專(zhuān)利名稱(chēng)：用于金屬凝固過(guò)程的電源及其控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用電場(chǎng)或磁場(chǎng)控制的熔體凝固法的裝置及其控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)金屬凝固過(guò)程的作用機(jī)理有其特殊性，脈沖電場(chǎng)對(duì)金屬的凝固過(guò)程及其凝固組織具有良好的孕育作用，在合適的電參數(shù)下可使晶粒細(xì)化，材料的組織形貌得到明顯改善。目前大多采用由R-L-C電路構(gòu)成的電壓型準(zhǔn)脈沖電源，它的波形不規(guī)則、電流幅值不穩(wěn)定、脈沖寬度和頻率都不能連續(xù)調(diào)節(jié)和控制，運(yùn)用這類(lèi)電源很難對(duì)金屬合金凝固過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確控制和分析。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是使電流幅值自動(dòng)維持恒定，脈沖寬度和頻率連續(xù)可調(diào)，脈沖電流可在單極性和雙極性之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明是用于金屬凝固過(guò)程的電源及其控制系統(tǒng)，在金屬液中通入脈沖電流，本發(fā)明的電源是由三相全控整流橋電路(1)、直流濾波器(2)、單相逆變橋電路(3)、脈沖變壓器(4)、脈沖電流檢測(cè)器(5)、計(jì)算機(jī)控制單元(6)組成，三相交流電經(jīng)三相全控整流橋電路(1)后變?yōu)殡妷嚎煽氐闹绷髅}動(dòng)電壓，再經(jīng)直流濾波器(2)變?yōu)橹绷麟妷?，通過(guò)單相逆變橋電路(3)成為脈沖電壓，再經(jīng)脈沖變壓器(4)、負(fù)載(4′)后變?yōu)槊}沖電流，由脈沖電流檢測(cè)器(5)進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)量反饋至計(jì)算機(jī)控制單元(6)進(jìn)行控制。
脈沖電流檢測(cè)器(5)為霍爾電流傳感器。三相全控整流橋電路(1)是由6只晶閘管(4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6)組成的全控整流橋，直流濾波器(2)由電容器(2-1、2-2)組成，單相逆變橋電路(3)是由4只絕緣雙極晶體管IGBT(V1、V2、V3、V4)構(gòu)成的H型單相逆變橋。
由裸銅排平面并行式的功率母線(xiàn)(7)將三相全控整流橋電路(1)、直流濾波器(2)、單相逆變橋電路(3)、散熱器(8)組合在一起。
計(jì)算機(jī)控制單元(6)包括一個(gè)算法學(xué)習(xí)器(6-1)，一個(gè)基于誤差反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(6-2)，一個(gè)PID控制器(6-3)，脈沖電流的給定值輸入與電源反饋回來(lái)的實(shí)際值經(jīng)比較產(chǎn)生的偏差值分別輸入給算法學(xué)習(xí)器(6-1)、基于誤差反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(6-2)、PID控制器(6-3)，算法學(xué)習(xí)器(6-1)同時(shí)采集電源的實(shí)際脈沖電流值，經(jīng)處理后輸入給基于誤差反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(6-2)，基于誤差反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(6-2)將PID控制比例系數(shù)、PID控制積分系數(shù)、PID控制微分系數(shù)輸入給PID控制器(6-3)，由PID控制器(6-3)給電源發(fā)出控制信號(hào)。
本發(fā)明的有益之處為本發(fā)明克服了現(xiàn)有脈沖電源的波形不規(guī)則、電流幅值不穩(wěn)定、脈沖寬度和頻率都不能連續(xù)調(diào)節(jié)和控制等缺點(diǎn)的新型高能脈沖電源，該電源的輸出為矩型脈沖電流波形，其幅值不會(huì)隨負(fù)載和其它參數(shù)的變化而改變，自動(dòng)維持恒定；脈沖寬度和頻率都連續(xù)可調(diào)；脈沖電流可在單極性和雙極性之間轉(zhuǎn)換。


圖1所示為本發(fā)明的構(gòu)成框圖，圖2為本發(fā)明電源的主電路圖，圖3為本發(fā)明功率母線(xiàn)裝配圖，圖4是本發(fā)明控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，圖5是本發(fā)明的主程序流程圖，圖6是初始化子程序流程圖，圖7是電流采樣子程序圖，圖8是PID調(diào)節(jié)子程序圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明是用于金屬凝固過(guò)程的電源及其控制系統(tǒng)，其電源是由三相全控整流橋電路(1)、直流濾波器(2)、單相逆變橋電路(3)、脈沖變壓器(4)、脈沖電流檢測(cè)器(5)、計(jì)算機(jī)控制單元(6)組成，三相交流電經(jīng)三相全控整流橋電路(1)后變?yōu)殡妷嚎煽氐闹绷髅}動(dòng)電壓，再經(jīng)直流濾波器(2)變?yōu)橹绷麟妷?，通過(guò)單相逆變橋電路(3)成為脈沖電壓，再經(jīng)脈沖變壓器(4)、負(fù)載(4′)后變?yōu)槊}沖電流，由脈沖電流檢測(cè)器(5)進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)量反饋至計(jì)算機(jī)控制單元(6)進(jìn)行控制。脈沖電流檢測(cè)器(5)為霍爾電流傳感器。計(jì)算機(jī)控制單元(6)以嵌入式單片機(jī)PIC16F877為核心。
