【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 節(jié)的重新審視，使得新型電鍍產(chǎn)業(yè)的形成已經(jīng)是 迫在眉睫 。我們不僅要解決電鍍鍍層質(zhì)量的高要求，還要在低功耗、低污染等方面面臨著很大壓力。但其在工業(yè)、生活等方面的重要地位卻是無(wú)法取代的。 近來(lái) ，在電子器件、航空工業(yè)、高性能儀表制造、裝飾品等方面，人們對(duì)鍍層性能、種類(lèi)等電鍍工藝的要求越來(lái)越高，包括在電源波形、頻率、控制、保護(hù)等方面的要求更為嚴(yán)格。電鍍電源作為電鍍中的核心部件，也得到了充分的發(fā)展。從早期的蓄電池組和直流發(fā)電機(jī)，到之后的曬整流器、硅整流器和可控硅電源設(shè)備，發(fā)展到現(xiàn)在出現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源等新型直流電源設(shè)備。在供電方式上，以前多采用直流電，現(xiàn)在為提高鍍層質(zhì)量，常采用周期換向電流、交直流疊加和脈沖電源等 [2]。而脈沖電源在鍍層質(zhì)量、鍍層能力、電鍍效率等方面與傳統(tǒng)的直流電鍍相比有著明顯的優(yōu)勢(shì)，為電鍍 技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了新的途徑，并且?guī)?lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。由此我們可以看出電鍍電源的整體趨勢(shì)則是低能耗、無(wú)電網(wǎng)污染、高可靠、小體積、高性能和多功能 [3]。在研究和推廣上，數(shù)字脈沖電源采用數(shù)字控制，直觀簡(jiǎn)單，是我們研究和應(yīng)用的焦點(diǎn)。 研究目的及意義 在電鍍工業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中，人們廣泛采用改進(jìn)電鍍電源的方法來(lái)提高電鍍的性能。在波形上，我們有周期換向電流、交直流疊加和脈沖電源等，而脈沖電源具有體積小、性能優(yōu)越、紋波系數(shù)小、不易受輸出電流影響的特征。通過(guò)推廣脈沖電源，將促成電鍍工業(yè)的一場(chǎng)革命。它主要用于電 鍍金、銀、鎳、錫、合金，可以明顯改善鍍層的功能性；而用于防護(hù) 裝飾性電鍍（如裝飾金）時(shí)，可使鍍層色澤均勻一致，亮度好，耐蝕性強(qiáng)；脈沖電源用于貴金屬提純時(shí)，貴金屬的純度更高 [4]。這說(shuō)明脈沖電源遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的電鍍電源，是電鍍電源的發(fā)展方向。 3 3 電鍍電源的整體趨勢(shì)是低能耗、無(wú)電網(wǎng)污染、高可靠、小體積、高性能和多功能。脈沖電源不僅在功能上有著突出的優(yōu)勢(shì)，在環(huán)保、效率等方面也是相當(dāng)有效的一種電源方式。因?yàn)槊}沖電源波形特點(diǎn)，能搞有效地得到純度較高的鍍層，并且有效地節(jié)約了貴重金屬，帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。 研究?jī)?nèi)容 本文主要集中在脈沖電源的討論與研究，并以數(shù)字單脈沖電源作為切入點(diǎn)。通過(guò)其參數(shù)特性說(shuō)明了其在電鍍中的優(yōu)點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)上，數(shù)字脈沖電源主要由供電電源、數(shù)字控制器、開(kāi)關(guān)管和負(fù)載構(gòu)成 [5]。而數(shù)字控制器恰恰是核心部分，而我們所要討論的弱電部分也是數(shù)字控制器部分。 由此我們?cè)跇?gòu)建一個(gè)可以控制大功率開(kāi)關(guān)管的斬波控制系統(tǒng)，以設(shè)置我們所需要的參數(shù)，并將得到的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)控制斬波電路，即可得到電鍍所需的脈沖信號(hào)輸出。有了一個(gè)研究方向和目標(biāo)后，我們開(kāi)始設(shè)計(jì)了雙 CPU的系統(tǒng)，用來(lái)達(dá)到剛才所述的指標(biāo)。一個(gè)完整、可實(shí)施的系統(tǒng) 同時(shí)需要輸入電路和顯示電路，并且需要必要的控制設(shè)備。這就是主系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。