶瓷膜的表面處理技術，其受到諸如能量參數（電壓、電流密度、頻率、占空比和處理時間）、溶液特性（成分、濃度、溫度、電導率和pH 值）、基體合金元素以及工件形狀等多因素的影響，屬于多參數耦合控制的表面處理技術。

在多參數耦合控制中，能量參數對工藝的影響巨大，是大多數研究單位探索的重點。其中電壓、電流密度對膜層的影響是最主要的方面，在未引起大弧放電燒蝕工件表面之前，這2 個值越大其膜層性能越好；脈沖的頻率和占空比主要影響膜層的表面和膜層微觀孔洞形貌；處理時間更多地影響膜層的厚度和粗糙度。

1 微弧氧化電源系統

微弧氧化電源有直流、交流、單脈沖、雙向脈沖等多種拓撲結構方式，目前脈沖電源應用較多。原因在于脈沖電源運用先進的功率電子器件和高頻逆變技術，對能量參數的控制更加精細和可靠，同時使傳統工頻整流電源的材料減少80%～90%，節能20%～30%，并向輕量化、模塊化、智能化和大容量化方向發展。對于工藝而言，脈沖電源的輸出波形一方面要有高的穩態性能，同時還應有快的動態響應，而單一的控制策略很難同時滿足這2 方面的要求，因此需要從電源系統進行統籌考慮微弧氧化電源系統，其目的是要獲得高質量的膜層，因此必須統籌兼顧工藝技術融入電源系統的研發和生產，包含電源硬件設計和軟件設計。

在研究硬件方面要考慮電源的內在拓撲結構、元器件選擇以及輸出波形是否滿足工藝要求，并具備一定的冗余性；溶液特性、基體合金元素、工件形狀和數量以及電極放置位置等其它因素所形成的負載特性情況是否可以滿足工藝要求；獲得的膜層成膜效率如何，有無大弧的產生并影響生產的進行。在軟件設計方面一是在傳統控制策略方面加大對算法的研究，二是通過計算機模擬仿真加大對多物理場耦合對膜層生長的影響研究，以及電源拓撲結構中的能量參數。

2 硬件電路

微弧氧化電源的硬件電路主要由主回路和控制回路構成。

2.1 主回路

微弧氧化電源主電路主要包括變壓電路、整流電路、濾波電路、逆變電路等組成。其中，變壓電路可分為工頻升壓、逆變升壓；整流電路按照拓撲接口分為單相、三相、半橋、全橋電路等，按照器件種類分為二極管不可控整流、晶閘管全控或半控整流等；微弧氧化逆變電路主要是指采用IGBT 等全控型器件，換流方式為器件換流的單相逆變電路，根據直流側電源性質可分為電壓型和電流型逆變電路，根據逆變級數可分為一級逆變、多重逆變等。

以雙向脈沖工作模式為例，根據“變、整、逆”特征，可組合成很多結構，舉以下幾種主要結構。

2.1.1 “整—逆”結構

主電路中三相交流電通過整流后經IGBT 組成的全橋逆變電路得到所需高頻方波脈沖。該電路特點為減少變壓器的投入，采用二極管三相橋式不可控整流電路，通過控制IGBT 器件VT1、VT4 和VT3、VT2 的同時導通和關斷得到雙向脈沖，如圖1 所示。

圖1 “整—逆”結構電源系統

2.1.2 “變—整—逆”結構

工頻變壓器能夠將電網電壓與主電路電壓隔離，防止對電網進行沖擊，并起到升降壓的作用；整流電路采用三相晶閘管全控整流，改變晶閘管觸發角的大小即可改變脈沖的幅值；逆變電路采用電壓型全橋逆變，改變IGBT 的通斷時間即可實現脈沖的頻率和占空比的調節，如圖2 所示。

圖2 “變—整—逆”結構電源系統

2.1.3 “整—逆—變—整—逆”結構

可以實現雙向不對稱脈沖，如圖3 所示，該電路由三相整流電路、ZVZCS 移相全橋DC/DC 變換器、不對稱脈沖生成單元全橋斬波逆變電路組成，其原理為三相工頻電壓通過整流升壓后經濾波成直流，經過ZVZCS 移相全橋軟開關技術逆變調壓，通過后級脈沖單元實現雙向不對稱脈沖。

圖3 “整—逆—變—整—逆”結構電源系統

2.1.4 并聯結構

在實際應用中，隨著產能的增加，對電源設備要求的功率和能耗也不斷增加，同時將主回路轉化成多主回路并聯，解決單臺電源功率不足問題，提高加工能力，同時也增強系統的可靠性。