如圖2所示，本發(fā)明電源的主電路中的三相全控整流橋電路(1)是由6只晶閘管(4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6)組成的全控整流橋，直流濾波器(2)由電容器(2-1、2-2)組成，單相逆變橋電路(3)是由4只絕緣雙極晶體管IGBT(V1、V2、V3、V4)構(gòu)成的H型單相逆變橋。單相逆變橋電路(3)可以輸出單極性的電壓、電流波形，也可以輸出雙極性的電壓、電流波形。當(dāng)V1和V4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)輸出為正極性，當(dāng)V2和V3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)輸出為負(fù)極性。
如圖3所示，為了減小雜散電感抑制過(guò)電壓，本發(fā)明采用功率母線(xiàn)優(yōu)化主電路，功率母線(xiàn)是采用裸銅排平面并行式的功率母線(xiàn)(7)，將三相全控整流橋電路(1)、直流濾波器(2)、單相逆變橋電路(3)、散熱器(8)組合在一起。
如圖4所示，本發(fā)明的控制系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)控制單元(6)，包括一個(gè)算法學(xué)習(xí)器(6-1)，一個(gè)基于誤差反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(6-2)，一個(gè)PID控制器(6-3)，脈沖電流的給定值輸入與電源反饋回來(lái)的實(shí)際值經(jīng)比較產(chǎn)生的偏差值分別輸入給算法學(xué)習(xí)器(6-1)、基于誤差反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(6-2)、PID控制器(6-3)，算法學(xué)習(xí)器(6-1)同時(shí)采集電源的實(shí)際脈沖電流值，經(jīng)處理后輸入給基于誤差反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(6-2)，基于誤差反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(6-2)將PID控制比例系數(shù)(Kp)、PID控制積分系數(shù)(Ki)、PID控制微分系數(shù)(Kd)輸入給PID控制器(6-3)，由PID控制器(6-3)給電源發(fā)出控制信號(hào)。
本發(fā)明電源的輸出脈沖電流幅值0～1000A連續(xù)可調(diào)，輸出脈沖頻率100～1000Hz連續(xù)可調(diào)，脈沖寬度10～100μS連續(xù)可調(diào)，電流脈沖的頻率誤差0.3％，電流脈沖的寬度誤差1％，電流脈沖的幅值控制精度0.3％。
本發(fā)明的控制系統(tǒng)采用了誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)，使電源在環(huán)境溫度、材料成分等因素發(fā)生變化時(shí)把脈沖電流控制在理想值上，其控制結(jié)構(gòu)為誤差反向傳播(Back Propagation-BP)，如圖4所示，對(duì)誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)，采用樣本數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行離線(xiàn)訓(xùn)練，以獲得其相應(yīng)的權(quán)值和閾值。
如圖5為本發(fā)明的主程序流程圖，首先進(jìn)行上電自檢，然后調(diào)入初始化子程序，啟動(dòng)主電路，輸出逆變脈沖，通過(guò)T0、T1定時(shí)器控制單相逆變橋電路(3)中的4只絕緣雙極晶體管IGBT(V1、V2、V3、V4)，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器(圖中未標(biāo)示)檢測(cè)電流脈寬、頻率信號(hào)，改寫(xiě)T0、T1，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器檢測(cè)電流幅值大小，然后根據(jù)檢測(cè)的電流值與給定電壓值大小，查BP網(wǎng)絡(luò)表，確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)PID控制比例系數(shù)(Kp)、PID控制積分系數(shù)(Ki)、PID控制微分系數(shù)(Kd)，調(diào)用PID子程序，檢測(cè)有無(wú)故障，即單片機(jī)RB0檢測(cè)信號(hào)為0，若有故障則關(guān)閉輸出脈沖，若無(wú)故障則繼續(xù)檢測(cè)，直到結(jié)束。
圖6為初始化子程序流程圖，首先關(guān)中斷，進(jìn)行I/O口設(shè)置，然后A/D轉(zhuǎn)換器初始化，定時(shí)器T0、T1初始化，再進(jìn)行中斷初始化(T1中斷，B0口中斷過(guò)流保護(hù))，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，檢測(cè)電流脈寬、頻率給定值，轉(zhuǎn)換為T(mén)0、T1初始值，最后打開(kāi)中斷。
