用于电塑性效应研究的脉冲电源装置的研制

硕士学位论文用于电塑性效应研究的脉冲电源装置的研制DevelopmentofPulseElectricCurrentPowerSupplyUsedfortheStudyofPlasticElectroplasticEffect摘 要善工件质量。因此，在冷拔、辊压、轧制等材料加工领域，电塑性效应得到了广泛的应用。本文从电塑性效应研究的要求出发，设计了一种用于电塑性效应研究的脉冲电源装置，提供了研究电塑性效应的实验平台。进行本课题研究的必要性。然后，根据电塑性效应的电源需求，选择了移相全桥ZVZCS直流变换器来实现主电路，并搭建了主电路及其控制电路，同时，对主电路进行仿真分析，验证了设计的可行性。务。利用MicrosoftC#开发环境实现的上位机系统，使用户能够方便的实现电路参数设置、电路控制及获取电路工作波形等信息交互。流宽度两个角度出发对铝合金样品进行了拉伸实验，通过对比分析，说明了脉冲电流对材料塑性产生的影响。关键词：电塑性效应，脉冲电源，ZVZCS，人机交互华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文AbstractElectroplasticeffectcanmakethedeformationresistancereduced,thuscontributingtoincreasingtheforminglimitofthematerialandimprovingthequalityofworkpiece.So,electroplasticeffecthaswidelybeenusedinmanykindsofmaterialprocessingsuchascold-drawn,rolling.Inthispaper,followingtheelectroplasticprocessingrequirements,wedesignapulsepowersourcetoprovideaplatformforthestudyofelectroplasticeffect.Atfirst,inordertoclarifythenecessityofthisresearch,thispaperdescribesthedevelopmentofpulsepowersourceforelectroplasticeffectresearch.Then,accordingtothedemandofelectroplasticeffect,ZVZCSphase-shiftedfull-bridgeDC-DCconverterhasbeenchoosetoconstitutethemaincircuit.Afterwebuildthemaincircuitandthecontrolcircuit,weverifythefeasibilityofthedesignbyusingsimulationanalysis.Accordingtothecharacteristicsofthematerialprocessed,wealsodesignHMIsystemforthepowersource,sothatitofferbetteruserexperience.HostcomputersystemhasbeenachievedindevelopmentenvironmentofMicrosoftC#.Itallowsuserstosetparameter,controlcircuitandgetwaveformsofthecircuiteasily.Finally,aprototypeofpulsepowersourceforelectroplasticeffectprocessinghasbeensuccessfullydeveloped.Atthesametime,thecorrectnessofthedesignisalsobeenverified.illustratethepulsecurrenttakeeffectontheplasticpropertiesofmaterialbycomparativeanalysisofaluminumexperiments,whichfromcurrentdensityandpulsewidthtwosides.Keywords:Electroplasticeffect,Pulsepowersource，ZVZCS,HMI华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文目 录摘 要 IAbstract II11.1.选题背景及意义 11.2.用于电塑性效应研究的脉冲电源的发展现状 11.3.用于电塑性效应研究的脉冲电源的发展方向 31.4.本文的主要工作 41.5.本章小结 56667华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文致 谢 52参考文献 53华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文1.引言1.1.选题背景及意义电塑性效应（Electroplasticeffect）是指材料在电的作用（包括电场、电子照射、电流脉冲等电刺激）下，变形抗力降低、塑性增加的一种现象[1]。20世纪50年代，前苏联科学家Troitskii在研究表面活性剂时发现，在对涂汞的锌单晶体进行单相拉伸实验时，若受到高速电子流照射，可极大地降低材料的应变硬化速率，同时提高其极限伸长量、改善其塑性[2]。性效应应用于航空航天领域中金属钛的实际加工生产。从1978年开始，美国学者也开始对这一领域进行研究[3][4]。北卡罗莱纳州立大学HansConrad教授等研究人员系统地研究了脉冲电流对单向拉伸状态下金属流动应力的影响，从而奠定了电塑性效了各种推向与假说，但一直到现在还没有完美的解释[7]。成型极限，最终改善工件质量。因此，在冷拔、辊压、轧制等塑性加工领域将得到广泛的应用[8]~[11]。冲电源装置，并成功对铝材样品进行了电塑性效应实验，提供了研究材料电塑性效应机理的平台。1.2.用于电塑性效应研究的脉冲电源的发展现状设备中，脉冲电源普遍由分立元器件制成，其中包括脉冲发生电路、整流电路、相序控制电路，脉宽调整电路与电流放大电路，这些电路中，元器件比较多，并且精度差；同时限流电阻和电流变压器都会造成较大的能量消耗；另外，电源输出与电网存在回路，容易烧断被加工材料并造成触电事故[12]。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文源”所记录的脉冲电源电路，其电路包括三相整流电路、电感器、可控硅、电容器和脉冲变压器。这种电路结构能达到比较大的输出电流，但其输出波形常为不规则矩形波，并且脉冲上升时间与下降时间都比较长。这个弊端将导致流经加工件的峰值电流的持续时间过短，极大地降低了材料的电塑性效应，电塑性效应中电路参数对材料塑性影响的理论研究也会都到很大的影响[13][14]。的研究。燕山大学所设计的脉冲电流发生器[15]如图1-1所示。输入交流电首先经过变压器，再经过整流器并被整流成直流，而后转换变压器把小电流、大电压的直流电转换为大电流、小电压的直流电，最后输出给样品。通过在回路中串联振荡器，利用电路的截止和导通来产生脉冲电流。图1-1脉冲电源装置原理图清华大学所设计的用于电塑性效应研究的电源装置[16]如图1-2所示，主要由IGBT、晶闸管驱动电路、功率变换电路以及控制系统组成。实现功率变换，需要有初级储能电路、中间储能电路、脉冲形成电路等环节。初级储能电路将三相电网电压(380V50Hz)利用工频变压器进行电气隔离与变换，而后再利用三相桥式整流和滤波电路得到纹波较小的稳定直流电压。中间储能电路的原理是利用Buck变换电路，选IGBT作为功率开关器件并用光耦隔离驱动芯片M57962L做驱动，通过精确控制IGBT导通的时间，即可控制电容充电电压值。当IGBT导通时，初级储能电路利用IGBTIGBT华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文到储能电容中。输出，输出电流按正弦变化，而输出电压则按余弦变化。经过半个周期后，脉冲电流过零，高频晶闸管利用电压的反向峰值而自行关断。