毕业设计(论文)-离子渗氮用脉冲电源设计.doc.doc
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1、 I 摘 要 本设计首先从脉冲电源的技术性能指标出发,设计了整流电路、滤波电路、斩波 电路等主电路,并阐述了高能脉冲电源的设计思想。根据主电路的特点,设计了控制 电路的硬件和软件,控制电路核心采用 PIC16F877 单片机来实现。控制单元主要完成 对晶闸管触发角 的控制、功率开关管 IGBT 的开关频率和占空比的控制,还有电流 反馈的闭环控制。其中,电流反馈的闭环控制,采用数字 PID 控制算法。 电源是离子渗氮热处理系统最主要的组成部分,长期以来采用的直流电源供电系 统具有损耗大、容易产生空心阴极效应等不足。20世纪80年代发展起来的斩波型脉冲 电源可以缓解这些方面的问题。本设计就是基于此
2、背景进行的。 关键词:离子渗氮,整流,斩波,脉冲电源 II Abstract The dosign starts from the target of technique capability of pulsed,power supply first .It contains commute circuit,chopping,cutting offsrc discharge circuit and other main circuits,moreover,it has expounded the indea of high energetic pulsing do power supply.A
3、ccording to the main circuits trait,it hasresearched herrdware and software of the control circuit which adopt the PIC16F877 single parcel machine. And the tasks of the control circuit are to control the thyristors trigger angle ,and the switching frequency of the IGBT ,and the duty ratio,still and
4、the closed loop control of the current feedback.The closed loop control of the current feedback adopts the digital PID control. The power supply is the most important part of plasma heat-treating. For a long time, do power supply has been widely used although it has the shortages as large power diss
5、ipation and serious effect of the hollow cathode soon.It is the background of which the design was carriedon originally. Key words:Plasma nitriding,Rectification,Chopping,Pulsed power supply 目 录 III 第 1 章 引言 .1 1.1 离子渗氮热处理对电源的要求.2 1.2 脉冲电源发展动态.3 1.3 单片机的发展 3 1.4 本论文研究内容和特点.6 1.5 任务来源与技术指标.6 第 2 章 系统
6、总体设计 .7 2.1 工艺对脉冲电源的技术要求.7 2.2 脉冲电源系统的主要部分 8 2.2.1 滤波电路.8 2.2.2 斩波电路.9 2.2.3 高频升压、整形.9 2.2.4 控制电路.9 2.2.5 可控整流模块.9 2.3 脉冲电源工作原理和系统组成 9 2.4 各功能模块的设计指标 .10 2.4.1 可控整流模块设计指标10 2.4.2 升压斩波电路10 2.4.3 控制模块设计指标10 2.4.4 总体要求 11 第 3 章 可控整流电路设计 .12 3.1 相控整流主电路设计与计算 .12 3.1.1 三相可控整流电路12 312 可控整流电源系统的发展与现状12 31.