圖7為電流采樣子程序流程圖，首先檢測(cè)電流脈沖上升沿，延時(shí)t1后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，延時(shí)到T，讀A/D轉(zhuǎn)換器上數(shù)據(jù)，若電流脈寬大于或等于20μs，電流值則等于A/D轉(zhuǎn)換器上的數(shù)據(jù)，若電流脈寬小于20μs，電流值則等于K乘以A/D轉(zhuǎn)換器上的數(shù)據(jù)。
圖8為PID調(diào)節(jié)子程序流程圖，其中各參數(shù)的定義為E(k)為脈沖電流偏差值，R(k)為脈沖電流給定值，M(k)為脈沖電流反饋值，Pp(k)為PID調(diào)節(jié)比例部分值，PI(k)為PID調(diào)節(jié)積分部分值，Pd(k)為PID調(diào)節(jié)微分部分值，P(k)為PID調(diào)節(jié)輸出值，k為離散系數(shù)。
權(quán)利要求
1.用于金屬凝固過(guò)程的電源，在金屬液中通入脈沖電流，其特征是由三相全控整流橋電路(1)、直流濾波器(2)、單相逆變橋電路(3)、脈沖變壓器(4)、脈沖電流檢測(cè)器(5)、計(jì)算機(jī)控制單元(6)組成，三相交流電經(jīng)三相全控整流橋電路(1)后變?yōu)殡妷嚎煽氐闹绷髅}動(dòng)電壓，再經(jīng)直流濾波器(2)變?yōu)橹绷麟妷海ㄟ^(guò)單相逆變橋電路(3)成為脈沖電壓，再經(jīng)脈沖變壓器(4)、負(fù)載(4′)后變?yōu)槊}沖電流，由脈沖電流檢測(cè)器(5)進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)量反饋至計(jì)算機(jī)控制單元(6)進(jìn)行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于金屬凝固過(guò)程的電源，其特征在于脈沖電流檢測(cè)器(5)為霍爾電流傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于金屬凝固過(guò)程的電源，其特征在于三相全控整流橋電路(1)是由6只晶閘管(4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6)組成的全控整流橋，直流濾波器(2)由電容器(2-1、2-2)組成，單相逆變橋電路(3)是由4只絕緣雙極晶體管IGBT(V1、V2、V3、V4)構(gòu)成的H型單相逆變橋。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于金屬凝固過(guò)程的電源，其特征在于由裸銅排平面并行式的功率母線(xiàn)(7)將三相全控整流橋電路(1)、直流濾波器(2)、單相逆變橋電路(3)、散熱器(8)組合在一起。
5.用于金屬凝固過(guò)程的電源的控制系統(tǒng)，其特征在于計(jì)算機(jī)控制單元(6)包括一個(gè)算法學(xué)習(xí)器(6-1)，一個(gè)基于誤差反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(6-2)，一個(gè)PID控制器(6-3)，脈沖電流的給定值輸入與電源反饋回來(lái)的實(shí)際值經(jīng)比較產(chǎn)生的偏差值分別輸入給算法學(xué)習(xí)器(6-1)、基于誤差反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(6-2)、PID控制器(6-3)，算法學(xué)習(xí)器(6-1)同時(shí)采集電源的實(shí)際脈沖電流值，經(jīng)處理后輸入給基于誤差反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(6-2)，基于誤差反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(6-2)將PID控制比例系數(shù)、PID控制積分系數(shù)、PID控制微分系數(shù)輸入給PID控制器(6-3)，由PID控制器(6-3)給電源發(fā)出控制信號(hào)。
全文摘要
用于金屬凝固過(guò)程的電源，在金屬液中通入脈沖電流，可使電流幅值自動(dòng)維持恒定，脈沖寬度和頻率連續(xù)可調(diào)，脈沖電流可在單極性和雙極性之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。主要由三相全控整流橋電路(1)、直流濾波器(2)、單相逆變橋電路(3)、脈沖變壓器(4)、脈沖電流檢測(cè)器(5)、計(jì)算機(jī)控制單元(6)組成，三相交流電經(jīng)三相全控整流橋電路(1)后變?yōu)殡妷嚎煽氐闹绷髅}動(dòng)電壓，再經(jīng)直流濾波器(2)變?yōu)橹绷麟妷?，通過(guò)單相逆變橋電路(3)成為脈沖電壓，再經(jīng)脈沖變壓器(4)、負(fù)載(4′)后變?yōu)槊}沖電流，由脈沖電流檢測(cè)器(5)進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)量反饋至計(jì)算機(jī)控制單元(6)進(jìn)行控制。
文檔編號(hào)B22D27/02GK1583326SQ200410026200
公開(kāi)日2005年2月23日 申請(qǐng)日期2004年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月27日
發(fā)明者王興貴, 尹建軍, 強(qiáng)明輝, 許廣濟(jì), 李海波, 袁俊, 房偉 申請(qǐng)人:蘭州理工大學(xué)