数字单脉冲电源在电镀中的应用

引言：

　　随着社会生产力的发展和市场经济的日益繁荣,特别是我国加入世界贸易组织后,我国的电镀行业遇到更多的机遇与挑战。

　　电镀,即采用电化学的方法使金属离子还原为金属,并在金属或非金属制品表面形成符合要求的平滑、致密的金属覆盖层。电镀后的镀层性能在很大程度上取代了原先基体的性质,起到了装饰与防护的作用。随着科学技术与生产力的提高,电镀工艺已经在各个领域发挥着不可替代的作用。

　　电流通过镀槽是电镀的必要条件,镀件上的金属镀层就是在电流流过电镀槽时所产生电化学反应而形成的。

　　根据电镀的基本原理,改进电镀质量有两个方法:调整电镀溶液;改进电镀电源。现实中人们广泛采用改进电镀电源的方法来提高电镀的性能。在电镀电源的发展过程中,由全控型电力电子开关构成的脉冲电源是电镀电源的一次革命。这种电源体积小、性能优越、纹波系数小、不易受输出电流的影响。

　　1　脉冲电源电镀的基本原理：

　　脉冲电源电镀是一项新的电镀技术。它的特点是由脉冲电流对电极过程动力学的特效影响所决定的,其中最重要的是对传质过程中的影响。在直流电镀时,镀液中被镀出的金属离子在阴极表面附近溶液中逐渐被消耗,造成了该处被镀金属离子与溶液中该离子的浓度出现差别。这种差别随着使用的电流密度的增高而加大。当阴极附近液层中的该离子的浓度降到0时,就达到了极限电流密度,传质过程完全受到扩散控制。但在脉冲电镀时,由于有关断时间的存在,被消耗的金属离子利用这段时间扩散、补充到阴极附近,当下一导通时间到来时,阴极附近的金属离子浓度得到恢复,故可以使用较高的电流密度;因此脉冲电镀时的传质过程与直流电镀时的传质过程的差异,造成了峰值电流可以大大高于平均电流,促使晶体形成的速度远远高于晶体长大的速度,使镀层结晶细化,排列紧密,孔隙减小,电阻率低。并且直流电镀时的连续阴极极化电位下的各种物质在阴极表面上的吸脱附过程与脉冲条件下的间断高阴极极化电位下的吸脱附过程的机理有了很大的差异,造成了同样的溶液配方及添加剂在电源波形不同时,表现的作用差异也很大。

　　脉冲电源其电流呈脉冲方式流动,并可在瞬时产生高密度电流;因此,在电镀时能将底层均匀地涂覆到镀件上,并使之加速,提高了效率;镀件表面均匀、细致,使金银等贵重金属得到很大的节约。由此可以看出,可以调节占空比及频率的脉冲电镀电源,尤其是开关电源,将随之得到广泛的应用。

　　2　数字单脉冲电源硬件系统框架：

　　所谓数字脉冲电源,就是采用微处理器等数字电路对脉冲电源中的直流斩波进行控制,并实现数字显示与数字调节的一种脉冲电源。它是现在最先进的电镀电源,也是电镀电源的发展方向。

　　数字脉冲电源一般分为双脉冲电源与单脉冲电源两种。

　　数字单脉冲电源的原理框图如图1。

 

　　目前,大多数斩波系统利用全控型电力电子器件MOS2FET和IGBT对直流电源进行斩波 ,达到脉冲输出的目的。改变开关管的方波驱动信号,便可以实现脉宽及频率的调节。

　　系统中核心的问题是定时:电镀时间的定时以及驱动开关管的脉冲定时,而且后者的定时精度直接影响输出脉冲波形的频率精度。同时考虑系统的显示以及按键处理的因素,本系统采用了双CPU的系统设计结构。

　　双CPU系统的关键是主从CPU的协调与通信。实现的条件是:

　　(1) 能满足系统的实时性要求,响应及时,并能完成系统的所有设计功能;(2) 软硬件实现不能过于复杂。

　　在单片机的应用系统中,双CPU或者多CPU系统的构建通常有以下几种形式:

　　(1) 采用双口RAM方式;(2) 采用并口通信方式;(3) 采用串行通信方式;本系统采用串行通信的方式来连接。双CPU系统原理框图见图2。

 

　　按照设计要求与方案,本系统的功能模块有显示、按键电路、复位与看门狗电路、主CPU系统、从CPU系统、斩波控制电路等。

　　(1) 主CPU系统：

　　主CPU系统主要管理显示电路、按键电路、运行状态控制以及向从CPU 系统发送脉冲参数等。本CPU 选用89C52,暂停时通过P11控制暂停指示灯发光指示,喂狗信号由P10输出。主从CPU的握手信号为R /P。考虑到主CPU系统对定时的要求不高,采用6MHz主频信号。

　　(2) 从CPU系统：

　　从CPU系统选用89C2051单片机,唯一的任务是产生斩波所需要的脉冲信号。ATMEL公司生产的这种型号单片机是一种低功耗、高性能的8位CMOS微处理器芯片。片内带有2 kB的闪烁可编程及可擦除只读存储器,与工业标准的80C51指令集相兼容。

　　(3) 复位与看门狗电路：

　　按照系统的设计要求及长期连续运行等实际情况,本系统的复位必须考虑三种情况:上电复位、手动复位及看门狗定时器溢出复位。采用MAX813L电源监视电路。主从CPU系统共用复位信号,当系统中任何一个子系统运行失效时,必须共同复位。

　　(4) 主系统显示与按键电路：

　　考虑到电镀的实际生产,显示采用数码管,同时为了减轻主CPU的负担,简化硬件设计,显示与按键电路通过8279专用接口芯片与单片机相连。

　

　3　软件系统设计：

　　采用双CPU系统, 2个CPU各司其职,使软件的设计难度降低了。

　　3. 1　主系统软件：

　　主系统主要有4大功能模块组成:主程序模块、串行通信模块、T2定时中断服务程序、参数编辑模块。4个模块的功能分别是:

　　主程序模块:系统初始化及其他模块的协调与调用。

　　串行通信模块:主要向从系统发送编辑好的ton , toff及T等参数。

　　T2定时中断系统服务模块:计算电镀时间,即对T参数倒计时处理。

　　参数编辑模块:编辑输入脉冲所需的ton , toff及T等参数。

　　主系统主程序框图见图3。

 

　　3. 2　从系统软件：

　　从系统软件主要有3大模块:主程序模块、串行通信模块、T1定时中断服务程序。从系统主程序框图见图4。

 

　　4　结论：

　　随着科技进步,电子、通信、信息等技术的不断发展,电镀数字脉冲电源的应用将会越来越广,合理使用脉冲电源必将对我国电镀行业的发展起到很大的作用。