一种微弧氧化电源的脉冲电流取样装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种微弧氧化电源的脉冲电流取样装置，其主要由信号滤波单元、取正脉冲信号单元、反向变换单元、阻抗匹配单元和模式匹配与控制单元组成；信号滤波单元分别与取正脉冲信号单元和反向变换单元电连接；阻抗匹配单元包括第一、第二阻抗匹配单元；取正脉冲信号单元也具有至少一对，其中一个取正脉冲信号单元一端电连接信号滤波单元，另一端电连接第一阻抗匹配单元；另一取正脉冲信号单元一端电连接反向变换单元，另一端电连接第二阻抗匹配单元；第一、第二阻抗匹配单元均电连接至模式匹配与控制单元。本实用新型结构设计简单、合理，取出电流值准确，动态响应速度快，能够满足大功率双极性脉冲电源恒流控制需要。
【专利说明】
一种微弧氧化电源的脉冲电流取样装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种脉冲电流取样装置，尤其涉及一种微弧氧化电源的脉冲电流取样装置。
【背景技术】
[0002]大功率脉冲电源特别是应用于轻质合金材料表面处理的双极性脉冲电源，由于输出电压和输出电流均是脉冲信号，而电源本身又工作在恒压、恒流或者恒功率模式，控制系统必须检测脉冲信号的电压幅值和电流幅值，脉冲电压的幅值与母线电压的幅值相等，但是脉冲电流的幅值完全由负载决定，因此准确而快速的检测脉冲电流的幅值是实现控制功能的关键。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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，随着电压继续增加，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，均匀的氧化膜逐渐形成。
[0006]微等离子体表面改性技术具有工艺简单、清洁无污染、膜层均匀质硬，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。
[0007]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。
[0008]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或恒功率方式下去研究阀金属表面所生成的陶瓷膜性能。目前脉冲电流峰值取样的算法主要有一下几种:
[0009]—是:峰值取样电路，通过电容和二极管组合的方式取出脉冲电流的峰值，这种方法适用于固定频率或者频率变化范围窄的脉冲电流信号取样，而微等离子体氧化电源的脉冲电流的频率从100HZ?3000HZ进行变化，因此该峰值取样电路取出的电流峰值在整个频率变化范围内误差很大，更关键是由于脉冲电流信号不是很规范，有较多的高频毛刺信号，因此该方法只能粗略的取出电流峰值信号，控制精度很低；
[0010]二是:将脉冲电流信号经过有源二阶滤波器，将正脉冲信号和负脉冲信号全部变成正脉冲信号后，滤波成直流信号，通过AD取样来计算峰值，这种方法虽然也能取出峰值电流，但是由于脉冲电流的频率的带宽很宽，因此如果要保证电流取样精度，采样电路的动态响应速度就极低，无法满足控制系统的需要；
[0011]三是:首先将正脉冲信号和负脉冲信号全部变成正脉冲信号，然后经过高频滤波后，将该信号直接进入控制器，通过编程和控制算法计算出电流的峰值，这种方法在电流波形比较规范的情况下很容易计算出电流峰值，但是微等离子体氧化电源的电流波形大多数情况下都不是很规范，依靠计算和判断很难准确的计算出当前的电流峰值。
【发明内容】
[0012]针对以上问题，本实用新型提出了一种结构设计简单、合理，可在脉冲电流幅值信号的中点时刻进行电流取样，取出电流值准确，动态响应速度快，能够满足大功率双极性脉冲电源恒流控制需要的微弧氧化电源的脉冲电流取样装置。
[0013]本实用新型的技术方案如下:
[0014]上述的微弧氧化电源的脉冲电流取样装置，主要由信号滤波单元、取正脉冲信号单元、反向变换单元、阻抗匹配单元和模式匹配与控制单元组成;所述信号滤波单元分别与所述取正脉冲信号单元和反向变换单元电连接;所述阻抗匹配单元包括第一阻抗匹配单元和第二阻抗匹配单元;所述取正脉冲信号单元也具有至少一对，其中一个所述取正脉冲信号单元一端电连接所述信号滤波单元，另一端电连接所述第一阻抗匹配单元;另一所述取正脉冲信号单元一端电连接所述反向变换单元，另一端电连接所述第二阻抗匹配单元;所述第一阻抗匹配单元和第二阻抗匹配单元均电连接至所述模式匹配与控制单元。