從系統(tǒng)則是通過(guò)產(chǎn)生經(jīng)過(guò)設(shè)置參數(shù)的脈沖，并經(jīng)過(guò)光電隔離和放大后，就是我們所能得到的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。而斬波系統(tǒng)我們?cè)诖瞬辉龠M(jìn)行贅述。 4 4 第 2 章 電鍍與脈沖電源 電鍍?cè)砑案倪M(jìn)方法 電鍍采用電化學(xué)的方法（電解原理）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（金屬或合金，如鋅、鎘、金或銅等），以達(dá)到防護(hù)性、功能性、裝飾性等目的 [6]。其工作原理圖如圖 ： 圖 21 電鍍工作原理圖 把要 鍍上去的金屬（鍍層金屬）接在陽(yáng)極，待鍍的金屬制品（鍍件）接在陰極，并且正負(fù)極以鍍上去的金屬的正離子組成的電解質(zhì)溶液相連，這就 5 5 構(gòu)成了電鍍的基本裝置。在陰極，金屬離子 Mn+從陰極上獲得 n 個(gè)電子，還原成金屬 M。另一方面，在陽(yáng)極界面上則發(fā)生金屬 M 的溶解，釋放 n 個(gè)電子生成金屬離子 Mn+。這就是電鍍鍍層的實(shí)現(xiàn)過(guò)程 [6]。 但是目前電鍍技術(shù)仍存在某些缺陷，例如加工時(shí)間長(zhǎng)、鍍層厚度均勻性差、鍍層容易出現(xiàn)缺陷以及存在較大的內(nèi)應(yīng)力等等。這就不能滿(mǎn)足時(shí)代的需求，例如很多精密制造的需要。 從電鍍的基本原理上看，改進(jìn)鍍層質(zhì)量可以從 2方面入手：調(diào)整電鍍?nèi)芤?；改進(jìn)電鍍電源?，F(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中電鍍電源成為人們廣泛關(guān)注和改善的焦點(diǎn) [6]。 電鍍電源是電鍍生產(chǎn)中的主要設(shè)備，可向鍍槽的陰陽(yáng)兩極提供具有一定電壓、電流和頻率等符合工藝要求的輸出波形，保證不同鍍層的性能要求。隨著技術(shù)的進(jìn)步與成熟，改進(jìn)電鍍電源既能提高有效控制電鍍進(jìn)程，又能改善鍍層的物理化學(xué)特性，可謂一舉兩得。而這就需要我們知道電鍍電源在電鍍中的角色及工作原理。 脈沖電源及其特性 隨著電鍍工藝的迅速發(fā)展，新的電鍍工藝從波形、頻率、自動(dòng)控制、綜合功能等方面對(duì)電鍍電源提出了更高的要求。目前 ，普遍采用的電鍍電源按波形可分為脈動(dòng)直流電源、周期換向電源、單向脈沖電源、換向脈沖電源等，以滿(mǎn)足不同的電鍍工藝需求。 脈沖電源信號(hào)是直流調(diào)制的結(jié)果，是一種通、斷或起、伏的直流電源信號(hào)。脈沖電源是與傳統(tǒng)的直流電源相比的。脈沖電源電流波形有方波、正弦半波、鋸齒波、等多種形式，一般鍍單金屬以方波脈沖（數(shù)字單脈沖）電流波為好 [7]。脈沖電鍍不僅可以調(diào)節(jié)波形還可以調(diào)節(jié)參數(shù)。傳統(tǒng)的直流電源信號(hào)只有一個(gè)參數(shù)，不能達(dá)到生產(chǎn)中各種電鍍指標(biāo)要求。數(shù)字脈沖電流波形有 6 6 多個(gè)參數(shù)可被調(diào)節(jié)，能滿(mǎn)足人們不同的需求，因而在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣 泛應(yīng)用。 脈沖電源在類(lèi)型上包括數(shù)字脈沖電源和模擬脈沖電源。目前數(shù)字脈沖電源是最先進(jìn)的電鍍電源，也是電鍍電源的發(fā)展發(fā)向。因?yàn)閿?shù)字脈沖電源驅(qū)動(dòng)波形規(guī)整，對(duì)提高電鍍質(zhì)量十分有利；并且采用數(shù)字調(diào)控，直觀簡(jiǎn)單；波形調(diào)節(jié)范圍寬；溫度漂移系數(shù)小，能長(zhǎng)期穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行 [7]。這在很大程度上滿(mǎn)足了不同的鍍層需求。為此我們將又?jǐn)?shù)字脈沖電源作為切入點(diǎn)。 數(shù)字脈沖電源又分為雙脈沖電源和單脈沖電源 2種。雙脈沖電源信號(hào)雖然更有利于電鍍質(zhì)量的提高，但是相比較而言，在要求不是很高且分析簡(jiǎn)單的情況下，單脈沖信號(hào)作為最基本的脈沖形式，在波形 、控制等方面更是易于獲得和實(shí)現(xiàn)，成為實(shí)驗(yàn)研究及實(shí)際生產(chǎn)的得力助手。因而我們?cè)诒疚囊韵聝?nèi)容中的討論就以數(shù)字單脈沖電源為切入點(diǎn)。 