的反向恢复时间，因此将产生较大的反向电流，从而在高频晶闸管的两端将产生很高的尖峰电压，为此，将高频晶闸管与超快恢复二极管(关断时间只有几十至几百纳秒)串联使用，以消除晶闸管的关断尖峰电压以及回路中的反向电流。图1-2脉冲电源装置原理图1.3.用于电塑性效应研究的脉冲电源的发展方向随着现代电力电子技术的不断发展，为用于电塑性效应研究的脉冲电源提供了更多的可能与更高的要求。在电源设计方面，不仅要提高电源的可靠性和性能，更要减少能耗，降低成本，节约资源。在分析总结了以上几种电源设计的优缺点后，提出了今后用于电塑性效应研究的脉冲电源装置的四个发展方向。（1）控制更高速数字控制系统的应用，能实现对电源系统中的功率模块实现更高效更灵活的控制。本设计利用DSP为处理平台，研制出大功率数字化的用于电塑性效应研究的脉冲电源，主要功能包括以下三个方面：一是PWM驱动信号实现数字化输出，并具有实时显示及调节功能；二是能够针对不同的加工材料，制定不同的控制策略，保证良好的电源输出特性；三是实现与上位机的通讯，更好的人机交互与方便的远程华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文控制。（2）开关更高频率输出时，可通过并联多台变压器或者串联多个电源单元来提高总功率。但开关频率的总体损耗会随开关频率的提高而增加，从而影响整个系统的效率。损耗、开通过程、关断过程和EMI等问题，从而成为了近年来电力电子领域中研究的热点，因此在许多大功率电源中得以广泛使用。（3）交互更便捷输出参数如输出电流、输出频率、输出脉宽、电流输出时间等参数，有效的提高了工作效率。（4）系统更节能定的谐波电流，不仅会降低系统的效率，而且还会干扰其他电子设备。因此，在设计过程中，要采取多种措施，提高系统效率，实现电源装置的节能化。1.4.本文的主要工作研究的高性能脉冲电源，电源的主要技术参数如表1-1所示。表1-1电源主要技术参数输入电压3×380V±10%,50Hz±10%输出电压0~14V连续可调输出电流0~700A连续可调输出脉冲可调分辨率1ms开关频率20kHz冷却方式风冷华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文根据以上技术要求，本论文从以下几个方面开展工作。（1）首先归纳总结了用于电塑性效应研究的脉冲电源的发展现状，指出用于电塑性效应研究的脉冲电源的应用前景与发展方向。（2）主电路的电路拓扑结构为移相全桥ZVS变换电路，重点分析其工作过程及电路特征。针对电路拓扑结构，从而制定主电路元器件的参数计算和选型，并进行仿真分析验证。最后，对系统硬件方案进行设计并搭建。开发环境下，利用面向对象的C#编程语言，设计实现了应用程序，完成了用于电塑性效应研究的脉冲电源人机交互系统，改善用户体验，更好的为用户服务。（4）研制出最大功率9.8kW，输出参数为14V/700A的用于电塑性效应研究的脉冲电源样机，并进行了材料的电塑性效应实验，结合电源的主要输出波形，为研究材料的电塑性效应提供了实验基础，并具备加工生成的条件。1.5.本章小结电源装置的发展应用现状，并对其发展方向进行了分析展望。最后根据电力电子技术发展的趋势以及电塑性研究的实际技术要求，制定了设计目标——研制数字化控制、人机交互的14V/700A的用于电塑性效应研究的脉冲电源装置。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文2.用于电塑性效应研究的脉冲电源电路设计及仿真2.1电源需求分析变区域的电流密度超过某一临界值J，并且不同的材料其临界值J也不相同。同时，当材料发生形变后，其电阻值也会发生变化。如要保证在整个形变过程中材料的电流密度值不变，所需要施加的电压是变化的。因此，电塑性效应研究需要电压可调的电源。将有可能带来严重的危害，比如影响润滑剂的功能、降低材料的力学性能、影响材料的表面质量，严重时可能会烧断材料从而导致实验失败，造成实验损失或者实验事故，最关键的是高温将加剧模具的磨损，大大降低设备的使用寿命。密度值，又要尽量的减少电流发热引起的温升。最好的解决方案就是施加脉宽较窄的脉冲电流，由于电流不是持续作用，同时有较长的脉冲间隔，实验过程中的温升现象将大大降低。比发现，脉冲电流所产生的电塑性效应是最明显的。综上所述，电塑性加工需要电压、电流、脉宽和频率均可以调整的脉冲电源。2.2电源实现方案的实现方案，其电路原理图如图2-1所示。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文图2-1脉冲电源原理图电。随后，利用功率开关逆变器将直流逆变成交流方波，并利用中频变压器降压，再利用整流二极管和输出滤波电感电容，最后输出脉冲电流，用于电塑性加工与实验研究。电流密度始终在工艺要求的给定值。2.3移相全桥ZVZCS直流变换器2.3.1 移相全桥软开关技术在DC/DC全桥变换器中，由于开关管实际上并不是理想器件，开关的开通和关断都需要一定的时间，而在这段时间内，流过开关管的电流和开关管两端的电压并不为零，因此开关管在开通和关断的过程中将产生功率损耗，称为开关损耗。一般情况下，开关损耗在开关周期内是相等的，开关频率增加时，单位时间内开关次数增加，开关总损耗也相应增加，从而使得电路效率降低。软开关技术[17]是指通过控制电路从而使开关管在零电压时导通或者在零电流条件下关断，理论上开关损耗可降为零。利用谐振变流技术实现软开关是指，通过在主电路中增加小电感和小电容构成的储能元件，使得电路产生谐振，从而让开关器华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文件的电压或电流很快的下降到零，实现开关器件在零电流或零电压状态下进行开关切换。软开关技术，大大降低了开关损耗和开关应力，改善了EMI性能，使得电源可靠性得到提高[18]。移相控制零电压（ZVS）开关PWMDC/DC全桥变换器在90年代就已提出。由于其电路拓扑结构简单易实现，且实现了PWM的恒定频率控制，被广泛应用与大功率高频开关器件的场合[19]。其原理[20]~[23]是利用原边串联电感或变压器漏感和开关管外接并联电容或开关管输出电容发生谐振，在谐振过程中，储能电感向储能电容释放能量，使得电容电压时开关管即可实现零电压开通，其电路拓扑结构图如图2-2所示：图2-2ZVS电路拓扑结构其中，超前桥臂要实现零电压开通较为容易，原因是超前桥臂在开关的过程中，谐振电感（即变压器漏感Lr）和输出滤波电感（Lf）相互串联，两者共同向储能电容释放能量，并且输出滤波电感一般较大，等效为恒流源。的过程中，变压器副边短路，只有谐振电感向储能电容释放能量，电容电压一般很难降为零。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文占空比丢失，使得输出电压降低，为了输出电压满足设计要求，需要减少变压器原副边的匝数比，这种方法主要会导致以下三个问题：1）变压器原边电流变大，增加3）整流管的反向电压变大。DC/DC全桥变换器非常巧妙且有效的利用了变压器的漏感进行电路谐振，从而实现ZVS，但还是存在诸多弊端，如变压器副边占空比丢失、滞后桥臂难以实现零电压开通、原边环流较大、开关管导通损耗增加等等。2.3.2 移相全桥ZVZCS直流变换器近年来，绝缘栅双极晶体管（简称IGBT）[24]由于其耐压高、通态损耗小、成本低、功率密度高等优势，比金属氧化物半导体场效晶体管（简称MOSFET）更加适用于高压大功率场合，因此在电力电子领域中得到了广泛的应用。IGBTIGBT关断损耗，因此IGBT更适合在零电流状态下开关。IGBT关断，而滞后臂开关管实现零电流开通和关断。从而解决了零电压（ZVS）方案固有的缺点[30][31]，极大的降低了电路换流、防止变压器副边占空比丢失、提高电路效率。DC/DC全桥变换器可以利用在滞后桥臂串联二极管的方式[32][33]实现，图2-3是其电路拓扑图，图2-4是其主要工作波形图。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文图2-3ZVZCS电路拓扑结构图图2-4ZVZCS电路主要波形图华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文r在一个周期中，ZVZCS变换器共有十个工作状态，在分析时假设：(1)电路中元r器件均为理想器件；(2)隔直电容Cb足够大；(3)边匝数比[34][35]。?