7、3 直流稳压电源的设计14 3.1.4 主回路理论分析15 3.1.5 整流变压器的设计18 3. 1.6 中间滤波器设计.20 32 斩波电路.23 3.3 晶闸管的选择和保护电路设计25 3.3. 1 晶闸管的选择 .25 3.3.2 晶闸管的保护 26 3. 3. 3 晶闸管的过电压保护 26 3.3.4 晶闸管的过电流保护 30 IV 3.4 晶闸管驱动电路的设计30 3.4. 1 移相控制原理 .30 3.4.2 晶闸管驱动信号要求 32 3.5 吸收电路工作原理 .33 3.5.1 吸收电路参数计算33 第 4 章 驱动电路设计 35 4.1 绝缘栅双极晶体管(IGBT) .35
8、4.1.1 IGBT 的工作原理 .35 4.1.2 IGBT 对驱动电路的要求 .36 42 IGBT 的保护 37 4.2.1 IGBT 的过压保护 .38 4.2.2 IGBT 的过电流保护 .40 4.3 IGBT 驱动保护 .41 4.4 驱动模块 EXB851 .41 4.4.1 IGBT 驱动电路的设计 .42 4.5 辅助电源的设计 .46 第 5 章 控制电路设计 47 5.1 实现控制原理的硬件设计要求和软件设计要求 .47 52 整流电路电压闭环控制 48 5.3 比例积分调节器 .48 5.3.1 PID 控制 50 54 触发电路的设计.51 总 结 .58 参考文献
9、和技术资料: .59 英文原始资料翻译: .60 致 谢 .82 附录 183 附录 2.100 1 第 1 章 引言 热处理行业的发展与机械工业的发展密不可分,并对机械工业的发展起着积极的 推动作用。制造业要发展,就必须要重视产品的内在质量和表面质量。作为主要提高 机械产品内在质量的热处理工序,理应对提高产品质量水平和质量稳定做出更多的贡 献。从目前看,我国热处理行业先进热处理工艺的普及程度较低,关键机械零件的热 处理质量不高、不稳定,从而影响零件的使用寿命和可靠性。 我国热处理业内人士认为,在激烈的市场竞争中,热处理行业要加快专业化生产 的步伐,对国内己有较好基础、需求量较大的先进热处理设
10、备,如真空热处理炉、各 类密封多用炉等加以重点发展,使产品上升到一个新档次,以利于赢得国内外市场的 竞争。 离子渗氮、离子氮碳共渗等这类等离子热处理工艺具有渗透快、渗层质量好、变 形小、无公害、节能节气等优点,能显著提高零部件的表面硬度、增强抗磨损力和咬 合力、提高疲劳强度,从而提高零部件、工模具的质量和使用寿命。 辉光离子氮化炉的常用电源是三相可控桥式整流电路,其输出为01000伏可调的 直流电压,直接向氮化炉体内供电。这种供电方式叫做离子氮化炉直流型电源直接供 电方式。其中可控整流元件采用晶闸管。晶闸管是一种新型的电力半导体电子器件。 它具有重量轻、体积小、功率大、效率高、无转动部分和便于
11、实现自动控制等优点。 其广泛应用于离子氮化炉可控直流电源中。但是,离子氮化炉采用直流型电源直接供 电方式会存在某些不足之处。因为需要氮化的工件表面不可避免地会有油污等挥发性 物质、氧化皮或者一些碱性金属氧化物,所以这些地方电子发射比较集中,使得在刚 接通电源的一段时间内,氮化过程很容易由辉光放电过渡到弧光放电(打弧)。如果不 及时采取措施灭弧或限制打弧电流,将会使工件表面烧伤造成麻点甚至报废,可控直 流电源本身也因为打弧产生过载甚至有损坏晶闸管整流模块的危险。因此,为了减少 电弧的产生,除了在装炉前将工件进行清洗,除去油污等措施外,还需要在直流型直 接供电系统中采取必要的灭弧措施,以保护工件和
12、电源设备的安全。常用的方法是用 限流电阻灭弧、LC振荡灭弧等。这些灭弧电路的灭弧效果都不是很理想的。因为串联 限流电阻灭弧能耗大,LC振荡灭弧时间长,能耗也大,而且存在故障率高、可靠性差 等缺点。要克服直流型电源直接供电方式中的缺点,较好的办法是将直流型电源直接 供电方式改为脉冲型电源供电方式。实践证明脉冲型电源具有明显的节能效果。 脉冲型离子氮化炉电源的优点:脉冲型电源是在传统的直流型电源的基础上发展 起来的新一代离子氮化炉电源。其实际是在传统的直流型电源与负载之间串联一个斩 波器,并将原有的灭弧电路取消。实践证明,这种脉冲型电源能较好地改善空心阴极 效应,能抑制在工件小孔、窄缝等处产生的弧
