【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 參數(shù)，不能達(dá)到生產(chǎn)中各種電鍍指標(biāo)要求。數(shù)字脈沖電流波形有多個(gè)參數(shù)可被調(diào)節(jié)，能滿足人們不同的需求，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)。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，：圖 31 數(shù)字單脈沖電源輸出波形經(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：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。（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。 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、導(dǎo)通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間。如圖34所示：圖中所示參數(shù)：是脈沖電流導(dǎo)通時(shí)間；是脈沖電流斷電時(shí)間；是脈沖周期；是電流密度；是電流峰值。如圖34所示：圖 34 數(shù)字單脈沖波形由此我們可以推導(dǎo)出以下參數(shù)：脈沖占空比（導(dǎo)通時(shí)間占周期T的百分比）為 (1)脈沖頻率： (2)電流密度、電流峰值和占空比三者之間的關(guān)系：。這是因?yàn)樵谝粋€(gè)周期內(nèi)，電流在內(nèi)連通，在內(nèi)為0，可知是一個(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足實(shí)驗(yàn)方案。 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。 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)，：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)~~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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:? 電鍍時(shí)間t的定時(shí)；? 驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的脈沖定時(shí)。而驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的脈沖定時(shí)（斬波控制系統(tǒng)）決定了數(shù)字單脈沖信號(hào)的參數(shù)，其精度直接影響輸出數(shù)字單脈沖波形的頻率精度。同時(shí)一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng)需要包含及時(shí)控制和顯示裝置，即系統(tǒng)狀態(tài)顯示及按鍵操作等。本系統(tǒng)采用了雙CPU（主從CPU）或稱為雙機(jī)通信的系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。各自的任務(wù)分別是：主系統(tǒng)負(fù)責(zé)顯示按鍵管理、電鍍時(shí)間控制、顯示電路控制、暫?？刂?、報(bào)警控制、復(fù)位控制等；從系統(tǒng)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的脈沖驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。這樣做可以使2個(gè)CPU各司其職，使軟件設(shè)計(jì)的難度大大降低。并且單片機(jī)相對(duì)較廉價(jià)，所以這種方案是可行的。要使用雙CPU系統(tǒng)方案就必須保證主從CPU兩者的協(xié)調(diào)與通信。其實(shí)現(xiàn)前提是:1　 滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求,并能完成系統(tǒng)的所有設(shè)計(jì)功能；2　 軟硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中,要實(shí)現(xiàn)主從CPU間的聯(lián)系通常有以下幾種形式:a、雙口RAM方式；b、并口通信方式；c、串行通信方式 其中，串行通信方式是指使用一條數(shù)據(jù)線，將數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，每一位數(shù)據(jù)占據(jù)一個(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)度。并且在近距離內(nèi)，可以直接用TTL電平傳輸方法來(lái)實(shí)現(xiàn)雙機(jī)通信，即采用單片機(jī)雙機(jī)串行通信[11]。用TTL電平傳輸方法實(shí)現(xiàn)雙機(jī)通信的電路如圖41所示：圖 41 用TTL電平傳輸方法實(shí)現(xiàn)雙機(jī)通信的電路TTL電平信號(hào)表示采用二進(jìn)制規(guī)定，+5V等價(jià)于邏輯“1”，0V等價(jià)于邏輯“0”。TTL電平信號(hào)對(duì)于計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸是很理想的，另外TTL電平信號(hào)直接與集成電路連接而不需要價(jià)格昂貴的線路驅(qū)動(dòng)器以及接收器電路，即串行口可以直接相連。