何 飛，盧 偉，慕偉意

（西北有色金屬研究院，陜西西安 710016）

0 引言

隨著鈦、鎂、鋁合金應(yīng)用越來越廣泛，提高其表面性能的要求日益迫切，在基體表面進(jìn)行表面處理可以防止其與環(huán)境直接接觸，減少或避免腐蝕，現(xiàn)在常用的表面處理方法有電化學(xué)鍍、陽極氧化、微弧氧化、氣相沉積、激光表面合金化等。與其他的表面處理方法相比，微弧氧化具有氧化膜層質(zhì)量好、制備工藝操作簡單、成本偏低且無污染產(chǎn)物生成的優(yōu)點(diǎn)。

微弧氧化技術(shù)（MAO），又稱微等離子體氧化技術(shù)、液相等離子體氧化技術(shù)等，是一種將鈦、鎂、鋁等閥金屬及合金放置于特制的電解液中，使其表面原位生長出氧化陶瓷膜的表面處理技術(shù)，其受到諸如能量參數(shù)（電壓、電流密度、頻率、占空比和處理時(shí)間）、溶液特性（成分、濃度、溫度、電導(dǎo)率和pH 值）、基體合金元素以及工件形狀等多因素的影響，屬于多參數(shù)耦合控制的表面處理技術(shù)。

在多參數(shù)耦合控制中，能量參數(shù)對工藝的影響巨大，是大多數(shù)研究單位探索的重點(diǎn)。其中電壓、電流密度對膜層的影響是最主要的方面，在未引起大弧放電燒蝕工件表面之前，這2 個值越大其膜層性能越好；脈沖的頻率和占空比主要影響膜層的表面和膜層微觀孔洞形貌；處理時(shí)間更多地影響膜層的厚度和粗糙度。

1 微弧氧化電源系統(tǒng)

微弧氧化電源有直流、交流、單脈沖、雙向脈沖等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式，目前脈沖電源應(yīng)用較多。原因在于脈沖電源運(yùn)用先進(jìn)的功率電子器件和高頻逆變技術(shù)，對能量參數(shù)的控制更加精細(xì)和可靠，同時(shí)使傳統(tǒng)工頻整流電源的材料減少80%～90%，節(jié)能20%～30%，并向輕量化、模塊化、智能化和大容量化方向發(fā)展。對于工藝而言，脈沖電源的輸出波形一方面要有高的穩(wěn)態(tài)性能，同時(shí)還應(yīng)有快的動態(tài)響應(yīng)，而單一的控制策略很難同時(shí)滿足這2 方面的要求，因此需要從電源系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮微弧氧化電源系統(tǒng)，其目的是要獲得高質(zhì)量的膜層，因此必須統(tǒng)籌兼顧工藝技術(shù)融入電源系統(tǒng)的研發(fā)和生產(chǎn)，包含電源硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

在研究硬件方面要考慮電源的內(nèi)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、元器件選擇以及輸出波形是否滿足工藝要求，并具備一定的冗余性；溶液特性、基體合金元素、工件形狀和數(shù)量以及電極放置位置等其它因素所形成的負(fù)載特性情況是否可以滿足工藝要求；獲得的膜層成膜效率如何，有無大弧的產(chǎn)生并影響生產(chǎn)的進(jìn)行。在軟件設(shè)計(jì)方面一是在傳統(tǒng)控制策略方面加大對算法的研究，二是通過計(jì)算機(jī)模擬仿真加大對多物理場耦合對膜層生長的影響研究，以及電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的能量參數(shù)。

2 硬件電路

微弧氧化電源的硬件電路主要由主回路和控制回路構(gòu)成。

2.1 主回路

微弧氧化電源主電路主要包括變壓電路、整流電路、濾波電路、逆變電路等組成。其中，變壓電路可分為工頻升壓、逆變升壓；整流電路按照拓?fù)浣涌诜譃閱蜗?、三相、半橋、全橋電路等，按照器件種類分為二極管不可控整流、晶閘管全控或半控整流等；微弧氧化逆變電路主要是指采用IGBT 等全控型器件，換流方式為器件換流的單相逆變電路，根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)可分為電壓型和電流型逆變電路，根據(jù)逆變級數(shù)可分為一級逆變、多重逆變等。

以雙向脈沖工作模式為例，根據(jù)“變、整、逆”特征，可組合成很多結(jié)構(gòu)，舉以下幾種主要結(jié)構(gòu)。

2.1.1 “整—逆”結(jié)構(gòu)

