用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源制造技术

本实用新型专利技术涉及用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，为数字化多自由度大功率双极性不对称脉冲电源，主要由电性连接的三相可控整流模块、可控硅驱动模块、无源滤波模块、不对称脉冲产生模块、绝缘栅双极型晶体管驱动模块、控制和保护模块以及人机界面模块构成。该脉冲电源可在手动和全自动状态下运行，可通过串行口与上一级计算机相连，以便实时记录多种电参数在工作过程中随时间的变化规律，该电源电压、电流控制精度高，动态响应快，可在恒压、恒流以及恒功率之间无扰动切换，适应好。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种脉冲电源，特别涉及用于镁、铝、钛等金属及其合金等轻质高强金属材料表面处理装置的数字化多自由度大功率双极性不对称脉冲电源。
技术介绍
轻质高强金属材料的研究开发是《国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006-2020年)》基础原材料优先主题的重要内容，镁合金作为典型的高性能轻质高强金属材料，具有广阔的应用前景，被誉为二十一世纪最富于开发和应用潜力的“绿色工程材料”。国际社会对镁的需求量不断上升，镁合金已经广泛应用于航空、航天、汽车、电子和通讯等行业中，特别是在笔记本电脑、手机、照相机等电器3C产品上的用量越来越大。尽管镁、铝、钛等有色金属及其合金有着优异的结构性能，镁、铝、钛及其合金作为一种结构材料要获得广泛的应用，还存在着一定的困难，原因主要是镁、铝、钛及其合金的耐磨性、耐蚀性较差。为了改善镁、铝、钛及其合金的性能，进一步扩大镁、铝、钛及其合金的应用领域，因此镁、铝、钛及其合金在使用过程中必须进行表面处理。目前所采用的化学氧化和阳极氧化还有诸多缺点。而微等离子体表面改性技术因具有环保、耐蚀性及独特的优点而成为镁合金表面处理的发展方向之一。微等离子体表面改性过程包括电化学反应和等离子体化学反应。在外加电压未达到临界击穿电压之前，在阳极金属上发生普通的电化学反应，生成一层很薄的非晶态氧化膜。当外加电压达到临界击穿电压后，膜层上最薄弱的部位首先被击穿，随着电压继续增力口，氧化膜表面出现微等离子体放电现象，形成等离子体。微等离子体瞬间温度极高，不仅使微等离子体区的基体合金发生熔融，也使周围的液体气化并产生极高的压力。在高温高压作用下，基体表面原有的氧化膜发生晶态转变。同时，电解液中的氧离子和其他离子也通过放电通道进入到微等离子体区，和熔融的基体发生等离子化学反应，反应产物沉积在放电通道的内壁上。随着微等离子体继续在试样表面其他薄弱部位放电，均勻的氧化膜逐渐形成。微等离子体表面改性技术具有工艺简单、清洁无污染、膜层均勻质硬，材料适应性宽等特点，得到的微等离子体表面改性膜既具备普通阳极氧化膜的性能，又兼有陶瓷喷涂层的优点，突破了传统的阳极氧化技术，是镁合金表面处理的重点发展方向。镁、铝、钛及其合金微等离子体表面改性技术主要包括两个方面一是溶液的配方问题，即溶液不同的成分会对镀件成膜速度，厚度等各方面有很大的影响；二是电源技术问题，即究竟什么样的电源静、动态特性以及什么样的输出波形结构才最适合微等离子体表面改性技术、最节省电能且效率最高。镁、铝、钛及其合金微等离子体表面改性技术一般在恒流或恒压方式下去研究阀金属表面所生成的陶瓷膜性能。目前，微等离子体表面改性所采用的电源，虽然也能在恒流或者恒压下工作，但是这些电源所能提供的工作电流或者电压的频率为工频，波形和脉宽不可选择，这就大大限制了制备的表面改性陶瓷膜的性能。因此，现有的镁、铝、钛及其合金微等离子体表面改性技术的电源尚有进一步完善的必要。
技术实现思路
本技术为了解决上述现有技术存在的问题，而提出一种针对镁、铝、钛等金属及其合金等轻质高强金属材料表面处理而设计的基于TMS320F2812和S3C2410的多自由度大功率双极性不对称脉冲电源，以适用于镁、铝、钛等金属及其合金表面处理，即使不同的溶液配方，也能够通过设置电源的工作电压、电流、频率、正负脉冲的占空比、正脉冲个数、 负脉冲个数、加工时间、工作模式以及工作时间的段数得到良好的微等离子体表面改性陶瓷膜性能。本技术是通过以下方案实现的上述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，为数字化多自由度大功率双极性不对称脉冲电源，主要由电性连接的三相可控整流模块、可控硅驱动模块、无源滤波模块、不对称脉冲产生模块、绝缘栅双极型晶体管驱动模块、控制和保护模块以及人机界面模块构成。