[0015]所述微弧氧化电源的脉冲电流取样装置，其中:所述取样装置的电路由取正脉冲信号幅值电路和取负脉冲信号幅值电路组成；所述取正脉冲信号幅值电路由电阻R51?R59、运算放大器U21?U24、电感L1、电容Cl、二极管Dll?D13连接组成，所述二极管D13为稳压二极管;所述电阻R51和电阻R52—端接地，另一端连接所述运算放大器U21的同相输入端并连接传感器的输出端;所述运算放大器U21的反相输入端与输出端相连;所述电阻R53—端连接所述运算放大器U21的输出端，另一端依次串接所述电感LI和电阻R54并连接至所述运算放大器U22的反相输入端;所述电容Cl 一端接地，另一端连接于所述电感LI与电阻R54之间；所述电阻R55—端接地，另一端连接所述运算放大器U22的同相输入端；所述二极管Dll的阳极端连接于所述运算放大器U22的输出端，阴极端连接于所述运算放大器U22的反相输入端;所述二极管D12的阳极端连接所述电阻R57并通过所述电阻R57连接至所述运算放大器U23的反相输入端，所述二极管D12的阴极端连接于所述运算放大器U22的输出端;所述电阻R56—端连接于所述运算放大器U22的反相输入端，另一端连接于所述二极管D12的阳极端与电阻R57之间；所述电阻R58—端接地，另一端连接于所述运算放大器U23的同相输入端;所述电阻R59—端连接于所述运算放大器U23的输出端，另一端连接于所述电阻R57与所述运算放大器U23的反相输入端之间；所述运算放大器U24的同相输入端连接于所述运算放大器U23的输出端，所述运算放大器U24的反相输入端与输出端彼此相连;所述二极管D13阳极端接地，阴极端连接于所述运算放大器U24的输出端；
[0016]所述取负脉冲信号幅值电路是由电阻R61?R69、运算放大器U31?U35、电感L2、电容C2和二极管D21?D23连接组成，所述二极管D23为稳压二极管;所述电阻R61—端连接于所述运算放大器U31的反相输入端，另一端连接传感器的输出端;所述电阻R62—端接地，另一端连接所述运算放大器U31的同相输入端;所述运算放大器U31的反相输入端与输出端彼此相连;所述运算放大器U32的同相输入端与所述运算放大器U31的输出端相连，所述运算放大器U32反相输入端与输出端彼此相连;所述电阻R63—端连接于所述运算放大器U31的输出端，另一端依次串接所述电感L2和电阻R64并连接至所述运算放大器U33的反相输入端;所述电容C2—端接地，另一端连接于所述电感L2与电阻R64之间；所述电阻R65—端接地，另一端连接于所述运算放大器U33的同相输入端;所述二极管D22的阴极端连接于所述运算放大器U33的输出端，阳极端连接所述电阻R67并通过所述电阻R67连接至所述运算放大器U34的反相输入端;所述二极管D21的阳极端连接于所述运算放大器U33的输出端与所述二极管D22的阴极端之间，所述二极管D21的阴极端连接于所述运算放大器U33的反相输入端；所述电阻R68—端接地，另一端连接于所述运算放大器U34的同相输入端；所述电阻R69—端连接于所述运算放大器U34的输出端，另一端连接于所述电阻R67与所述运算放大器U34的反相输入端之间；所述运算放大器U35的同相输入端连接于所述运算放大器U34的输出端，所述运算放大器U35的反相输入端与输出端相连;所述二极管D23的阳极端接地，阴极端连接所述运算放大器U35的输出端。
[0017]所述微弧氧化电源的脉冲电流取样装置，其中:在所述取正脉冲信号幅值电路中，所述信号滤波单元是由所述电阻R51?R53、运算放大器U21、电感LI和电容Cl组成，其中一个所述取正脉冲信号单元是由所述电阻R54?R56、运算放大器U22、二极管Dll和D12组成，所述第一阻抗匹配单元是由所述电阻R57?R59、运算放大器U23?U24及二极管D13组成。