L/K2,其中K是变压器原副（1）工作状态0(0~t0)，从0到t0时刻，开关管Q1与Q4导通。原边电流Ip给隔直电容Cb充电。由于输出滤波电感Lf很大，可以当作一电流源。此时，原边电流IpI0/K，其中I0为输出电流。隔断电容电压为VCb。Q1在t0Ip从开关管Q1转移到并联电容C1与C3中，同时变压器漏感Lr和输出滤波电感Lf相串联，仍视为恒流源给隔断电容Cb充电，C1电压从零线性上升，因此开关管Q1实现了零电压关断。V(t)V

(t)IP0(tt)

CCb Cb0 0CbrV(t)IP0C1 r

(tt0)

3(t)

IP0

(tt0)

并联电容C3的电压在t1时刻降为零，与开关管Q3反并联的二极管自然导通，工作状态1结束。Q3Q3和Q1之间有死区时间，此时，D3与D4导通，VAB电压为零，隔断电容对变压器绕组及漏感放电，变压器原边电流减小，同时变压器副边二极管同时导通造成变压器原边电压、副边电压均为零。由于漏感较小且隔断电容较大，在该工作状态过程中可认为隔断电容电压不变，原边电流线性较小(t))IP(t)IP0VCbp(t)/当原边电流IP降为零时，工作状态3结束。

(2-4)(2-5)IP共同分担负载电流。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文（5）工作状态4(t3~t4)，开关管Q4在t3时刻关断，此时开关管Q4中电流为零，因此实现了零电流关断。随后开通Q2是零电流开通。当原边电流反方向上升至负载电流时，该工作状态结束。（6）工作状态5(t4~t5)，此过程中，原边向负载提供能量，同时给隔直电容方向充电。输出整流二极管DR1自然关断，所有的负载电流都从DR1流过。2.4主电路设计根据上述电源实现方案的电源实现原理图，设计出如图2-5主电路拓扑结构图。图2-5主电路拓扑结构图主电路设计方案中的全桥变换电路拓扑是目前DC-DC变换电路中十分常见的电路拓扑结构，该电路的显著优点是所需开关器件的额定电压和电流较小，变换器整体效率较高。2.5主电路搭建与实现2.5.1 三相整流电路选择三相整流桥的输入电压的平均值为：Ud2.34U21.35U211.35380其中，电网侧相电压为U2，电网侧线电压为U21。

(2-6)华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文三相整流桥输入电流的平均值为：

dImaxd

(2-7)其中，最大输出功率为1.2UOIO1.2147000.9，从而整流桥输入电流Id25A，三相整流桥电流的有效值为：UIIdUU

2551519.6A3380

电压分别为：ImaxId110%21.6AUmax

2U2110%考虑到一定的备用裕量后，本设计选择了Infineon公司型号为DDB6U100N16R的三相不控整流桥，其额定电流大小为100A，额定电压为1600V。2.5.2 输入滤波电路流桥是非线性的，会使电流波形畸变，增加谐波，使得功率因数下降，整个电源的效率也会降低。为了防止波形畸变，必须进行功率因数校正。功率因数校正有两种方法，有源功率因数校正和无源功率因数校正。本设计通过电抗器和电容器构成的LC滤波电路来进行无源功率因数校正。（1）滤波电容设计直流回路中滤波电容的主要作用是减小直流母线电压波动，稳定直流母线电压，从而抑制直流母线高频电压尖峰。滤波电容如果太小，会使得直流母线电压的波动较大。滤波电容如果太大，电解电容充电过程中电流幅值就会变大，从而导致整流桥和滤波电容损耗变大，系统的功率因数也将下降，而且电源成本也会提高。10%来计算整流后直流母线电压的波动值Vpp。在本设计中，电网电压波动取10%，直流母线电压波动值为10%，华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文则：Vpp10%

23800.8510%

(2-11)

max

98001.20.9

(2-12)其中，max为电源最大输出功率，取额定功率的1.2倍。动在设计要求范围内，在一个周期过程中，存储在滤波电容上的能量WC满足下式：6fin

13067650

(2-13)一个周期滤波电容所提供的能量共为：W1C[(

)2(

V)2]C 2 in(min) ( (Vinin)C)2(Vinin) ppV)2

in(min)

pp

(2-14)(2-15)在实际设计过程中，电解电容选用了4个400V耐压5600uF电容值，并通过串并联组合最终电容值为并联了1200V容值的无极性电容，用以吸收高频尖峰电压。（2）滤波电感设计当滤波电容大小为5600uF，负载为感为左右时，滤波效果较好。2.5.3 隔直电容的选择隔直电容的电压峰值取直流母线电压的20%，即VCbp0.2，由公式(2-16)可得：I TbCpomax onb

I0/K2

(2-16)700/25 0.8550106= 103 2华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文其中，满载输出时变压器原边电流Ipomax700/2528A，为最大占空比。在通过PSIM800V较小的薄膜电容作为隔直电容，同时导通电流要在30A以上。2.5.4 滞后臂串联二极管的选择隔直电容的电压峰值取直流母线电压的20%，即VCbp0.2，其中，满载输出时变压器原边电流Ipomax700/2528A，考虑一定的裕度，滞后臂串联二极管选用额定电压为600V，额定电流为100A的APT2x100DQ60J二极管。2.5.5 IGBT选择当电网电压取最低点时(电网最大波动10%)，每个开关管上流过的电流最大：Idmax

min

120%9800 27A0.850.9515(110%)

