精密电镀电流的检测与数值换算

1　引言 　　电镀生产中，镀件质量受到诸多电镀参数的影响，在实现对其他参数自动控制的条件下，电镀电流是影响镀件质量的重要参数。这里所说的电镀电流，包括正常电镀电流和冲击电镀电流，前者指按镀件电流密度所限定的电流值；后者是指对表面凹凸复杂工件放入镀槽开始电镀时，为迫使金属离子均匀附着在工件表面而采用的电流脉冲，工件不同，脉高与脉宽也随之改变，这是保证复杂镀件质量的一种新工艺。显然，精密电镀要求对电镀电流的精确调节，而减小电流检测、变换误差是进行精确调节的前提。 　　本文研究的内容取材于湖北省科委科学基金项目“电镀生产通用控制系统”课题。在我国电镀是一个量大面广的行业，但各生产厂家的规模和设备往往相差很大，很多厂家生产不规范，随意性大，产品合格率低，造成浪费和社会问题。以往从事电镀工艺研究的人员多注重于镀液的变化，而对电镀电流大小及其波形变化产生的影响研究不多，本课题除对此问题进行研究外，还研究出对影响电镀质量的主要参数如电流、温度、光亮剂、PH值、时间以及电镀生产流程进行微机综合控制〔1〕，弥补了以往因对部分参数自动控制所造成的质量影响。实现系统硬件、软件模块化结构是本课题的一个重要特点，系统可以通过硬件与软件的方便组合形成不同的工艺流程，以满足不同厂家、不同电镀工艺的生产要求，具有很强的通用性。对规范化生产、提高自动化程度及产品质量都有重要意义。 2　系统结构与工作原理 　　电镀电流微机控制系统的结构如图1所示。电流给定值Ig输入微机内存，选择不同的工艺流程时，程序即自动选定对应的Ig。由电流互感器测得的电流值经电流、电压(I/V)变换，交直流(AC/DC)变换以及模数(A/D)转换后，作为电流负反馈信号IF与Ig进行比较，其差值由微机进行PID运算，并将运算结果经数模(D/A)转换后送功率放大器，功率放大器驱动执行电机以改变调压器的输出电压，经整流器供给电镀负载，从而调节电镀电流值。 　　系统中，电流检测部分包括电流互感器，I/V、AC/DC变换，A/D转换等硬件环节和负载电流有效值、平均值、反馈值及给定值之间的换算程序等软件环节。 图1　系统结构框图 Fig.1　The architecture block diagram of the system 3　I/V变换与AC/DC变换 　　电镀电源大都采用三相调压器调压、硅整流器将交流变成直流的低压大电流电源装置，电流信号的采样途径可有两条：一是从整流侧测取直流信号，将其放大、A/D转换后给微机处理；二是从调压器二次侧获取交流信号，经I/V、AC/DC变换和A/D转换后送微机。前者可直接得到直流信号，无须进行AC/DC变换，但明显存在以下问题：将微弱的直流信号进行放大处理时，放大器的漂移、非线性等因素，将使输出产生较大误差；电镀电源系统与微机间难以实现电隔离，严重影响系统运行的可靠性，若采用直-直隔离措施，则实施价格贵。故采用从交流侧获取信号的方法。 　　图2为交流侧取样变换电路，主要由采样电路、精密AC/DC变换电路及有源滤波电路组成。 3.1　取样电路 图2　取样变换电路　 Fig.2　A sampling conversion circuit 　　取样电路包括电流互感器CT和取样电阻R。由于CT一、二次侧只存在磁的联系，因而有效地实现了强、弱电之间的隔离。R作为CT的负载而将其二次电流I2变换成交流电压信号UR，作为精密整流电路的输入。 　　R采用温度系数小的电阻材料，以保证整个电流变化范围内有良好的线性度，即具有以下线性关系 式中　I1 ——CT一次电流，即调压器二次电流有效值 　　　KCT——CT的变比 　　　K ——UR与I1的比例系数，在R与CT的线性范围内K为恒值 　　　K=R/KCT 　　R值与CT二次电流额定值I2e以及AC/DC变换电路中运放的放大倍数Avf有关，为使AC/DC变换及有源滤波后的输出电压U0与A/D转换电压兼容，其最大值U0max≤5V。