主電路中三相交流電通過整流后經(jīng)IGBT 組成的全橋逆變電路得到所需高頻方波脈沖。該電路特點(diǎn)為減少變壓器的投入，采用二極管三相橋式不可控整流電路，通過控制IGBT 器件VT1、VT4 和VT3、VT2 的同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷得到雙向脈沖，如圖1 所示。

圖1 “整—逆”結(jié)構(gòu)電源系統(tǒng)

2.1.2 “變—整—逆”結(jié)構(gòu)

工頻變壓器能夠?qū)㈦娋W(wǎng)電壓與主電路電壓隔離，防止對電網(wǎng)進(jìn)行沖擊，并起到升降壓的作用；整流電路采用三相晶閘管全控整流，改變晶閘管觸發(fā)角的大小即可改變脈沖的幅值；逆變電路采用電壓型全橋逆變，改變IGBT 的通斷時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)脈沖的頻率和占空比的調(diào)節(jié)，如圖2 所示。

圖2 “變—整—逆”結(jié)構(gòu)電源系統(tǒng)

2.1.3 “整—逆—變—整—逆”結(jié)構(gòu)

可以實(shí)現(xiàn)雙向不對稱脈沖，如圖3 所示，該電路由三相整流電路、ZVZCS 移相全橋DC/DC 變換器、不對稱脈沖生成單元全橋斬波逆變電路組成，其原理為三相工頻電壓通過整流升壓后經(jīng)濾波成直流，經(jīng)過ZVZCS 移相全橋軟開關(guān)技術(shù)逆變調(diào)壓，通過后級脈沖單元實(shí)現(xiàn)雙向不對稱脈沖。

圖3 “整—逆—變—整—逆”結(jié)構(gòu)電源系統(tǒng)

2.1.4 并聯(lián)結(jié)構(gòu)

在實(shí)際應(yīng)用中，隨著產(chǎn)能的增加，對電源設(shè)備要求的功率和能耗也不斷增加，同時(shí)將主回路轉(zhuǎn)化成多主回路并聯(lián)，解決單臺電源功率不足問題，提高加工能力，同時(shí)也增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。

2.1.5 放電回路

放電回路的核心是提供一個強(qiáng)制放電回路可以使得電壓在下降階段能迅速回路，同時(shí)限制電流的尖端效應(yīng)，降低大弧和尖峰電流的影響。

正向?qū)〞r(shí)，斬波器Q1 導(dǎo)通、Q2 關(guān)斷，I1為脈沖電流；正向關(guān)斷時(shí)，斬波器Q1 關(guān)斷、Q2 導(dǎo)通。由于微弧氧化負(fù)載具有強(qiáng)電容特性，關(guān)斷后開始向電源側(cè)放電，通過Q2 的放電電流為I2。靠控制Q1 和Q2 的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)序和K 的導(dǎo)通關(guān)斷，I2可以不完全放電和完全放電如圖4 所示。采用完全放電時(shí)，燃弧時(shí)間和冷卻時(shí)間可以通過脈沖參數(shù)精確設(shè)定，有效解決大弧放電問題。

圖4 帶放電回路的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 控制電路

電源控制電路的主要核心是以單片機(jī)、DSP、FPGA、ARM 等為主的控制芯片，也可以以PLC 作為控制核心。以控制芯片為主的系統(tǒng)運(yùn)算速度較快，但抗干擾能力較弱。要使得電源性能發(fā)揮好，首先應(yīng)考慮的是現(xiàn)場環(huán)境，若現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣電磁干擾強(qiáng)，應(yīng)考慮使用PLC 作為控制核心的系統(tǒng)。

微弧氧化控制電路的主要由主控電路、SCR 觸發(fā)電路、IGBT 驅(qū)動電路、數(shù)據(jù)采集電路、故障保護(hù)電路等組成。SCR 觸發(fā)電路用在以晶閘管為主的三相整流電路中，為系統(tǒng)提供有效的直流波形；IGBT 驅(qū)動電路將脈沖輸出的功率進(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動IGBT 功率器件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通和關(guān)斷；數(shù)據(jù)采集電路包含電壓、電流以及溫度采集，電壓、電流采集輸出端信號并傳輸至主控電路進(jìn)行對比，這是整個主控電路的核心部分，以達(dá)到恒壓或恒流的目的；溫度采集電路采集晶閘管、IGBT 等主回路器件的表面溫度，防止器件因過熱而損壞，起到保護(hù)電路的作用。

3 軟件設(shè)計(jì)