2.1.5 放電回路

放電回路的核心是提供一個強制放電回路可以使得電壓在下降階段能迅速回路，同時限制電流的尖端效應，降低大弧和尖峰電流的影響。

正向導通時，斬波器Q1 導通、Q2 關斷，I1為脈沖電流；正向關斷時，斬波器Q1 關斷、Q2 導通。由于微弧氧化負載具有強電容特性，關斷后開始向電源側放電，通過Q2 的放電電流為I2。靠控制Q1 和Q2 的導通與關斷時序和K 的導通關斷，I2可以不完全放電和完全放電如圖4 所示。采用完全放電時，燃弧時間和冷卻時間可以通過脈沖參數精確設定，有效解決大弧放電問題。

圖4 帶放電回路的電源拓撲結構

2.2 控制電路

電源控制電路的主要核心是以單片機、DSP、FPGA、ARM 等為主的控制芯片，也可以以PLC 作為控制核心。以控制芯片為主的系統運算速度較快，但抗干擾能力較弱。要使得電源性能發揮好，首先應考慮的是現場環境，若現場環境比較惡劣電磁干擾強，應考慮使用PLC 作為控制核心的系統。

微弧氧化控制電路的主要由主控電路、SCR 觸發電路、IGBT 驅動電路、數據采集電路、故障保護電路等組成。SCR 觸發電路用在以晶閘管為主的三相整流電路中，為系統提供有效的直流波形；IGBT 驅動電路將脈沖輸出的功率進行放大，以達到驅動IGBT 功率器件實現導通和關斷；數據采集電路包含電壓、電流以及溫度采集，電壓、電流采集輸出端信號并傳輸至主控電路進行對比，這是整個主控電路的核心部分，以達到恒壓或恒流的目的；溫度采集電路采集晶閘管、IGBT 等主回路器件的表面溫度，防止器件因過熱而損壞，起到保護電路的作用。

3 軟件設計

微弧氧化電源控制系統的核心部分就是軟件設計，軟件的運行可靠直接決定了系統的安全穩定。傳統軟件設計針對采樣、PWM 和中斷及串口通信等部分，其中控制算法以PID 調節為主，然而隨著對微弧氧化成膜過程的深入了解，各種優化控制模型逐步占據主導地位。

3.1 PID 算法

控制算法以實現恒壓或恒流為主，包含PI 調節、數字PID調節等方法。采用數字PI 調節控制，分別為電壓反饋和電流反饋。PI 算法表達式為：

其中，u（n）為PI 調節器本次計算輸出值，u（n-1）為上一次計算輸出值，Kp為比例系數，Ki為積分系數，e（n）為被控對象目標值和采樣值之間的偏差，e（n-1）為上一次采樣偏差，比如對于恒壓特性是，e（n）為給定電壓與采樣輸出電壓之差。

3.2 模糊PID 算法

隨著氧化膜層厚度的增加，調節器的最佳調節參數也會發生變化，使用傳統PID 算法不具備在線調節能力，無法提供最優化的調節效應。針對IGBT 斬波驅動電路，設定電流內環、電壓外環的雙閉環模糊控制方式。

該系統調節由3 個階段組成：第1 階段是啟動后電流上升階段，此時電壓反饋偏差較大，電壓環相對開環狀態，電流環進行模糊控制PID 調節輸出反饋信號給主控芯片后給IGBT 驅動電路PWM 信號，電流激增；第2 階段是恒流升壓階段，此時電流達到設定值，電壓開始逐漸升至設定值，系統處于電壓單閉環狀態，由電壓環進行模糊控制PID 調節；第3 階段，電壓達到設定值后，由電流環進行模糊控制PID 調節，電流隨膜層狀態的變化而變化。

3.3 帶預測的控制算法

微弧氧化各能量參數、溶液特性以及其他因素之間耦合作用強，具備高度非線性。膜層厚度是檢驗膜層質量的重要指標之一，通過選擇合理的工藝參數來獲得所需膜厚對工業生產有重要意義。人工神經網絡是一種仿照人腦結構及其功能構造出來的數學模型，具有較好的自學習、自適應及自組織功能。它可學習樣本數據，掌握輸入、輸出數據間的內在規律，非常適合處理微弧氧化這類復雜非線性系統問題。