7 7 第 3 章 數(shù)字單脈沖電源的性能分析及設(shè)計(jì)要求 數(shù)字單脈沖電源 數(shù)字單脈沖是電流方向不隨時(shí)間改變的方波脈沖，我們之后將要討論的就是如何得到該種脈沖波用于電鍍。首先，數(shù)字單脈沖電源輸出波形如圖 所示： ItO 圖 31 數(shù)字單脈沖電源輸出波形 8 8 經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管后的直流信號(hào)在數(shù)字控制器的調(diào)制下得 到了我們所需要的數(shù)字單脈沖信號(hào)。數(shù)字控制器部分是本系統(tǒng)的核心部分，也是我們研究的對(duì)象。 數(shù)字脈沖電源即采用微處理器（ CPU）等數(shù)字電路對(duì)斬波低紋波直流得到的脈沖電流進(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。根據(jù)定義得到數(shù)字單脈沖電源的原理示意圖如圖 32所示： 圖 32 數(shù)字單脈沖電源原理示意圖 9 9 其中數(shù)字單脈沖的產(chǎn)生環(huán)節(jié)有底紋波直流源、斬波系統(tǒng)、斬波控制系統(tǒng)、脈沖電源 4個(gè)環(huán)節(jié)。電鍍應(yīng)用系統(tǒng)則包括鍍缸生產(chǎn)、輔助控制及保護(hù)、輸出調(diào)節(jié) 3個(gè)環(huán)節(jié) 分解后的數(shù)字脈沖電源原理示意圖如圖 33所示： 低 波 紋 直 流 源斬 波 系 統(tǒng)調(diào) 制 后 的 脈 沖電 源鍍 缸 產(chǎn) 生調(diào) 節(jié) 輸 出 系統(tǒng)輔 助 控 制 及保 護(hù)斬 波 控 制 系統(tǒng) 圖 33 數(shù)字脈沖電源原理示意圖 其中數(shù)字單脈沖的產(chǎn)生環(huán)節(jié)有底紋波直流源、斬波系統(tǒng)、斬波控制系統(tǒng)、脈沖電源 4個(gè)環(huán)節(jié)。電鍍應(yīng)用系統(tǒng)則包括鍍缸生產(chǎn)、輔助控制及保護(hù)、輸出調(diào)節(jié) 3個(gè) 環(huán)節(jié)。下面我們將對(duì)相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行介紹和分析。 （ 1）低紋波直流源（作為電鍍電源）：發(fā)展歷程為直流電機(jī)、硅整流器、可控硅整流器、開(kāi)關(guān)電源 4個(gè)發(fā)展階段。其中可控硅整流器正被廣泛應(yīng)用，而開(kāi)關(guān)電源則是電鍍電源的一次重大突破，其作為理想的直流源，應(yīng)用前景廣闊。 10 10 （ 2）斬波系統(tǒng)：原來(lái)一條直線 的電源 ,被線路 斬 成了一塊一塊的脈沖。目前 ,大多數(shù)斬波系統(tǒng)利用大功率的開(kāi)關(guān)管 IGBT（開(kāi)關(guān)管：一種三極管，主要用于電路關(guān)與通的轉(zhuǎn)換）對(duì)直流電源進(jìn)行斬波 ,以輸出數(shù)字脈沖用于電鍍[8]。 （ 3）輔助控制及保護(hù)系統(tǒng)：主要包括溫控系統(tǒng)以及短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)等。 （ 4）斬波控制系統(tǒng)：包括頻率、占空比調(diào)節(jié)、電鍍時(shí)間等，決定了斬波電路能否得到我們所需的波形。這也正是我們本文所要解決的問(wèn)題。 11 11 數(shù)字單脈沖電源的參數(shù) 正是因?yàn)槊}沖電源可以調(diào)節(jié)占空比和頻率，才使得它能滿(mǎn)足不同需求 和指標(biāo)，在生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中得以被廣泛采用，所以我們現(xiàn)在要通過(guò)認(rèn)識(shí)其參數(shù)，以此為基礎(chǔ)來(lái)設(shè)計(jì)方案。 通過(guò)下面所示的脈沖波形圖，我們可以看出數(shù)字單脈沖電源有 3個(gè)獨(dú)立的參數(shù)：脈沖電流密度 J 、導(dǎo)通時(shí)間 ont 、關(guān)斷時(shí)間 oft 。如圖 34所示： 圖中所示參數(shù)： ont 是脈沖電流導(dǎo)通時(shí)間； oft 是脈沖電流斷電時(shí)間； ?T offon tt ? 是脈沖周期； J 是電流密度； pI 是電流峰值。 如圖 34所示： 圖 34 數(shù)字單脈沖波形 12 12 由此我們可以推導(dǎo)出以下參數(shù)： 脈沖占空比 ? （導(dǎo)通時(shí)間 ont 占周期 T 的百分比）為%100??? o ffon onTT T? (1) 脈沖頻率 f ： )(1 HzTf ? (2) 電流密度 J 、電流峰值 pI 和占空比 ? 