基于DSP控制的铝合金微弧氧化电源设计与实验研究

论文摘要

铝合金具有比强度高、塑性优良、导电导热性能优异等特点，在航空航天、军工以及建筑、电器等领域都有广泛应用。但铝合金材料硬度低、耐磨性差、易产生晶间腐蚀，应用受到限制。微弧氧化（MAO，MicroArc Oxidation）是一种利用液相等离子体电解进行材料表面处理的新技术，可在阀金属（铝、镁、钛及其合金等）表面原位制备陶瓷层，改变材料的力学特性和摩擦磨损行为，增强抗磨损、耐腐蚀、耐高温等性能。本文针对铝合金微弧氧化的工艺要求，设计了基于DSP智能控制的铝合金微弧氧化专用脉冲电源，研究了微弧氧化工艺过程机理和工艺参数影响规律。专用脉冲电源是微弧氧化工艺实施的关键环节，直接决定和影响所制备陶瓷层形成及特性。本文设计研发了基于数字信号处理器DSP（Digital SignalProcessor）的大功率、波形可变、频率和占空比等参数智能控制的MAO专用电源。电源主电路方面采用晶闸管整流和IGBT逆变电路相结合，通过调节晶闸管触发角调压，利用逆变电路控制输出波形；数字信号处理器采用16位TMS320F2812，开关器件选用IGBT斩波模块，设计硬件电路和过流保护电路。本文采用NaOH-Na2SiO3电解液体系，利用研究的电源，进行了微弧氧化实验，归纳了电源输出形式和波形参数对微弧氧化陶瓷膜性能的影响。得出NaOH-Na2SiO3电解液体系能够满足铝及合金微弧氧化过程要求；电压、电流密度对陶瓷膜的厚度有决定性的作用；频率和占空比对陶瓷膜的致密性有一定的影响。研发的微弧氧化专用智能电源运行可靠，制备的陶瓷层光滑致密，与基体结合紧密。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 选题意义

1.2 微弧氧化和阳极氧化工艺比较

1.2.1 阳极氧化的特点

1.2.2 阳极氧化膜的形成及膜的结构

1.2.3 微弧氧化与阳极氧化的区别与联系

1.3 微弧氧化研究现状

1.4 研究方法

1.5 本文的研究内容及论文结构

第2章微弧氧化技术机理及工艺过程

2.1 微弧氧化技术基本原理

2.2 铝合金微弧氧化机理

2.2.1 微弧氧化基础机理

2.2.2 微弧氧化实验系统

2.2.3 铝合金微弧氧化成膜过程

2.3 铝合金微弧氧化陶瓷膜的生长规律

2.3.1 铝合金微弧氧化陶瓷层厚度增长规律

2.3.2 铝合金微弧氧化陶瓷层的结构

2.3.3 影响铝合金微弧氧化膜的因素

2.3.4 电解质的作用机理

2.4 微弧氧化电源的基本要求

2.5 本章总结

第3章微弧氧化电源的主电路设计

3.1 电源的设计思想

3.2 电源的总体设计方案

3.3 电源的主电路设计

3.3.1 整流电路的设计

3.3.2 滤波电路的设计

3.3.3 斩波电路的设计

3.3.5 逆变电路的设计

3.4 保护电路的设计

3.4.1 过流保护电路的设计

3.4.2 过压保护电路的设计

3.5 本章总结

第4章电源控制系统的设计

4.1 DSP 的选择与介绍

4.1.1 DSP 的选型

4.1.2 TMS320F2812 的性能介绍

4.1.3 TMSF320F2812 的片内外设计

4.2 DSP 最小系统设计

4.2.1 电源和复位电路的设计

4.2.2 JTAG 仿真接口电路的设计

4.2.3 时钟电路的设计

4.3 IGBT 驱动电路的设计

4.4 同步电路的设计

4.5 电流采样及调理电路的设计

4.6 A/D 电路及保护校正电路的设计

4.7 IGBT 驱动脉冲的产生及分频电路的设计

4.8 本章小结

第5章控制系统软件的设计

5.1 开发 DSP 软件的流程

5.2 DSP 控制系统软件设计

5.2.1 程序功能及流程图

5.2.2 A/D 采样程序设计

5.2.3 晶闸管触发 PWM 程序设计

5.2.4 带有死区控制的 PWM 程序设计

5.3 电源调试

5.4 本章小结

第6章实验分析

6.1 实验方法

6.1.1 实验试样制备

6.1.2 微弧氧化电解液的配置

6.1.3 实验数据检测

6.2 微弧氧化实验及分析

6.2.1 微弧氧化过程观察现象及分析

6.2.2 氧化时间对膜层厚度影响

6.2.3 电源电压对膜层性能的影响

6.2.4 电流密度对膜层性能的影响

6.2.5 占空比对膜层性能的影响

6.2.6 频率对膜层性能的影响

6.2.7 添加剂对陶瓷膜层影响

6.3 样品处理

6.4 本章小结

第7章全文总结与展望

7.1 工作总结

7.2 工作展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

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