13、光放电。因此适用于工件型状比较复杂、 2 摆放难以保证一致的场合,也适用于离子渗碳,离子渗金属等由于高温易产生工件变 形的场合。 1.1 离子渗氮热处理对电源的要求 离子渗氮热处理是一种在等离子环境中将N离子扩散到工件表面使工件表面硬化的 处理技术。当氮化炉中的气体压力减小时,炉内的两个不同电位的电极之间在不高的 电位差时就会产生辉光放电,将氮气电离产生活性N离子,N离子轰击并加热,工件表 面发生化学反应,生成核化物,从而实现工件硬化。一般采用高压直流电源产生辉光 放电,激发离子。但是,采用直流电源的离子渗氮技术存在一系列的问题和一些难以 克服的缺点。 1、离子渗氮过程中既要防止大电弧的形成,
14、降低电弧能量,又要利用微弧清洗净化工 件,一般的电路除设计一LC振荡灭弧、电流截止灭弧以外,都串联有限流电阻R,不利 于工艺控制的同时增加了损耗。 2、在离子渗氮过程中,炉内电压、电流必须处于异常辉光放电区的范围,这样才能保 证工件均匀地被辉光覆盖,一般当离子功率密度大于0.4W/cm时才足以产生辉光放电。 有时由升温阶段转向保温阶段,为了维持一定的辉光功率并保持温度只有增大冷却水 流量。严重时冷却水带走的能量占总功率的40%之多。 3、工件上的小孔、深孔、沟槽部分常常产生空心阴极效应,造成局部温度过高、硬度 下降,对于复杂的工件,如模具等难以获得均匀的渗氮层。如果是采用脉冲电源进行 离子渗氮
15、,可以克服以上不足之处。所以,20世纪80年代后期,西德、法国等先后把 脉冲电源辉光放电技术应用于热处理,取得了较好的效果。采用脉冲电源进行离子渗 氮的优点包括: 1、在脉冲电压的作用下,炉内气体放电受高频功率器件的开关通断控制,电流电压自 然过零,自身具有灭弧的功能。由于采用自关断器件,灭弧速度可达微秒级,因而去 掉了限流电阻,可大幅度节能。 2、在提供大的瞬时能量的同时,可以保持较小的平均能量。可将工件升温、保温所需 的离子能量借助于导通比调节来实现,从而将辉光放电的物理参数与控制温度的参数 分开,实现独立调整,提高渗氮质量。 3、空心阴极效应的产生是由于离子与电子的相互作用,产生雪崩效应
16、,引起载流子的 聚集所造成的,采用脉冲电源后载流子的聚集被脉冲间隙中断,从而抑制了空心阴极 效应,改善了复杂零件的温度均匀性。另外,对于原来需要堵孔屏蔽的某些零件可直 接装炉渗氮,简化了工序。 离子渗氮热处理用脉冲电源有两种类型: 一是逆变型脉冲电源。逆变型脉冲电源脉冲频率高,动态响应快,省去了体积庞 大、笨重的工频变压器及其损耗,提高了离子渗氮的灭弧速度。是离子渗氮热处理用 3 电源的发展方向。 二是斩波型脉冲电源。铁道部金化所1992年在国内首先研制成功GTO斩波型脉冲电源,现场实 践证明斩波型脉冲电源与直流电源相比,不仅节电30%左右,而且能迅速可靠灭弧,可减弱或抑制 空心阴极效应,利于
17、带深孔、沟槽等复杂零部件及齿轮根部的渗氮处理,能提高工件温度均匀性和 渗氮质量。 1.2 脉冲电源发展动态 脉冲电源的形式和用途有多种,其主要的应用领域包括:脉冲电镀、极性相和非极 性相的相分离、工业废气处理、脉冲电解污水处理、高频脉冲感应加热、高功率激光 泵、产生高功率带电粒子束、电弧焊接、电火花加工、静电除尘、臭氧的制取和表面 热处理等。在军事上,脉冲电源还用于电磁轨道炮、电磁脉冲模拟、粒子束武器、液 电爆炸等领域。不同的应用场合,对电源的输出电压、输出电流及开关频率的要求不 同。按照输出特性的不同,可以将脉冲电源分为能量密度型、时间间隔型和组合型三 类。表面热处理用脉冲电源属于组合型,它
18、对能量密度和时间都有要求。 脉冲电源的发展在促进开关器件发展的同时受制于开关器件的发展,尤其是大功 率脉冲电源更是依赖于开关器件的发展。随着GTO等自关断器件的出现,产生了斩波型 脉冲电源。斩波型脉冲电源的原理是将前级的直流经过大功率开关器件控制后,输出 周期和占空比由开关器件控制脉冲决定的大功率脉冲输出。这类型电源的最突出缺点 是输出与输入不隔离,对电网的污染太严重。如果增加输入隔离变压器,由于电源功 率太大,使得变压器的体积巨大。另外的一个缺点就是由于开关器件工作频率的限制, 使得脉冲电源输出的频率很低。随后出现的开关器件IGBT由于它本身的优点,使得研 制逆变型脉冲电源成为可能。IGBT