(2-17)当电网电压取最高点时(电网最大波动Udmax

23U2110%

(2-18)其中，U2表示电网的相电压。考虑需要两倍的裕量，IGBT的额定电流应大于50A，额定电压应大于1200V。通过对比多种IGBT模块的价格以及性能后，本设计选择FF100R12KS4模块，其额定电压1200V，额定电流100A。2.5.6 中频变压器设计中频变压器是电路中的关键器件，用来实现电压变换、功率传递和实现输入、输出之间的隔离，因此其性能的好坏直接影响着输出电源的质量。20KHz的高频环境下，因此要求其高频损耗越小越好，此外中频变压器还需具有高饱和磁通密度，并且工作温度越高，饱和磁密度尽可能越低。能的降低功率损耗。中频变压器原边绕组为N1，变压器副边有两组串联的对称绕组N2、N3。变压华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文器原边输入电压的最小值为：Uinmin2.34U2(110%)2.34220(110%)其中，电网取10%的最大波动，U2为电网的相电压。

(2-19)空比Dsec(max)为0.85，则变压器副边电压最大值为：max

V VVomax D Lfmax

140.51.20.85

(2-20)其中，考虑到输出电压有10%的波动故取为14V，输出滤波电感的压降为0.2V、整流二极管导通时压降为0.5V。所以变压器原边、副边的匝数比为：KUinminmax

463.525.0518.5

(2-21)取整后中频变压器原边和副边的匝数比按照25进行设计。2.5.7 软启动电路设计当输入电源合闸时，交流电对输入整流滤波电路的电容进行充电，由于电容容量较大，此时电源如果立即输出，将会使开关管承受过大的电容电流，很可能烧坏开关管，从而影响电源的可靠性。因此，设计了软启动电路，其工作原理为让输入电压分段启动。合闸前接入限流电阻R以限制合闸浪涌电流，延时一段时间等输入电容充满点后，再将限流电阻短接。通过选取合适的限流电阻，才能使限流电阻正常发挥限流的作用。本设计中选用的限流电阻的为两个10欧的水泥电阻串联而成。当接到合闸启动命令后，需要进过一定的延时，再利用开关将限流电阻短路。开关选用LEV100-24AD大功率接触器，其额定负载电压可达到900VDC，连续过电流可达到因此不管环境如何，可在易爆/苛刻环境下工作而不发生氧化或触点或线圈被污染的问题，接触电阻都能保持稳定，该接触器被广泛的用于电池开关及备用设备、直流电压功率控制、电路保护。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文2.5.8 输出滤波电路设计（1）输出电路滤波电感的选择Imax为输出电流最大值的20%，当输出满载电流120%时，输出滤波电感电流也应该保持连续。因此有：Lfmin

Vo(1D)2fs

Vo2fs)maxV VK Lf D= 14 14 )22010310%700实际设计时，滤波电感取值为。（2）输出电路滤波电容的选择

515110%25

1.20.5

(2-17)按照技术指标的要求，输出电压的纹波要VV10mV，输出滤波电容的取值为：

小于1%，实际设计中取CQ(1D) )8(2fs)

LV

8(2fs)