[0018]所述微弧氧化电源的脉冲电流取样装置，其中:在所述取负脉冲信号幅值电路中，所述信号滤波单元是由所述电阻R63、电感L2和电容C2组成，另一个所述取正脉冲信号单元是由所述电阻R64?R66、运算放大器U33和二极管D21?D22组成，所述反向变换单元是由所述电阻R61?R62和运算放大器U31?U32祖成，所述第二阻抗匹配单元是由所述电阻R67?R69、运算放大器U34?U35及二极管D23组成。
[0019]有益效果:
[0020]本实用新型微弧氧化电源的脉冲电流取样装置结构设计简单、合理，能够准确的提取正负脉冲电流的副值，具有带宽高、动态响应速度快的特点，满足微弧氧化电源恒压、恒流或者恒功率模式的需要。将电流传感器输出的脉冲电流信号一路经过取正脉冲信号幅值电路通过正脉冲信号屏蔽负脉冲信号，另一路反向后经过取负脉冲信号幅值电路通过正脉冲信号屏蔽负脉冲信号，这样通过一个传感器分别取出了正脉冲电流信号和负脉冲电流信号，分离出来的脉冲电流信号经过取正脉冲信号幅值电路和取负脉冲信号幅值电路以后进入模式匹配与控制单元的AD采样端口，模式匹配与控制单元的脉冲产生方式变更为连续增减计数方式，这样在定时器周期中断程序中使能AD采样，可以在脉冲电流幅值信号的中点时刻进行电流取样，从而比较准确的取出电流值，而且系统的动态响应速度快，能够满足大功率双极性脉冲电源恒流控制的需要。
【附图说明】
[0021]图1为本实用新型微弧氧化电源的脉冲电流取样装置的结构原理图；
[0022]图2为本实用新型微弧氧化电源的脉冲电流取样装置的电路原理图。
【具体实施方式】
[0023]如图1所示，本实用新型微弧氧化电源的脉冲电流取样装置，主要由信号滤波单元1、取正脉冲信号单元2、反向变换单元3、阻抗匹配单元4和模式匹配与控制单元5组成。
[0024]该信号滤波单元I分别与取正脉冲信号单元2和反向变换单元3电连接，其中，由于脉冲电源的频率从100HZ?3000HZ进行变化，功率器件工作在开关状态，主回路和控制回路的寄生参数产生大量的干扰信号叠加在脉冲电流信号上，该信号滤波单元I主要是滤掉脉冲电流信号上的高频干扰信号。
[0025]该取正脉冲信号单元2用于将含有正负脉冲信号的电流波形中的负脉冲信号隔离掉，同时正脉冲信号无衰减的进行输出。该取正脉冲信号单元2具有一对，即包括第一取正脉冲信号单元21和第二取正脉冲信号单元22。其中，该第一取正脉冲信号单元21—端电连接信号滤波单元I，另一端电连接阻抗匹配单元4;该第二取正脉冲信号单元22—端电连接反向变换单元3，另一端电连接另一阻抗匹配单元4。对于含有正负脉冲信号的电压信号，一路经过第一取正脉冲信号单元21，此时处理后的电路输出信号仅仅为正脉冲信号，负脉冲信号隔离掉;另一路脉冲信号经过反向后，将正脉冲信号变成负脉冲信号，负脉冲信号变成正脉冲信号，此时再经过第二取正脉冲信号单元22后，输出的正脉冲信号实质是反向后的正脉冲信号，即原来的负脉冲信号。
[0026]该反向变换单元3是在传感器输出的电流信号含有正负脉冲信号时，将负脉冲电流信号变换成正脉冲电流信号，这样通过后续的取正脉冲信号单元2就可以直接取出负脉冲电流信号，通过反向变换单元3就可以节省一个传感器，在采用一个传感器的情况下同时将正负脉冲电流信号同时取出，大大降低了系统的成本。
[0027]该阻抗匹配单元4用于将经过第二取正脉冲信号单元22的信号减小输出电阻，与控制器的内部阻抗进行匹配，使得取出的正脉冲信号基本没有衰减。该阻抗匹配单元4包括第一阻抗匹配单元41和第二阻抗匹配单元42;该第一阻抗匹配单元41 一端电连接第一取正脉冲信号单元21，另一端电连接模式匹配与控制单元5;该第二阻抗匹配单元42—端电连接第二取正脉冲信号单元22，另一端电连接模式匹配与控制单元5。
[0028]该模式匹配与控制单元5主要功能是在脉冲的周期中断函数中触发AD采样，并且脉冲产生方式必须设定成连续增加计数模式产生对称的PWM波形。
[0029]如图2所示，本实用新型微弧氧化电源的脉冲电流取样装置的电路由取正脉冲信号幅值电路和取负脉冲信号幅值电路组成。