所述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其中所述三相可控整流模块包括分别串接有隔离变压器的两个相互独立的三相可控整流电路，所述两个三相可控整流电路为三相桥式全控整流电路。所述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其中所述可控硅驱动模块有两个，分别驱动和调节三相可控整流模块的三相可控整流电路。所述可控硅驱动模块驱动所述三相可控整流电路，将单片机发出的6路脉宽调制进行隔离和电流放大后驱动6个可控硅，同时调节其触发角，以调节所述三相可控整流模块的输出电压。所述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其中所述无源滤波模块采用无源低通滤波，为与三相可控整流模块相匹配的两组，分别对两路三相可控整流电路进行滤波。所述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其中所述不对称脉冲产生模块由并联的IGBT组成。所述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其中所述IGBT驱动模块将控制和保护模块输出的四路脉宽调制波形功率放大和电压放大，同时提供相互独立抗干扰性强的脉冲作为IGBT的开通和关断信号，驱动模块同时还有检测IGBT短路故障的功能。所述IGBT驱动模块采用多个IGBT并联，每个桥臂上六个IGBT并联。所述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其中所述控制和保护模 块采用TMS320F2812作为控制核心，建立电源离散域的数学模型和连续域的数学模型，分别分析数字控制、模拟控制以及数字/模拟控制对电源系统稳定性影响的差异，得出数字化过程对电源稳定性的影响与电源自身参数的相关性，实现控制和保护功能。所述的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其中所述人机界面模块包括用户管理、运行控制、运行参数设计、保护参数设置、数据查询、故障信息查询、帮助信息和安全关机功能。有益效果本技术是一种用于镁、铝、钛等金属及其合金等轻质高强金属材料表面处理而设计的一种数字化多自由度大功率双极性不对称脉冲电源，采用TI的TMS320F2812作为控制和保护模块的控制核心，S3C2410作为人机界面模块的控制核心，使用模糊PID算法实现恒压、恒流以及恒功率运行以及无扰动切换，电源可在手动和全自动状态下运行，所有能量参数均可以通过人机界面模块进行设置，同时该电源可通过串行口与上一级计算机相连，以便实时记录多种电参数在工作过程中随时间的变化规律，为探索制备具有优良特性的微等离子体表面改性陶瓷膜的工艺条件提供有力的工具；该电源电压、电流控制精度高，动态响应快，可在恒压、恒流以及恒功率之间无扰动切换，适应好。并且利用该装置对这些合金进行表面处理的技术具有工艺简单、清洁无污染、膜层均勻质硬，材料适应性宽等特点，是镁、铝、钛等有色金属及其合金表面处理的重点发展方向。附图说明 图1、图2是本技术的结构原理图图3是本技术的主回路工作原理图；图4是本技术的电源控制系统的总体结构示意图；图5是本技术的用户界面模块结构框图；图6是本技术的不对称脉冲产生模块的原理图。具体实施方式如图1、图2所示，本技术的用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，为数字化多自由度大功率双极性不对称脉冲电源，主要由电性连接的三相可控整流模块1、可控硅驱动模块2、无源滤波模块3、不对称脉冲产生模块4、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动模块5、控制和保护模块6以及人机界面模块7构成；该脉冲电源主回路工作原理参见图3。三相可控整流模块1包括分别串接有隔离变压本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于轻质高强金属材料表面处理的脉冲电源，其特征在于：所述电源为数字化多自由度大功率双极性不对称脉冲电源，主要由电性连接的三相可控整流模块、可控硅驱动模块、无源滤波模块、不对称脉冲产生模块、绝缘栅双极型晶体管驱动模块、控制和保护模块以及人机界面模块构成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：梅建伟，姜木霖，黄晓林，
申请(专利权)人：湖北汽车工业学院，
类型：实用新型
国别省市：42