LVmax 2 2K

(2-18) 14 14 )8(40103)5106102

515110%25

1.20.5其中，L为滤波电感，fs为开关频率，电压波动取2只电容值为3300uF、耐压为400V的电解电容并联使用，总滤波电容值为6600uF。2.6控制电路搭建与实现2.6.1 DSP控制系统硬件设计数字信号处理器(digitalsignalprocessor)芯片是工业自动化控制系统中使用最多可以进行高速乘法和加法运算。DSP芯片大多采用了特殊的硬件结构和软件指令，包括多处理单元专用硬件乘法器、哈佛结构、快速的指令周期、流水线操作以及可靠的仿真开发技术。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文利用DSP的控制系统在设计上更简单而且有很好的适应性，因此在工业上有着广泛的应用，特别是一些有着复杂的控制算法并且有大量的信号和数据需要处理的场合中。TMS320F2812是美国德州仪器公司2000频率达到150MHz，可进行32位定点运算，高速的信号处理能力能够保证系统控制响应的快速性和实时性。它不仅有良好的数字信号处理能力，而且又有强大的时间管理能力以及嵌入式功能。TMS32OF2812CPU之间利用总线进行数据交换。这种多总线结构的形式使其可以在一个周期内同时完成取指令、读数据和数据操作。程序读总线共有22根地址线与32根数据读写总线。流水线指令处理技术，使得其信号处理速率进一步提高。TMS32OF2812的主要资源与接口如下:（1）F2812时钟周期达6.67ns，系统主频高达150MHz。（2）DSP有着低功耗，核心电压为1.8V，接口电压为3.3V。1612位的A/D（4）拥有和EVB两个事件管理器，系统控制方式更加灵活。（5）有着丰富的中断资源，可支持45个外设级中断与3个外部中断。FLASH为SARAM为1M的外部存储器。（7）一共有多达56个可编程、可复用的输入/输出口。（8）有三个系统定时器和两个事件管理器定时器，实现精确的时序控制。2.6.2 驱动电路设计驱动电路的主要作用是对PWM脉冲驱动信号进行放大，使其有足够的驱动能力，同时有着隔离控制电路与主电路的作用，并能采集故障信号。驱动电路质量的好坏，直接影响开关管的速率，因此驱动电路的设计是整个电源设计的关键之一。设计时需要考虑以下几个主要因素：在逆变电路中一共有4个IGBT4计方案中采用了M57962L型集成模块来构成驱动电路。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文M57962L有2500V的隔离电压，能驱动IGBT模块参数达1200V/200A，同时有短路保护和过载保护，由接口电路、光电隔离电路、保护电路和驱动电路四个部分组成，如图2-6所示。图2-6M57962内部框图集成驱动芯片M57962L的外围电路设计如图2-7所示。当输入PWM信号为低电平时，驱动芯片输出+15V电平，从而开通IGBT；当输入PWM信号为高电平时，驱动芯片输出-9V电平，从而关断IGBT。当电路出现过流现象时，启动短路保护电路，封锁该驱动电路，驱动芯片8端口输出低电平故障信号。图2-7M57962驱动电路华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文2.6.3 采集调理电路设计行比较。如果采样频率过小，输出的开关信号可能会丢失，从而导致开关管错误的开关和关断，输出电压的谐波将增加，电源质量受到影响。增加采样频率可以使得系统快速响应，改善电源输出特性，但如果采样频率过高，采样电路对DSP计算速度的要求也越高，因此系统的采样频率要综合考虑各项因数后综合选择。实际应用中，为了节约成本，降低对系统硬件配置的要求，对电压电流信号的采样一般以比较低的采样率来实现。电阻存在损耗，并且没有电气隔离，利用电流霍尔传感器既能有较高的精度而且能实现电的隔离。本方案选择HAS1000-S型电流霍尔传感器。采用±15V电源供电，满量程可测量1000A电流，对应输出电压为4V，线性误差<±1%，测量误差<±1%，带宽达0~50kHz，可以满足系统需求。电流霍尔传感器的反馈调理电流如图4-5过RC滤波，然后进入跟随电路，最后再进入A/D转换芯片。电路中加入稳压二极管的目的是为了防止电压信号超过芯片量程，电流调理电路如图2-8所示。图2-8电流调理电路本方案选择型电压霍尔传感器，其额定电流为尔磁补偿工作原理、可测量AC、DC，脉冲电压及小电流。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文电压霍尔传感器的反馈调理电路如图所示。传感器输出电压信号，首先通过RC滤波，然后进入跟随电路，最后再进入A/D转换芯片。电路中加入稳压二极管的目的是为了防止电压信号超过芯片量程，电流调理电路如图2-9所示。图2-9电压调理电路2.6.4 温度采集模块密度很大，一方面对被加工材料施加的脉冲电流值比较大，另一方面材料的宽度较窄从而导致材料电阻变大，综合这两方面的因素。在实验过程中材料有比较大的温有必要对样品的温度进行实时监控，防止出现样品过热现象。图2-10MAX31855内部框图华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文IEC国际电工委员会所采用的现代热电偶标准化处理数据库NIST型热电偶的测温范围为-200℃到+1370℃，相应的输出电压从-5.891mV到+54.819mV，但是输出电压作为测量温度的函数会呈现很高的非线性。一般应用中，如果不对电压-温度函数进行适当的补偿，K型热电偶测温的非线性误差可能会超过几十摄氏度。MAX31855芯片内置14位模/数转换器，同时具有冷端补偿，是热电偶专用的A/D芯片。MAX31855芯片后台始终执行以下三项操作：外部热电偶温度转换、内部冷端温度转换以及热电偶故障检测。其电路图如图2-10所示。2.6.5 串口通信电路本方案中TMS320F2812的串口通信是基于串行通信接口模块SCI模块能支持CPU芯片与使用标准格式的异步外设的数字通信。SCI的发送器和接收器都是双缓冲，而且有独立的使能标志位和中断标志位，并且传输的数据长度也是SCI模块发送和接收数据的过程如下：首先将发送唤醒位置为1，然后将需要发送的数据写入到发送缓冲寄存器SCITXBUFSCITXDA引脚将数据从低位到高位依次发出；当接收数据时，数据按顺序进入SCIRXD引脚，并由接收缓冲寄存器SCIRXBUF保存，供CPU读取数据。一般来说，电脑的串口为RS-232电平，而DSP芯片的串口为TTL电平，因此需要一个电平转换电路进行转换，通常采用MAX232芯片，其电路原理图如图所示。图2-11MAX232电路原理图华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文2.6.6 保护电路的设计脉冲电源装置在工作过程中不可避免的会出现各种干扰和突发情况，所以有效可靠的故障保护电路极为重要。电源装置常见的故障有负载过流、母线欠压、母线过压、IGBT过流、元器件过热等如图2-12。过热故障信号，一般用于当电源装置满载输出时，电路中各部分功率较大，发热现象严重，温度升高，此时对电路中的功率器件、变压器以及电子元器件的正常工作都会有影响。解决方案是，在主要发热器件的附近安装热敏电阻用以进行温度保护，当温度超过一定的预设值时向系统发出过热故障信号。IGBT过流信号，一般发生在控制电路或者驱动电路收到外部的干扰而误动作，从而导致IGBT桥路发生直通现象，最终导致的IGBT过流故障。图2-12故障采集原理图压故障、负载过流故障和器件过热故障，LM393比较器将输出高电平从而使光耦动作，然后将低电平输出到CPLD的IO口，最后CPLD根据输入故障信号，产生中断指令到DSPPWMLED护电源装置的目的。2.7主电路仿真分析电子应用的设计更加简单高效，成为了解和掌握电力电子技术不可或缺的工具。PSIM是为电力电子以及电机控制等领域专门设计的仿真应用软件。PSIM具有华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文电力电子电路的解析等[36]。PSIM有着非常简单易懂的GUI个电路元器件时基本不需要参考说明书。用户可利用简单的仿真知识就可将初步设计的电路图通过PSIM进行仿真分析[37][38]。2.7.1 PSIM仿真电路搭建本设计的仿真电路图如图2-13所示，其中电路的具体参数如表2-1所示：表2-1电源主要技术参数母线输入直流电压超前臂开关管并联电容C5C630nF变压器匝数比N1N21隔直电容Cb变压器原边漏感开关频率fs20kHz输出滤波电容Cf输出滤波电感Lf负载RL20m图2-13主电路PISM仿真原理图华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文为了使得仿真结果更接近实际情况，需要考虑电路中元器件的非理想性。（1）IGBT。本设计所使用IGBT模块(Q1Q2Q3Q4)为FF100R12KS4，查看其芯片资料可知。PSIM中配置如表2-2所示。表2-2IGBT模块PSIM参数配置饱和压降(Staturation3.2V导通压降(DiodeThreshold5.5V内部电阻(DiodeResistance)2.5ΩPSIM软件配置（2）滞后臂二极管。本设计所使用的滞后臂二极管型号为看其芯片资料可知，其正向导通压降(DiodeThreshold1.6V，PSIM中配置如表2-3所示表2-3滞后臂二极管PSIM参数配置导通压降(DiodeThreshold1.6VPSIM软件配置华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文（3）死区时间与移相角设置。由于开关管的开通与关断都需要一定的时间，因此要设置一定的死区时间。死区时间的选择一方面要能够避免IGBT桥臂直通的要求，另一方面应当要尽可能小以确保电压源型逆变器的正确运行。系统死区时间可利用下式求出：tdead_off_max_on_min)1.2