[0030]该取正脉冲信号幅值电路由电阻R51?R59、运算放大器U21?U24、电感L1、电容Cl、二极管Dll?D13连接组成，二极管D13为稳压二极管。该电阻R51和R52—端接地，另一端连接运算放大器U21的同相输入端并连接传感器的输出端;该运算放大器U21的反相输入端连接至输出端；电阻R53—端连接运算放大器U21的输出端，另一端依次串接电感LI和电阻R54并连接至运算放大器U22的反相输入端；电容Cl一端接地，另一端连接于电感LI与电阻R54之间；电阻R55—端接地，另一端连接运算放大器U22的同相输入端;二极管Dll的阳极端连接于运算放大器U22的输出端，阴极端连接于运算放大器U22的反相输入端;二极管D12的阳极端连接电阻R57并通过电阻R57连接至运算放大器U23的反相输入端，二极管D12的阴极端连接于运算放大器U22的输出端；电阻R56—端连接于运算放大器U22的反相输入端，另一端连接于二极管D12的阳极端与电阻R57之间；电阻R58—端接地，另一端连接于运算放大器U23的同相输入端；电阻R59—端连接于运算放大器U23的输出端，另一端连接于电阻R57与运算放大器U23的反相输入端之间；运算放大器U24的同相输入端连接于运算放大器U23的输出端，运算放大器U24的反相输入端与输出端彼此相连;二极管D13阳极端接地，阴极端连接于运算放大器U24的输出端。
[0031]该取负脉冲信号幅值电路是由电阻R61?R69、运算放大器U31?U35、电感L2、电容C2和二极管D21?D23连接组成，二极管D23为稳压二极管。电阻R61—端连接于运算放大器U31的反相输入端，另一端连接传感器的输出端；电阻R62—端接地，另一端连接运算放大器U31的同相输入端；同时，运算放大器U31的反相输入端与输出端彼此相连;该运算放大器U32的同相输入端与运算放大器U31的输出端相连，该运算放大器U32反相输入端与输出端彼此相连；电阻R63—端连接于运算放大器U31的输出端，另一端依次串接电感L2和电阻R64并连接至运算放大器U33的反相输入端；电容C2—端接地，另一端连接于电感L2与电阻R64之间；电阻R65—端接地，另一端连接于运算放大器U33的同相输入端；二极管D22的阴极端连接于运算放大器U33的输出端，阳极端连接电阻R67并通过电阻R67连接至运算放大器U34的反相输入端；二极管D21的阳极端连接于运算放大器U33的输出端与二极管D22的阴极端之间，二极管D21的阴极端连接于运算放大器U33的反相输入端；电阻R68—端接地，另一端连接于运算放大器U34的同相输入端；电阻R69—端连接于运算放大器U34的输出端，另一端连接于电阻R67与运算放大器U34的反相输入端之间；该运算放大器U35的同相输入端连接于运算放大器U34的输出端，该运算放大器U35的反相输入端与输出端相连;二极管D23的阳极端接地，阴极端连接运算放大器U35的输出端。
[0032]其中，在取正脉冲信号幅值电路中，该信号滤波单元I是由电阻R51?R53、运算放大器U21、电感LI和电容Cl组成；该第一取正脉冲信号单元21是由电阻R54?R56、运算放大器U22、二极管Dll和D12组成；该第一阻抗匹配单元41是由电阻R57?R59、运算放大器U23?U24以及二极管D13组成。
[0033]在取负脉冲信号幅值电路中，该信号滤波单元I是由电阻R63、电感L2和电容C2组成；该第二取正脉冲信号单元22是由电阻R64?R66、运算放大器U33和二极管D21?D22组成;该反向变换单元3是由电阻R61?R62和运算放大器U31?U32祖成;该第二阻抗匹配单元42是由电阻R67?R69、运算放大器U34?U35以及二极管D23组成。
[0034]本实用新型结构设计简单、合理，具有带宽高、动态响应速度快的特点，满足双极性脉冲电源恒压、恒流或者恒功率模式的需要。
【主权项】
1.一种微弧氧化电源的脉冲电流取样装置，其特征在于:所述取样装置主要由信号滤波单元、取正脉冲信号单元、反向变换单元、阻抗匹配单元和模式匹配与控制单元组成； 所述信号滤波单元分别与所述取正脉冲信号单元和反向变换单元电连接;所述阻抗匹配单元包括第一阻抗匹配单元和第二阻抗匹配单元； 所述取正脉冲信号单元也具有至少一对，其中一个所述取正脉冲信号单元一端电连接所述信号滤波单元，另一端电连接所述第一阻抗匹配单元;另一所述取正脉冲信号单元一端电连接所述反向变换单元，另一端电连接所述第二阻抗匹配单元;所述第一阻抗匹配单元和第二阻抗匹配单元均电连接至所述模式匹配与控制单元。2.