19、的高工作频率可以使隔离变压器体积大大减小,同 时可以提高脉冲输出的频率。 就目前国内外发展来看,等离子热处理用脉冲电源的主要发展方向是逆变 型的大功率脉冲电源,一些新的器件的出现,会提高脉冲电源系统的性能,但 不会改变电源系统的逆变主回路拓扑。 13 单片机的发展 单片机是单片微计算机(Single-chip Microcomputer)的简称,也称为微处理器 或微控制器,通常统称为微处理部件(MCU:Micro Unit)。它是微电子技术和集成电路 IC技术迅速发展的结晶,是在一篇硅片上集成CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、中断 处理器和多种I/O端口完整的数字处理器系统。在电子技术应
20、用中,由于单片机的诞生, 电子应用进入了“智能化”的时代。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、面向控 制及价格低廉等一系列优点,牢固地树立了其在嵌入式微控系统中的“霸主”地位, 在工业控制、智能化仪器仪表、计算机通信、家电、汽车、玩具等领域得到了广泛的 4 应用。在PC机以286、386、Pentium 、PII高速更新换代的同时,单片机却始终保持旺 盛的生命力。随着电子技术的迅猛发展,单片机将更广泛地应用于军事、工业、通信、 家用电器、智能玩具、便携式智能仪表等领域,使产品功能、精度和质量大幅度提高, 而电路设计却更简单、故障率更低、可靠性更高且成本低廉。 第一款单片机是Intel公司197
21、1年生产的,命名为Intel-4004。此时,Intel公司 就给单片机取名为嵌入式微控制器(Embedded micro-control),1976年Intel公司生 产出MCS-48单片机,从此单片机及其周边应用技术得到迅猛发展。纵观各系列单片机 各阶段的特性和发展方向,从最初的准确地体现单片形态微计算机的内容发展到突破 微计算机的传统内涵,着力扩展各种控制功能,单片机大致经历了三个发展阶段:第 一阶段以MCS-48系列为代表,它将CPU和外围电路集成到一个芯片上,构成新型工业微 控制器,取得很大的成功。第二阶段以MCS系列中的8031为代表,它将单片机配置了完 整的外部并行总线和多机识别
22、功能的串行通信接口,规范了功能单元的特殊功能寄存 器(SFR)控制模式及适应控制器特点的布尔处理器系统和指令系统,为发展具有较好 兼容性的新一代单片机奠定了良好的基础。第三阶段以80C51系列为代表,它扩展的外 部接口电路,在总线方面配置了芯片间的串行总线,为单片机应用系统设计提供了更 加灵活的手段。 随着现代微电子技术、超大规模集成电路的发展,单片机技术日趋成熟,单片机 向单片机系统及单片机应用系统不断扩展其功能,从而无论是在较复杂的总线方式应 用系统,如工控系统、智能仪表、检测系统或满足这些应用而构成的多机与网络系统 中,还是在规模较小的非总线方式应用系统,如小型控制器、测控单元、单元仪表
23、中, 发展了形形色色、具有不同功能的单片机品种。从当前各系列单片机产品的特性可以 看出,单片机正朝着两个方向发展。一方面,单片机的性能不断提高,功能越来越强, 如带有A/D、PWM、PCA、WDT或带有大量高速I/O口、增强型通信接口等,其内部结构、 指令系统及开发工具均较为完善、复杂。该类产品以Intel公司的MCS-96系列、 MOTOROLA公司系列为代表,它们可以满足各种复杂应用系统的需求。另一方面,单片 机朝着超小型、超低功耗、低成本、多品种等方向发展。它们不搞单纯的功能堆积, 而是从实际出发,重视产品的性能价格比,发展多种型号来满足各种中小型智能化产 品,尤其是消费类电子产品的应用
24、,这些产品以美国的MICROCHIP公司的PIC系列、 ZILOG公司的CCP系列为代表,而PIC系列以推出低价格一次性用户可编程OTP单片机而 构成了单片机家族中后起之秀。近年来,它像旋风一样横扫全球,将单片机的应用扩 大到电子产品的每一个领域。 从技术上看,单片机的进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级、制造工艺 以及高可靠性设计上。在内部结构方面,单片机集成了越来越多的部件,这些部件包 括一般常用的电路(例如:定时器,比较器,A/D转换器,D/A转换器,串行通信接口, Watchdog电路,LCD控制器等)外,还包括一些专用的部件,如局域网络控制模块CAN 5 和脉宽调制控制电路。通
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