(2-19)其中，_off_max表示开关管最大关断延迟时间，_on_min表示开关管最小开通迟时间。电路中IGBT驱动PWM信号利用了PSIM中的开关驱动模块（GatingBlock）来实现，通过设置对其开关点数和开关点的设置可以方便的实现桥臂的死区控制及移相角控制。表2-4为PWM驱动模块配置，图2-14为4路PWM驱动信号波形。表2-4PWM驱动模块PSIM参数配置开关频率(Frequency)20kHzPWM驱动模块(Q1)PSIM软件配置PWM驱动模块(Q2)PSIM软件配置华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文PWM驱动模块(Q3)PSIM软件配置PWM驱动模块(Q4)PSIM软件配置图2-14PWM驱动信号波形图2.7.2 仿真结果分析（1）输出电流和电压波形图2-15为电源带20m负载时，输出电流I(RL)和输出电压VO的波形图。其中华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文电流的平均值为697.55A，电压的平均值为13.95V，并且波形良好验证了滤波电路的效果，达到设计目标（电流700A、电压14V）的要求。图2-15输出电流与电压波形图（2）超前桥臂IGBT波形图2-16为超前桥臂IGBT开关管的波形。PWM1为驱动波形，VQ1为IGBT两端电压，可以看出，开关管实现了零电压开通以及近似零电压关断。图2-16超前桥臂主要工作波形图（3）滞后桥臂IGBT波形图2-17为滞后桥臂IGBT开关管零电流开关波形，PWM3为驱动波形，I(Q3)为IGBT为IGBT两端电压，可以看出，滞后桥臂在开通与关断时刻华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文电流均为零，实现了零电流开关。图2-17滞后桥臂主要工作波形图（4）变压器原副边波形图2-18为变压器原边电流和电压波形，以及副边电压波形，变压器原边电流降为零后将会保持零值一段时间才方向增加，以保证滞后桥臂开关管零电流关断。图2-18变压器原副边波形图华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文零电压零电流（ZVZCS）PWMDC/DC全桥变换器的设计方案。2.8本章小结键的器件参数进行详细的计算。最后，为电路进行仿真分析，从而验证了设计的可行性和正确性。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文3.用于电塑性效应研究的脉冲电源人机交互系统设计人机交互(Human–ComputerInteraction简称交互关系的学问，可以是用户与机器的交互，也可以是用户与计算机系统及软件的交互。人机交互界面是用户与系统交流的平台[39][40]。来越强大，为人机交互的发展提供了良好的平台。本设计采用了两种方法人机交互的设计以适应多样化的运行环境：一、简单的硬件输入输出人机交互界面，其中LED作为显示电路，键盘作为输入电路，特点是简单方便容易实现，且开发成本低，开发时间周期短，应用于对电MicrosoftC#开发语言，并针对电源装置的需求，开发应用程序。其特点是功能强大，可扩展可兼容，操作方便，配合通信系统能实现远程操作；不足是开发时间成本高。3.1交互需求分析交互系统是电源装置的一部分，其主要功能是与下位机系统进行通信，发送命令并交换数据，并能实时了解电源系统的工作状态。3.1.1 功能需求（1）可视化操作界面。界面语言为中文，符合中国人的操作习惯和操作要求。开发界面以窗口为单位，使得界面简单直观并灵活多变。（2）图形表现形式。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文用颜色的改变等手段来增加画面的动态效果；在曲线、表格等对象定义相对应的状态属性来实现相应的动画效果。（3）通信功能。设置命令；二是上位机系统与下位机系统在工作过程中的数据交换，达到数据的实时性，其中包括输出电流和输出电压的波形。三是从下位机系统发送给上位机系统的控制反馈，其中包括连接请求、连接中断、电源模式等等。此外，系统通信能够支持RS-485/RS-232、TCP/IP、Modem等多种通信体系结构，方便根据应用环境的不同更好的适应[43][44][45]。（4）数据保存功能。比对。3.1.2性能需求（1）正确性确，满足用户使用需求。（2）可靠性互的可靠；保证存储数据的正确；当系统长时间工作时，能及时应对连接中断等故障。（3）可扩展功能模块。（4）健壮性在运行过程中能够允许不影响主要功能的错误，并能快速题型错误以及处理错误。（5）简洁性华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文系统界面简洁易懂，并能提供相应的帮助书名；界面友好。3.2硬件人机交互设计3.2.1 键盘输入电路界面进行参数输入时，需要数字键0~9、确定、返回、上下左右共十六个按键，因此采用4*4行列式键盘，采用扫描法进行程序编制行列式键盘的特点是：端线分为行线和列线，按键跨接在行线和列线上，当有键按下时，行线和列线就会出现短路现象，此时说明该键已经按下，而按键的防抖动功能由软件部分实现，电路如图3-1所示。图3-1键盘电路原理图3.2.2 LED显示电路出电流、脉冲频率，脉冲宽度、脉冲输出时间、烧结模式等烧结参数，以及电源的工作状态。键盘输入电路则用来控制电源通电、烧结开始、烧结停止、参数增减、参数显示等功能。数码管显示电路如图3-2所示。MAX7219采用串行方式与DSP的SPI模块进行通信。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文图3-2数码管电路原理图3.3软件人机交互设计信息交互更加方便、可靠。操作简单、信息显示清晰而有条理，操作者能快速得到需要的信息。3.3.1 系统设计置系统参数、显示系统运行状态等。整个交互系统的框架如图所示。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文图3-3交互系统框架图电源装置人机交互系统包括以下几个部分：（1）串口通信模块：上位机软件通过电脑的串口与下位机系统进行通信，实时交换指令与数据，控制电源输出。（2）实时数据曲线：串口接收到下位机系统发送的实时电压电流数据，并绘制成曲线波形。（4）数据存储：能够将本次实验波形数据存储起来并保存为TXT多次实验分析提供保障。（5）通信状态显示：实时显示系统通信状态，各条命令的发送及执行状态，操华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文作者可通过这个窗口实时了解各条命令的状态，有效的防止系统误操作。3.3.2 软件开发环境C#(Csharp)是基于.NET框架，同时面向对象的一种高级编程语言。C#吸收了C语言以及Basic新性，在保持了C语言表现形式的同时，能够实现应用程序的快速开发[46]~[48]。MicrosoftC#2008是微软公司开发的C#编程语言规格之集成开发环境使用者接口，并与一个图形化的集成开发环境打包在一起，并且支持基于Windows的应用程序的快速开发。C#编程语言主要特点如下：（1）语法简明。区别于C++中伪关键字和表示符号，C#编程语言使用统一的操作符，简洁、方便。（2）面向对象设计。按照面向对象的思想进行设计，包含继承、封装与多态等特性。（3）与紧密结合。利用web服务模型与web应用程序开发模型，使得网络编程的开发本地化。针对内存管理的垃圾收集机制，使其能避免错误，安全性能大大提高。口的方式等，从而保证了复杂软件的开发和升级。样化。C#编程语言在C++编程语言的基础上有许多改进，两者有以下一些主要区别：（1）C#默认只编译中间语言代码，执行时再临时编译成本地代码；而C++则直接把代码编译成本地可执行代码。