如权利要求1所述的微弧氧化电源的脉冲电流取样装置，其特征在于:所述取样装置的电路由取正脉冲信号幅值电路和取负脉冲信号幅值电路组成； 所述取正脉冲信号幅值电路由电阻R51?R59、运算放大器U21?U24、电感L1、电容Cl、二极管Dll?D13连接组成，所述二极管D13为稳压二极管;所述电阻R51和电阻R52—端接地，另一端连接所述运算放大器U21的同相输入端并连接传感器的输出端;所述运算放大器U21的反相输入端与输出端相连;所述电阻R53—端连接所述运算放大器U21的输出端，另一端依次串接所述电感LI和电阻R54并连接至所述运算放大器U22的反相输入端;所述电容Cl 一端接地，另一端连接于所述电感LI与电阻R54之间；所述电阻R55—端接地，另一端连接所述运算放大器U22的同相输入端;所述二极管Dll的阳极端连接于所述运算放大器U22的输出端，阴极端连接于所述运算放大器U22的反相输入端；所述二极管D12的阳极端连接所述电阻R57并通过所述电阻R57连接至所述运算放大器U23的反相输入端，所述二极管D12的阴极端连接于所述运算放大器U22的输出端;所述电阻R56—端连接于所述运算放大器U22的反相输入端，另一端连接于所述二极管D12的阳极端与电阻R57之间；所述电阻R58—端接地，另一端连接于所述运算放大器U23的同相输入端；所述电阻R59—端连接于所述运算放大器U23的输出端，另一端连接于所述电阻R57与所述运算放大器U23的反相输入端之间；所述运算放大器U24的同相输入端连接于所述运算放大器U23的输出端，所述运算放大器U24的反相输入端与输出端彼此相连;所述二极管D13阳极端接地，阴极端连接于所述运算放大器U24的输出端； 所述取负脉冲信号幅值电路是由电阻R61?R69、运算放大器U31?U35、电感L2、电容C2和二极管D21?D23连接组成，所述二极管D23为稳压二极管;所述电阻R61—端连接于所述运算放大器U31的反相输入端，另一端连接传感器的输出端;所述电阻R62—端接地，另一端连接所述运算放大器U31的同相输入端;所述运算放大器U31的反相输入端与输出端彼此相连；所述运算放大器U32的同相输入端与所述运算放大器U31的输出端相连，所述运算放大器U32反相输入端与输出端彼此相连;所述电阻R63—端连接于所述运算放大器U31的输出端，另一端依次串接所述电感L2和电阻R64并连接至所述运算放大器U33的反相输入端;所述电容C2—端接地，另一端连接于所述电感L2与电阻R64之间;所述电阻R65—端接地，另一端连接于所述运算放大器U33的同相输入端；所述二极管D22的阴极端连接于所述运算放大器U33的输出端，阳极端连接所述电阻R67并通过所述电阻R67连接至所述运算放大器U34的反相输入端;所述二极管D21的阳极端连接于所述运算放大器U33的输出端与所述二极管D22的阴极端之间，所述二极管D21的阴极端连接于所述运算放大器U33的反相输入端;所述电阻R68—端接地，另一端连接于所述运算放大器U34的同相输入端;所述电阻R69—端连接于所述运算放大器U34的输出端，另一端连接于所述电阻R67与所述运算放大器U34的反相输入端之间；所述运算放大器U35的同相输入端连接于所述运算放大器U34的输出端，所述运算放大器U35的反相输入端与输出端相连;所述二极管D23的阳极端接地，阴极端连接所述运算放大器U35的输出端。3.如权利要求2所述的微弧氧化电源的脉冲电流取样装置，其特征在于:在所述取正脉冲信号幅值电路中，所述信号滤波单元是由所述电阻R51?R53、运算放大器U21、电感LI和电容Cl组成，其中一个所述取正脉冲信号单元是由所述电阻R54?R56、运算放大器U22、二极管Dll和D12组成，所述第一阻抗匹配单元是由所述电阻R57?R59、运算放大器U23?U24及二极管D13组成。4.如权利要求2所述的微弧氧化电源的脉冲电流取样装置，其特征在于:在所述取负脉冲信号幅值电路中，所述信号滤波单元是由所述电阻R63、电感L2和电容C2组成，另一个所述取正脉冲信号单元是由所述电阻R64?R66、运算放大器U33和二极管D21?D22组成，所述反向变换单元是由所述电阻R61?R62和运算放大器U31?U32祖成，所述第二阻抗匹配单元是由所述电阻R67?R69、运算放大器U34?U35及二极管D23组成。
【文档编号】G01R19/25GK205450096SQ201521092684
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年12月25日
【发明人】梅建伟, 周海鹰, 刘杰, 毕栋, 魏海波
【申请人】上唐投资有限公司