雖然這種方式雖然實(shí)時(shí)性和抗干擾性能較差，但是硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，軟件容易實(shí)現(xiàn)，容易討論。所以本系統(tǒng)將討論采用串行通信方式連接的雙CPU系統(tǒng)，圖42為雙CPU系統(tǒng)原理框圖：圖 42 雙CPU系統(tǒng)原理框圖第五章 硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)上一章的設(shè)計(jì)方案可知,系統(tǒng)的功能模塊應(yīng)當(dāng)包括主CPU系統(tǒng)、從CPU系統(tǒng)、顯示/按鍵電路、復(fù)位與看門(mén)狗電路、斬波控制電路（脈沖驅(qū)動(dòng)放大電路）、斬波電路、低紋波直流電源及保護(hù)環(huán)節(jié)等[13]。在這里我們只討論弱電部分，即前5部分。首先，雙CPU系統(tǒng)電路圖如下圖51所示：圖 51 雙CPU系統(tǒng)電路圖下面我們將從主系統(tǒng)和從系統(tǒng)兩大方面對(duì)硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。 主系統(tǒng)設(shè)計(jì) 主系統(tǒng)電路（1）主CPU系統(tǒng)主CPU系統(tǒng)負(fù)責(zé)顯示電路、按鍵電路、運(yùn)行狀態(tài)控制及向從CPU 系統(tǒng)發(fā)送脈沖參數(shù)等。核心是8051單片機(jī)芯片。PKEY開(kāi)關(guān)為暫停開(kāi)關(guān)，通過(guò)P12與單片機(jī)接口，暫停時(shí)通過(guò)P11控制暫停指示燈PAULED發(fā)光指示。喂狗信號(hào)WDI（看門(mén)狗輸入信號(hào)）由P10輸出，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)負(fù)脈沖。主從CPU的握手信號(hào)為R/P，SCOMM。其中R/P作用是由主CPU控制從CPU的運(yùn)行與暫停；SCOMM信號(hào)是從CPU向主CPU指示通信狀態(tài)的，成功結(jié)束有效，否則無(wú)效。X1和X2連接晶體，來(lái)設(shè)置8051的時(shí)鐘控制信號(hào)?？紤]到主CPU系統(tǒng)對(duì)定時(shí)的要求不高,采用6MHz主頻信號(hào)。當(dāng)運(yùn)行出錯(cuò)或者操作錯(cuò)誤時(shí)，P17變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)蜂鳴器BEEP報(bào)警。下面通過(guò)介紹8051芯片來(lái)具體了解主CPU的工作方式。下圖52是8051芯片引腳及功能介紹：圖 52 8051芯片X1和X2: 時(shí)鐘引腳，外接晶體與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成了1個(gè)振蕩器，為單片機(jī)提供時(shí)鐘控制信號(hào)；RESET: 復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效；ALE/P: 輸出地址鎖存允許信號(hào)；RXD、TXD: 分別為串行輸入口、串行輸出口；EA:高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器；(2) 看門(mén)狗電路按照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及長(zhǎng)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(mén)狗定時(shí)器溢出復(fù)位。我們采用的是看門(mén)狗技術(shù)解決這三個(gè)問(wèn)題。系統(tǒng)受到干擾可能會(huì)失控引起程序亂飛，可能會(huì)是程序陷入死循環(huán)，如果操作人員在場(chǎng)，則可以按下人工復(fù)位按鈕，強(qiáng)制系統(tǒng)復(fù)位。但操作人員不可能一直在場(chǎng)，這就需要“看門(mén)狗”技術(shù)來(lái)監(jiān)視著系統(tǒng)，使系統(tǒng)復(fù)位。“看門(mén)狗”技術(shù)就是使用一個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)不斷計(jì)數(shù)，監(jiān)視程序循環(huán)運(yùn)行。若發(fā)現(xiàn)時(shí)間超過(guò)已知的循環(huán)設(shè)定時(shí)間，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入了死循環(huán)，這是計(jì)數(shù)器溢出，然后強(qiáng)迫系統(tǒng)復(fù)位，在復(fù)位入口0000H處安排一段出錯(cuò)處理程序，使系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)入正軌[12]。目前“看門(mén)狗”電路已經(jīng)集成在一片微處理器監(jiān)控器芯片中，其中即包括我們采用的MAX813L芯片。MAX813L芯片示意圖如下圖53所示:圖 53 MAX813L:人工復(fù)位輸入端；:看門(mén)狗輸入端（喂狗信號(hào)由8051的P10輸出到該端）；：看門(mén)狗輸出端微處理器在上電時(shí)，監(jiān)控器產(chǎn)生復(fù)位脈沖信號(hào)，這可保證微處理器實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位。看門(mén)狗電路是計(jì)數(shù)器式定時(shí)電路，在WDI端輸入1個(gè)脈沖(TTL電平)，定時(shí)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。因此它可以實(shí)現(xiàn)上述提到的主系統(tǒng)的3個(gè)復(fù)位問(wèn)題。