（2）C#利用垃圾回收机制自动回收不需要使用的内存空间；而C++则需要主动删除分配给堆的内存空间。（3）C#利用对类的引用，不需要再使用指针；而C++需要大量使用指针。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文（4）C#将字符串作为基本数据类型对待的；而C++对字符串处理更为复杂。（5）C#依赖.NET的基类；而C++则依赖标准库。C++则可以多继承。C#编程语言和Java编程语言相比也存在很多不同点与改进之处。Java的代码的运行环境JRE只限于Java本身使用。C#的代码运行环境能够支持多种语言。另外，运算符的重载、装箱和封箱、隐藏都是C#具有而Java所不具备的功能。3.3.3 串口通信模块令，下位机向上位机发送状态数据。由于这些信息都具有实时性，因此必须保证通信质量。而要保证系统的通信质量，就需要制定可靠并且高效的通信协议。HDLC是通信协议具备高效的传输性能，并且简单、效率高。通过把面向比特的HDLC通行协议改进为面向字节方式，从而大大提高了传输效率，比ASCII码的传输效率提高了接近50%。（1）协议帧格式HDLC(High-LevelDataLinkControl)是一种面向比特的串口通信协议，其每一帧的格式如表3-1所示。表3-1面向比特的帧格式开始标志长度控制数据帧校验结束标志7F(8bits)(8bits)(8bits)(Anybits)(16bits)7F(8bits)HDLC创建同步过程是通过以帧为格式的信息传送，每一帧都有一个开始标志(BeginMark)和结束标志(End0x7E(即发送端按比特发送给接收端，数据信息中很可能含有与一样的字节，为了防止将其误判断为数据帧的开始标志或结束标志，协议规定：01111110字节为标志5个1只有连续6个1的才会被判定为标志位。通过这个规定，传输过程保证了数据信息读取的正确性以及可靠性。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文根据HDLC3-2所示表3-2面向字节的帧格式开始标志地址控制数据帧校验结束标志7F(1Byte)(1Byte)(1Byte)(nByte)(1Byte)7F(1Byte)(Data)表示传送的数据，可以是任意n个字节。帧校验位(CheckSum)等于该帧所有字节的累加和，用来校验数据帧在传输过程中是否发生错误。数据帧的开始标志和结束标志的作用如下：如果通信过程中某一段数据出现了问题，后一帧的数据传送并不会受影响。开始标志(BeginMark)和结束标志(EndMark)分别占用一个字节，所以取值范围可从0x00到0xFF，这里取为0x7E。同样的，按照HDLC的方法找出其他数据中与开始标志和结束标志相同的数据，防止其打乱数据帧。在发送数据之前，将开始标志和结束标志用0xFD加0x01来代替，而其他数据中的0x7E则用0xFD加0x000xFD及其后一位来判断是否为开始标志或结束标志。（2）串口通信协议信的格式以及通信的命令，让上位机和下位机都能知道对方有何请求以及相应数据的含义。本设计的一部通信链路层格式为38400，8，N，1，即38400bps的比特率，共8位数据位，无奇偶校验位，有一位停止位。基本的数据帧格式为：其中，帧同步字符Mark为0xE0；Length为数据长度n；Command为命令，用来表为数据内容，共n个字节；Check为累加和从Length到Datan-1。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文为命令报文。反之，称为响应报文。表3-3报文格式命令命令类型报文类型数据注释总开关控制控制1AXX：01-闭合，00断开响应A1工作模式设置控制A2MT1T2P1P2N1N2M:工作模式0-直流，1脉冲T1T2:工作时间：0为不限时P1P2:脉冲模式时开通时间N1N2:脉冲模式关断时间响应2A调节参数设置控制A3TP1P20-自动调节，1人工调节示占空比(0~100)响应3A触发控制控制A4XX：01-启动，00停止启动需等待软启动开关闭合之后才能发此命令响应4ARARBX未设置参数时会返回此结果参数查询控制5AAA55响应A5S1EIVNi1v1i2v2…iNvNS1:工作状态(每位一个开关0软启动开关，2触发启动)E:故障状态(暂时没用)I:电流，2字节字节N:录波数据个数，2字节ix:电流数据，2字节vx:电压数据，2字节注：ix为0x8000应的vx个点离上一点的时间间隔故障复位控制6AAA55响应A6泄能复位控制7AAA55响应A7RARB未设置参数时会返回此结果华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文3.3.4 实时数据曲线模块的获取系统的信息。Zedgraph是利用C#语言编写的新型开源类库，能够基于任意数据集创建多种二维图形图像。该模块可以显示数据步长、数值范围、数值单位等信息，并能在一张图表内显示多个数值范围、多个坐标轴以及多种单位。表3-4Zedgraph配置属性华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文3.3.5 软件程序流程图（1）主程序流程图主程序流程图如图3-4第二，通过上位机软件设置电源输出参数，并选择相应的输出模式。第三，进入待机状态。当接收到开始触发命令后，触发IGBT，输出脉冲电流，根据需要对输出电流进行PI反馈控制。当设定的工作时间结束后，再次进入待机状态。系统在工作过程中，如果发生故障，则立即闭锁驱动电路，进入待机状态，只有故障排除后才能重新进行实验。图3-4主程序流程图华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文当电源装置在运行过程中，发生负载过流故障、母线过压故障、母线欠压故障、过热故障以及IGBT过流故障时，保护电路会立即发出故障信号到DSP芯片的PDPINTA引脚，形成不可屏蔽中断，程序进入中断服务程序，一方面关闭PWM模块，立即关断IGBT；另一方面，点亮对应的故障LED灯，发出警报，安全可靠的保护设备人身安全，故障保护流程图如图3-5所示。图3-5故障保护流程图3.4人机交互系统的实现图3-6为用于电塑性效应研究的脉冲电源控制软件界面，华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文图3-6软件主界面图（1）首先要保证上位机软件与下位机控制系统连接正常，随后系统会连接，如及数据交互。脉冲关断时间。（3）设置调节参数，输出占空比大小。（4）闭合总开关，将闭合输入电源的断路器，此时下方状态栏会显示该命令执正确动作。启动开关”状（6）开始触发输出，当系统软启动结束后开始按照设置参数的要求进行输出，此时，输出波形图将实时显示输出电压和输出电流的波形，同时电流、电压文本框华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文（7）停止触发输出，按下后电路立即停止触发输出，开关管全部闭合。（8）断开总开关，按下后电路立即断开输入电压断路器，切断电源输入。（9）泄能，按下后电路开始继续触发一段时间，将电路中的剩余能量泄掉。同时，电路无法继续工作，直到故障排除。3.5本章小结先阐述了人机交互系统的功能需求以及性能需求。其次重点详细介绍了软件人机交互系统的设计与开发，包括串口通信模块，实时数据曲线模块，以及软件的主程序流程、故障中断服务流程进行了说明。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文4.实验结果及分析4.1脉冲电源测试电源装置由控制电路、驱动电路和主电路三个部分组成。在进行整机调试之前，第一步调试控制电路，编写DSP程序和CPLD程序，测试观察驱动信号、A/D采样以及上位机通信等功能。第二步调试驱动电路，产生4路移相PWM信号并输出到驱动电路用以驱动IGBT，并观察驱动信号的质量，波形是否正确、有无杂波。