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數字單脈沖電源在電鍍中的應用

來源:未知 瀏覽次數: 日期:2019-04-10 16:20

隨著社會生產力的發展和市場經濟的日益繁榮,特別是我國加入世界貿易組織后,我國的電鍍行業遇到更多的機遇與挑戰。

  電鍍,即采用電化學的方法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。電鍍后的鍍層性能在很大程度上取代了原先基體的性質,起到了裝飾與防護的作用。隨著科學技術與生產力的提高,電鍍工藝已經在各個領域發揮著不可替代的作用。

  電流通過鍍槽是電鍍的必要條件,鍍件上的金屬鍍層就是在電流流過電鍍槽時所產生電化學反應而形成的。

  根據電鍍的基本原理,改進電鍍質量有兩個方法:調整電鍍溶液;改進電鍍電源。現實中人們廣泛采用改進電鍍電源的方法來提高電鍍的性能。在電鍍電源的發展過程中,由全控型電力電子開關構成的脈沖電源是電鍍電源的一次革命。這種電源體積小、性能優越、紋波系數小、不易受輸出電流的影響。

  1 脈沖電源電鍍的基本原理:

  脈沖電源電鍍是一項新的電鍍技術。它的特點是由脈沖電流對電極過程動力學的特效影響所決定的,其中最重要的是對傳質過程中的影響。在直流電鍍時,鍍液中被鍍出的金屬離子在陰極表面附近溶液中逐漸被消耗,造成了該處被鍍金屬離子與溶液中該離子的濃度出現差別。這種差別隨著使用的電流密度的增高而加大。當陰極附近液層中的該離子的濃度降到0時,就達到了極限電流密度,傳質過程完全受到擴散控制。但在脈沖電鍍時,由于有關斷時間的存在,被消耗的金屬離子利用這段時間擴散、補充到陰極附近,當下一導通時間到來時,陰極附近的金屬離子濃度得到恢復,故可以使用較高的電流密度;因此脈沖電鍍時的傳質過程與直流電鍍時的傳質過程的差異,造成了峰值電流可以大大高于平均電流,促使晶體形成的速度遠遠高于晶體長大的速度,使鍍層結晶細化,排列緊密,孔隙減小,電阻率低。并且直流電鍍時的連續陰極極化電位下的各種物質在陰極表面上的吸脫附過程與脈沖條件下的間斷高陰極極化電位下的吸脫附過程的機理有了很大的差異,造成了同樣的溶液配方及添加劑在電源波形不同時,表現的作用差異也很大。

  脈沖電源其電流呈脈沖方式流動,并可在瞬時產生高密度電流;因此,在電鍍時能將底層均勻地涂覆到鍍件上,并使之加速,提高了效率;鍍件表面均勻、細致,使金銀等貴重金屬得到很大的節約。由此可以看出,可以調節占空比及頻率的脈沖電鍍電源,尤其是開關電源,將隨之得到廣泛的應用。

  2 數字單脈沖電源硬件系統框架:

  所謂數字脈沖電源,就是采用微處理器等數字電路對脈沖電源中的直流斬波進行控制,并實現數字顯示與數字調節的一種脈沖電源。它是現在最先進的電鍍電源,也是電鍍電源的發展方向。

  數字脈沖電源一般分為雙脈沖電源與單脈沖電源兩種。

  數字單脈沖電源的原理框圖如圖1。

 


  目前,大多數斬波系統利用全控型電力電子器件MOS2FET和IGBT對直流電源進行斬波 ,達到脈沖輸出的目的。改變開關管的方波驅動信號,便可以實現脈寬及頻率的調節。

  系統中核心的問題是定時:電鍍時間的定時以及驅動開關管的脈沖定時,而且后者的定時精度直接影響輸出脈沖波形的頻率精度。同時考慮系統的顯示以及按鍵處理的因素,本系統采用了雙CPU的系統設計結構。

  雙CPU系統的關鍵是主從CPU的協調與通信。實現的條件是:

  (1) 能滿足系統的實時性要求,響應及時,并能完成系統的所有設計功能;(2) 軟硬件實現不能過于復雜。

  在單片機的應用系統中,雙CPU或者多CPU系統的構建通常有以下幾種形式:

  (1) 采用雙口RAM方式;(2) 采用并口通信方式;(3) 采用串行通信方式;本系統采用串行通信的方式來連接。雙CPU系統原理框圖見圖2。

 


  按照設計要求與方案,本系統的功能模塊有顯示、按鍵電路、復位與看門狗電路、主CPU系統、從CPU系統、斬波控制電路等。

  (1) 主CPU系統:

  主CPU系統主要管理顯示電路、按鍵電路、運行狀態控制以及向從CPU 系統發送脈沖參數等。本CPU 選用89C52,暫停時通過P11控制暫停指示燈發光指示,喂狗信號由P10輸出。主從CPU的握手信號為R /P。考慮到主CPU系統對定時的要求不高,采用6MHz主頻信號。

  (2) 從CPU系統:

  從CPU系統選用89C2051單片機,唯一的任務是產生斬波所需要的脈沖信號。ATMEL公司生產的這種型號單片機是一種低功耗、高性能的8位CMOS微處理器芯片。片內帶有2 kB的閃爍可編程及可擦除只讀存儲器,與工業標準的80C51指令集相兼容。

  (3) 復位與看門狗電路:

  按照系統的設計要求及長期連續運行等實際情況,本系統的復位必須考慮三種情況:上電復位、手動復位及看門狗定時器溢出復位。采用MAX813L電源監視電路。主從CPU系統共用復位信號,當系統中任何一個子系統運行失效時,必須共同復位。

  (4) 主系統顯示與按鍵電路:

  考慮到電鍍的實際生產,顯示采用數碼管,同時為了減輕主CPU的負擔,簡化硬件設計,顯示與按鍵電路通過8279專用接口芯片與單片機相連。



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