微弧氧化電源控制系統(tǒng)的核心部分就是軟件設(shè)計(jì)，軟件的運(yùn)行可靠直接決定了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。傳統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)針對采樣、PWM 和中斷及串口通信等部分，其中控制算法以PID 調(diào)節(jié)為主，然而隨著對微弧氧化成膜過程的深入了解，各種優(yōu)化控制模型逐步占據(jù)主導(dǎo)地位。

3.1 PID 算法

控制算法以實(shí)現(xiàn)恒壓或恒流為主，包含PI 調(diào)節(jié)、數(shù)字PID調(diào)節(jié)等方法。采用數(shù)字PI 調(diào)節(jié)控制，分別為電壓反饋和電流反饋。PI 算法表達(dá)式為：

其中，u（n）為PI 調(diào)節(jié)器本次計(jì)算輸出值，u（n-1）為上一次計(jì)算輸出值，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，e（n）為被控對象目標(biāo)值和采樣值之間的偏差，e（n-1）為上一次采樣偏差，比如對于恒壓特性是，e（n）為給定電壓與采樣輸出電壓之差。

3.2 模糊PID 算法

隨著氧化膜層厚度的增加，調(diào)節(jié)器的最佳調(diào)節(jié)參數(shù)也會發(fā)生變化，使用傳統(tǒng)PID 算法不具備在線調(diào)節(jié)能力，無法提供最優(yōu)化的調(diào)節(jié)效應(yīng)。針對IGBT 斬波驅(qū)動電路，設(shè)定電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙閉環(huán)模糊控制方式。

該系統(tǒng)調(diào)節(jié)由3 個階段組成：第1 階段是啟動后電流上升階段，此時(shí)電壓反饋偏差較大，電壓環(huán)相對開環(huán)狀態(tài)，電流環(huán)進(jìn)行模糊控制PID 調(diào)節(jié)輸出反饋信號給主控芯片后給IGBT 驅(qū)動電路PWM 信號，電流激增；第2 階段是恒流升壓階段，此時(shí)電流達(dá)到設(shè)定值，電壓開始逐漸升至設(shè)定值，系統(tǒng)處于電壓單閉環(huán)狀態(tài)，由電壓環(huán)進(jìn)行模糊控制PID 調(diào)節(jié)；第3 階段，電壓達(dá)到設(shè)定值后，由電流環(huán)進(jìn)行模糊控制PID 調(diào)節(jié)，電流隨膜層狀態(tài)的變化而變化。

3.3 帶預(yù)測的控制算法

微弧氧化各能量參數(shù)、溶液特性以及其他因素之間耦合作用強(qiáng)，具備高度非線性。膜層厚度是檢驗(yàn)?zāi)淤|(zhì)量的重要指標(biāo)之一，通過選擇合理的工藝參數(shù)來獲得所需膜厚對工業(yè)生產(chǎn)有重要意義。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種仿照人腦結(jié)構(gòu)及其功能構(gòu)造出來的數(shù)學(xué)模型，具有較好的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)及自組織功能。它可學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)，掌握輸入、輸出數(shù)據(jù)間的內(nèi)在規(guī)律，非常適合處理微弧氧化這類復(fù)雜非線性系統(tǒng)問題。

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是以誤差反向傳播算法為訓(xùn)練算法的多層前向網(wǎng)絡(luò)，包含正向及誤差反向傳播2 個過程，是目前最常用的一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。遺傳算法是一種模擬生物進(jìn)化論的自然選擇和遺傳學(xué)機(jī)理的生物進(jìn)化過程的計(jì)算模型，通過模擬自然進(jìn)化的過程搜尋全局最優(yōu)解。遺傳算法優(yōu)化BP 網(wǎng)絡(luò)的過程包含初始化種群、適應(yīng)度計(jì)算、個體的選擇、交叉和變異操作。

3.3.1 能量參數(shù)

利用MATLAB 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱建立GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以電流密度、脈沖頻率、占空比和氧化時(shí)間為輸入，膜層厚度為輸出，通過遺傳算法對BP 網(wǎng)絡(luò)權(quán)值與閾值進(jìn)行優(yōu)化。該預(yù)測更為精確，可在一定程度上指導(dǎo)微弧氧化工藝參數(shù)的選定和優(yōu)化，對實(shí)際生產(chǎn)具有一定的意義。

3.3.2 模糊控制預(yù)測

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立往往需要大量的樣本，尤其是多輸入多輸出模型。在減少的樣本訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，使用模糊控制可以對微弧氧化多目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以膜層厚度作為主要優(yōu)化目標(biāo)，膜層粗糙度和膜層硬度作為輔助目標(biāo)，建立電流密度、脈沖頻率、占空比和氧化時(shí)間的4 輸入3 輸出模型以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的優(yōu)化控制。