若电镀电源采用三相桥式整流电路，电流i2的波形如图3所示，则得到 式中　URe=IzeR 将U0max＝5V，I2e＝5A，Avf＝2代入，则R＝0.555Ω。 图3　图2中各点波形 Fig.3　Eech waveform in Fig.2 　　若电镀电源采用三相半波整流电路，则 代入以上数据，R＝1.283Ω。 　　应当指出，R虽是将I2变换成UR信号的采样元件，而实质上它是CT的负载，因此取值不能大，不然将增加检测误差。 3.2　精密AC/DC变换电路 　　精密AC/DC变换电路由精密整流电路及有源滤波电路组成，如图2所示。取样电压UR经电压跟随器A1输出电压UA作为AC/DC变换电路的输入信号，R2、R3分别为VA正、负半波时的反馈电阻，取R2＝R3＝2R1之值时，A2的放大倍数Avf＝－R2/R1＝－2。VA为负时，运放A2输出端Q点的电压被二极管V2封锁，B点电压UB＝0。只有当UA为正时，Q点电压为负，V1截止，V2导通，UB＝2UA，通过R5加到运放A3的输入端C，而UA又直接通过R4加到A3的C点，完成UA与UB的加运算，得到直流电压UC输入到A3。各点波形如图3所示。由于运放电路构成的深度负反馈补偿了整流二极管因门坎电压而造成的非线性影响，保证了输出电压与输入电压间的线性关系。 3.3　有源滤波电路 　　对于三相桥式整流电路电源，取样变换电路的输出电压U0中所含谐波分量的最低次频率fx为电源频率f1的4倍，为使直流以外其他频率的电压分量经低通有源滤波器得到迅速衰减，保证测量精度，应合理确定电路中R6、C值。 　　一阶有源滤波器的传递函数为［2］ 式中　 　　　 　　　f0——上限频率 　　从理论上讲，使直流以外的交变分量经滤波器得以衰减的条件是f0>0，而满足这一条件的R6C之积应为无穷大。实际中在满足测量精度的前提下确定一个R6C的最小积是合理的，据此，使f0＝1Hz，R6＝20kΩ，则C＝1/2πf0R6＝8μF。按此参数，对于f1＝50Hz的电源，U0的最低次谐波频率fx＝200Hz，其电压放大倍数的幅值为 幅频特性如图4所示，特性从f0＝1Hz开始以20dB/10倍频程的速率衰减，对fx＝200Hz的谐波分量衰减46dB，使U0的纹波大大减小，保证了采样精度。 图4　幅频特性 Fig.4　Amplitude-frequency characteristic 4　电流数值换算 　　本控制系统中，电流值包括给定电流、电镀电流与反馈(实测)电流三种数值。电镀电流为整流器的输出电流，将电镀负载视为电阻性负载时，该电流应是负载电流的有效值I，它包含负载电流的平均值Id和谐波分量有效值IR两部分，即［3］ 式中　n＝mk——谐波次数，对三相半波电路，m＝3，对三相桥式或六相半波电路，m＝6，k＝1，2，3，… 　　　In——第n次谐波电流的有效值 　　对于三相桥式整流电源，［3］，则 其相对误差为0.87‰，故认为I≈Id。 　　反馈电流取样于调压器二次电流的有效值I2，由图3可知 式中　U2——调压器二次相电压有效值 　　　RF——电镀负载电阻 而　　　 ∴　　　I2＝0.816I≈0.816Id(1) 　　若采用三相半波整流电源，则 　　　　 而Id＝1.17U2/RF　∴I2＝0.586Id 当计算到n＝3，6，9前三项时，得IR＝0.213U2/RF ∴　　 则　　I2＝0.577I＝0.586Id(2)　　式(1)、(2)给出两种电路下I2、I与Id之换算关系， 由电镀工艺确定的电镀电流为I值，依上述关系式将I值换算得到的I2为对应的给定电流Ig，反馈电流IF为实测电流I2值。 　　 5　系统检测误差分析 　　将各电流量的关系作上述处理后，对三相桥式整流电源，认为I≈Id，其误差0.87‰可略去不计；对于三相半波整流电源(有时需抑制纹波系数)，这样处理可以消除的误差。

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