三者之間的關(guān)系： ??? PIJ 。這是因?yàn)樵谝粋€(gè)周期內(nèi)，電流在 ont 內(nèi)連通，在 oft 內(nèi)為 0，可知 J 是一個(gè)平均值。 在實(shí)際生產(chǎn)中，頻率是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。根據(jù)頻率大小的不同可 以分為高頻 （ ≥5000Hz） 、中頻 （ 500~5000Hz） 和低頻 （ ≤500Hz） 3種類(lèi)型 [9]。高頻和低頻都會(huì)影響電鍍效果，因而在實(shí)際生產(chǎn)中多采用中頻脈沖電源。但在本文中，我們采用低頻率即可滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)方案。 13 13 脈沖電源電鍍（脈沖電鍍）的工作原理 在這里我們通過(guò)直流電鍍和脈沖電鍍的比較來(lái)說(shuō)明脈沖電鍍的基本原理。 直流電鍍中 ,鍍液中的金屬離子在陰極附近溶液中不斷被消耗 ,造成了陰極處被鍍金屬離子與溶液中被鍍金屬離子的濃度出現(xiàn)差值。這種差別隨著電流密度的增大而加大，當(dāng)陰極附近液溶液中的金屬離 子濃度降到 0時(shí) ,就達(dá)到了極限電流密度 ,傳質(zhì)過(guò)程完全受到擴(kuò)散控制。這就導(dǎo)致電流密度 J 不能達(dá)到所需的值，影響電鍍速度和效率。 脈沖電鍍中 ,由于關(guān)斷期 oft 的存在 ,陰極附近被消耗的金屬離子可以利用這段時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散、補(bǔ)充，使金屬離子濃度提升進(jìn)而為導(dǎo)通期的快速消耗做準(zhǔn)備；當(dāng)下一導(dǎo)通期 ont 到來(lái)時(shí) ,陰極附近的金屬離子濃度得到恢復(fù) ,因而可以使用較高的電流密度。因此脈沖電鍍導(dǎo)通期 ont 時(shí)間內(nèi)，峰值電流是直流電流（平均電流）的幾倍甚至幾十倍， 正是這個(gè)瞬時(shí)高電流密度使金屬離子在極高的過(guò)電位下還原 ,從而使沉積層晶粒變細(xì) 高電流密度促使晶體形成的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于晶體長(zhǎng)大的速度 ,使鍍層結(jié)晶細(xì)化 ,排列緊密 ,孔隙減小，形成結(jié)晶細(xì)致均勻的鍍層 [9]。每個(gè)周期循環(huán)如此，構(gòu)成了脈沖電鍍的原理及過(guò)程。 因此 ,我們可以看出脈沖電鍍有以下幾點(diǎn)主要 優(yōu)勢(shì) [10]： ① 電鍍時(shí)的高電流密度可以得到細(xì)致的結(jié)晶鍍層，提高硬度、韌度等； ② 鍍液濃度差得到間期恢復(fù)，鍍液分散能力改善，可以得到均勻性好的鍍層，并且加快了電鍍速度； ③ 關(guān)斷期內(nèi)吸脫附現(xiàn)象的存在，可以使吸附在陰極的不溶性雜質(zhì)及氫等脫落，提高鍍層純度，減輕氫脆影響，提高機(jī)械強(qiáng)度。 14 14 設(shè)計(jì)要求 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求通過(guò)以下性能指標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如表 ： 表 系統(tǒng)性能指標(biāo) 供電電源 三相 ,50Hz,380V177。15% 輸出峰值電流 4~40A，連續(xù)可調(diào) 輸出峰值電壓 3~30V,連續(xù)可調(diào) 脈沖頻 率 1~10kHz，可調(diào) 脈沖占空比 0~100%，可調(diào) ont ~ oft ~ 電流電壓波形 脈沖 輸出顯示 電壓、電流同時(shí) LED 數(shù)碼管顯示 工作方式 恒流 /恒壓任選 電鍍時(shí)間 t 鍵盤(pán)設(shè)定， 0~9999s 15 15 第四章 系統(tǒng) 方案設(shè)計(jì) 根據(jù)前幾章對(duì)數(shù)字單脈沖電源及其應(yīng)用原理的介紹，我們開(kāi)始沿著第三章 的數(shù)字脈沖電源原理框圖來(lái)設(shè)計(jì)其核心部分 —— 數(shù)字控制器電路，來(lái)得到數(shù)字單脈沖的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。但是首先要解決本電路系統(tǒng)中的核心問(wèn)題 —— 定時(shí)，即 :?