3.4 計(jì)算機(jī)模擬仿真

隨著計(jì)算方法的深入發(fā)展和過去高速計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和普及，可以應(yīng)用一些更嚴(yán)格和更全面的復(fù)雜模型，以實(shí)現(xiàn)微弧氧化全過程體系的監(jiān)視監(jiān)控，包括成膜過程的模擬仿真、在線預(yù)測分析以及電源硬件系統(tǒng)的模擬仿真。

3.4.1 成膜過程模擬仿真

基于COMSOL Multiphysics 建立微弧氧化成膜過程的有限元模型，用電化學(xué)模塊求解得到膜層在試件表面呈現(xiàn)邊角厚、中間薄，且厚度隨氧化時(shí)間的增加而增大而增厚速率逐漸減小的分布規(guī)律；電流密度在試件表面的分布與氧化膜層一致，在一定時(shí)間范圍內(nèi)，電流密度越大，膜層越厚；靠近工件邊緣位置電場線密集，形成的電場場強(qiáng)越大，膜層越厚。

通過傳熱模塊求解可知在放電通道形成后的100 μs 內(nèi)，電解液起到冷卻作用；界面在成膜過程中也起到了一定的冷卻作用；“火山口狀”孔洞的產(chǎn)生主要原因是因?yàn)榉烹娡ǖ绤^(qū)域內(nèi)各部位溫度下降速率不均衡導(dǎo)致。

通過熱應(yīng)力模塊求解可知熱應(yīng)力及應(yīng)變均主要集中于放電通道區(qū)域，并隨徑向距離和縱向深度的增加而逐漸減?。谎趸觾?nèi)部的熱應(yīng)力隨冷卻時(shí)間的延長而減小，并最終趨于穩(wěn)定，成為殘余應(yīng)力。

3.4.2 在線監(jiān)測分析系統(tǒng)

微弧氧化成膜過程在線監(jiān)測系統(tǒng)為主要數(shù)據(jù)在線監(jiān)測，包括采集電壓、電流值和電極線振動幅度、電解槽中電磁傳感器值以及微弧氧化火花放電過程的視頻信號，上傳至上位機(jī)對檢測信號進(jìn)行分析和判別，計(jì)算膜層生長狀態(tài)。通過多傳感器檢測和數(shù)據(jù)分析獲得微弧氧化進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)自動控制獲得優(yōu)質(zhì)的微弧氧化膜層和最優(yōu)工藝處理參數(shù)。

3.4.3 電源模擬仿真

通過MATLAB 中Specialized Power Systems 模型庫建立微弧氧化脈沖電源模型，對主回路、保護(hù)電路進(jìn)行模擬仿真，分析負(fù)載和IGBT 波形的變化，對微弧氧化電源進(jìn)行深度分析；改變相應(yīng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)各種電源的全數(shù)字控制、微弧氧化電源的快速設(shè)計(jì)和模擬分析。

4 結(jié)束語

微弧氧化是材料制備領(lǐng)域多因素控制技術(shù)，多參數(shù)的強(qiáng)耦合關(guān)系使得在機(jī)理研究上比較復(fù)雜，因此研究微弧氧化電源系統(tǒng)應(yīng)該從整個大系統(tǒng)考慮，包含針對工件的尺寸多樣性和數(shù)量進(jìn)行成膜過程模擬仿真得到優(yōu)化的能量參數(shù)模型，進(jìn)而通過能量參數(shù)進(jìn)行電源拓?fù)淠Ｐ秃涂刂扑惴ǖ姆抡?，最后搭建電源平臺進(jìn)行優(yōu)化驗(yàn)證，有效縮短新工藝和新設(shè)備開發(fā)周期，降低研究開發(fā)成本。

針對不同形狀的工件進(jìn)行模擬分析，找尋合適的工藝參數(shù)。找尋微弧氧化工藝階段的局限性，通過模擬仿真判斷什么電參數(shù)條件下起弧開始，什么時(shí)候電參數(shù)條件下微弧氧化變?yōu)槠茐男暂^強(qiáng)的大弧放電階段，能夠在降低起弧電壓的同時(shí)降低大弧傾向發(fā)生，提高膜層制備過程的穩(wěn)定性。膜層制備過程中，找尋合適的可監(jiān)測的參數(shù)，有效形成負(fù)反饋系統(tǒng)，降低大弧傾向發(fā)生，針對膜層質(zhì)量不斷修正模擬分析數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的效率。