BP 神經網絡是以誤差反向傳播算法為訓練算法的多層前向網絡，包含正向及誤差反向傳播2 個過程，是目前最常用的一種人工神經網絡。遺傳算法是一種模擬生物進化論的自然選擇和遺傳學機理的生物進化過程的計算模型，通過模擬自然進化的過程搜尋全局最優解。遺傳算法優化BP 網絡的過程包含初始化種群、適應度計算、個體的選擇、交叉和變異操作。

3.3.1 能量參數

利用MATLAB 神經網絡工具箱建立GA-BP 神經網絡模型，以電流密度、脈沖頻率、占空比和氧化時間為輸入，膜層厚度為輸出，通過遺傳算法對BP 網絡權值與閾值進行優化。該預測更為精確，可在一定程度上指導微弧氧化工藝參數的選定和優化，對實際生產具有一定的意義。

3.3.2 模糊控制預測

神經網絡的建立往往需要大量的樣本，尤其是多輸入多輸出模型。在減少的樣本訓練的基礎上，使用模糊控制可以對微弧氧化多目標參數進行優化，以膜層厚度作為主要優化目標，膜層粗糙度和膜層硬度作為輔助目標，建立電流密度、脈沖頻率、占空比和氧化時間的4 輸入3 輸出模型以實現多目標的優化控制。

3.4 計算機模擬仿真

隨著計算方法的深入發展和過去高速計算機的出現和普及，可以應用一些更嚴格和更全面的復雜模型，以實現微弧氧化全過程體系的監視監控，包括成膜過程的模擬仿真、在線預測分析以及電源硬件系統的模擬仿真。

3.4.1 成膜過程模擬仿真

基于COMSOL Multiphysics 建立微弧氧化成膜過程的有限元模型，用電化學模塊求解得到膜層在試件表面呈現邊角厚、中間薄，且厚度隨氧化時間的增加而增大而增厚速率逐漸減小的分布規律；電流密度在試件表面的分布與氧化膜層一致，在一定時間范圍內，電流密度越大，膜層越厚；靠近工件邊緣位置電場線密集，形成的電場場強越大，膜層越厚。

通過傳熱模塊求解可知在放電通道形成后的100 μs 內，電解液起到冷卻作用；界面在成膜過程中也起到了一定的冷卻作用；“火山口狀”孔洞的產生主要原因是因為放電通道區域內各部位溫度下降速率不均衡導致。

通過熱應力模塊求解可知熱應力及應變均主要集中于放電通道區域，并隨徑向距離和縱向深度的增加而逐漸減小；氧化膜層內部的熱應力隨冷卻時間的延長而減小，并最終趨于穩定，成為殘余應力。

3.4.2 在線監測分析系統

微弧氧化成膜過程在線監測系統為主要數據在線監測，包括采集電壓、電流值和電極線振動幅度、電解槽中電磁傳感器值以及微弧氧化火花放電過程的視頻信號，上傳至上位機對檢測信號進行分析和判別，計算膜層生長狀態。通過多傳感器檢測和數據分析獲得微弧氧化進程，實現自動控制獲得優質的微弧氧化膜層和最優工藝處理參數。

3.4.3 電源模擬仿真

通過MATLAB 中Specialized Power Systems 模型庫建立微弧氧化脈沖電源模型，對主回路、保護電路進行模擬仿真，分析負載和IGBT 波形的變化，對微弧氧化電源進行深度分析；改變相應電路拓撲結構和參數設置可以實現各種電源的全數字控制、微弧氧化電源的快速設計和模擬分析。

4 結束語

微弧氧化是材料制備領域多因素控制技術，多參數的強耦合關系使得在機理研究上比較復雜，因此研究微弧氧化電源系統應該從整個大系統考慮，包含針對工件的尺寸多樣性和數量進行成膜過程模擬仿真得到優化的能量參數模型，進而通過能量參數進行電源拓撲模型和控制算法的仿真，最后搭建電源平臺進行優化驗證，有效縮短新工藝和新設備開發周期，降低研究開發成本。

針對不同形狀的工件進行模擬分析，找尋合適的工藝參數。找尋微弧氧化工藝階段的局限性，通過模擬仿真判斷什么電參數條件下起弧開始，什么時候電參數條件下微弧氧化變為破壞性較強的大弧放電階段，能夠在降低起弧電壓的同時降低大弧傾向發生，提高膜層制備過程的穩定性。膜層制備過程中，找尋合適的可監測的參數，有效形成負反饋系統，降低大弧傾向發生，針對膜層質量不斷修正模擬分析數據，提高系統的效率。