第三步，利用三相调压器将电网三相380V否正常，直至负载电流达到700A，接着，设置不同的脉冲频率和脉宽，再对驱动信号波形和输出电压电流波形进行观察。原边部分有三相整流桥和输入滤波电感及输入滤波电解电容，还有两个IGBT模块、串联二极管、串联二极管、隔直电容。变压器的副边部分有输出滤波电解电容及电感、输出整流二极管，主电路安装图如图4-1。图4-1主电路模块华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文图4-2为脉冲电流输出电流为100ms，关断时间为100ms）时，输出电流与IGBT驱动信号波形。CH6为测量输出电流的电流互感器波形，其变比为250A/1V，此时电流大小为出电流波形平整，并且能够有效开通与关断。图4-2输出电流与IGBT驱动信号波形图图4-3室内温度时间曲线华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文图4-3为利用温度测量模块对室内常温进行测量的温度时间曲线，从图中可以看程中，材料温度一般有100~200℃，在这样的条件下，精度达到所需的要求。4.2电塑性实验分析本实验所用的样品为中国铝业公司定制的A5083铝合金，样品的外形与尺寸如图4-4所示，其有效拉伸区域宽度为2.75mm，长度为55mm，厚度为1.32mm。图4-4铝合金样品尺寸结构图图4-5力学性能拉伸实验示意图华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文首先对没有施加电流的样品进行力学性能拉伸实验，实验示意如图4-5到拉伸曲线作为参照，再对样品施加不同的脉冲电流用来分析对比脉冲电流对材料塑性的影响。实验中用到的力学性能拉伸试验机以1.25mm/min的速度对样品进行150N度，知道样品被拉断。零电流状态下，样品的拉伸强度为340.00MPa，最大伸长率为16.68%，样品温度为室温。4.2.1 电流密度对材料塑性的影响对材料塑性的影响。在拉伸过程中每20s施加到样品上一个1s脉宽的脉冲电流，分别对样品施加脉冲电流大小分别为145.2A、181.5A、217.8A，此时流过样品中的脉冲电流密度分别为40A/mm2、50A/mm2、60A/mm2。其拉伸曲线及实时温度曲线如图4-6所示。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文图4-6对样品施加不同电流密度时拉伸曲线及温度曲线通过拉伸曲线，可以看出每次对样品施加脉冲电流时，样品应力会有明显减少，当电流密度为零时，应力再次回升，40A/mm2、50A/mm2、60A/mm2三种电流密度对应的样品应力平均每次减少52.65MPa、88.29MPa、120.06MPa，对应的样品伸长率分别为18.33%、19.98%、26.96%，对应的样品最高温度分别为47.62℃、79.61℃和110.34℃。4.2.2 脉冲宽度对材料塑性的影响度为60A/mm2、脉冲周期为20s，脉冲宽度分别设置为0.5s、1.5s、2s，其拉伸曲线及实时温度曲线如图4-7所示。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文图4-7对样品施加不同脉冲宽度时拉伸曲线及温度曲线结果表明，样品中的流动应力平均减少分别为61.90MPa、150.96MPa和181.40MPa，而相应的样品伸长率分别为17.26%、32.93%、23.23%，样品对应的最高温度分别为38.53℃、176.08℃、184.51℃。由此可见，脉冲电流宽度也会对材料塑性产生影响，但不是越宽越好。4.3本章小结电流输出波形，验证了设计的正确性。随后从脉冲电流密度与脉冲电流宽度两个角度出发对铝合金样品进行了拉伸实验，并对不同条件下的拉伸曲线及温度曲线进行对比，说明了脉冲电流对材料塑性产生的影响。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文5.总结与展望工的实际需求提出的。参考了国内用于电塑性效应研究的脉冲电源的发展方向后，提出了移相全桥ZVZCS了人机交互软件，使本电源操作更简单方便。通过对铝合金样品在不同条件下的拉伸曲线进行对比，说明了脉冲电流对材料塑性产生的影响。该用于电塑性效应研究的脉冲电源装置操作方便可靠，各项指标达到较好的效果。本文的主要工作以及研究成果包括：（1）分析了移相全桥ZVZCS直流变换器的工作过程，通过在滞后桥臂串联二极管的方法，使得超前臂开关管实现零电压开通和关断，而滞后臂开关管实现零电流开通和关断。从而解决了零电压（ZVS）方案固有的缺点，极大的降低了电路换流、防止变压器副边占空比丢失、提高电路效率。（2）根据电源需求，完成了电源主电路器件的参数计算及选型，以及基于TMS320F2812处理器的控制电路的搭建与实现，并通过PSIM对主电路进行仿真，验证了参数计算的正确性。（3）研制了用于电塑性效应研究的脉冲电源装置的样机，对铝合金进行了拉伸实验。通过对比不同条件下的拉伸曲线，验证了电塑性对材料性能的影响，同时电源系统也达到了预期要求，为电塑性的实验研究及材料加工提供了一个平台。进和进一步的完善：IGBT的开关频率，提高系统的稳定性及抗干扰能力。（2）死区补偿方法，PWM电压型逆变器的输出电流波形畸变存在的主要原因是死区时间。单个PWM周期内死区时间所引起畸变虽然微小，但经过积累就会对输出电流波形产生较大的影响，降低了基波幅值，改变了低次谐波的含量。因此，死区的补偿方法需加以进一步研究。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文致 谢在论文完成之际，我要衷心感谢导师韩小涛教授对我在课题上的精心指导以及在生活上的关心与照顾。韩老师严谨的治学态度、宽厚无私的品德和博大的胸怀永远是我学习的榜样，使我受益终身。另外，我还要感谢施江涛老师、谢剑锋老师和谌琪老师，他们在工作上和学业上对我的帮助。在此，向各位老师致以最真心的谢意！本论文的顺利完成离不开实验室的姚磊同学、黄澜涛博士、秦成同学、杨瑞博士的悉心指导和帮助，借此机会表示我衷心的感谢！此外，我还要感谢丁鹏程师兄、熊益多师兄、蔡莹师姐、以及张贝、周信、牛垣绗、卢波、段新宇，感谢他们在我整个研究生的工作学习过程中所给予的无私帮助。最后感谢我的父母和亲人，感谢他们在生活上对我的无私关怀，感谢他们在精神上对我的不断鼓励！华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文参考文献唐国翌，姜雁斌，崔敬泉．电致塑性拉拔及电致塑性处理技术的应用[J]．冶金设备，2008,6(3):63-66.bytheofaSciEngA.75,37(1985).CFofontheinNb[J].ScriptaMetall,1989,23(1):151-155.YofintheofpolycrystallineNaCIatelevatedtemperature[J].ActaMater,1998,46(6):1963-1968.Okazaki,M.ontheinmetals.ScriptaMetall.13,277(1979).Z.A.ofongraingrowthinCu.ScriptaMetall.24,359(1990).33(9):35-37.[9]ZhuohuiXu,GuoyiShaoquanTian.Researchofelectro-plasticrollingofAZ31Mgalloystrip[J].JournalofMaterialsProcessing2007,(182):128-133.[10]王俊．Crl8Ni9不锈钢丝和T7钢丝电塑性拔制研究[D].北京：清华大学材料学学科硕士学位论文，1999:11-20.姚可夫，余鹏，郑明新，等．HOCrl7Ni6Mn钢丝电塑性拉拔的研究[J].金属学报，2000,36(2):630-633.[12]1989-08-30.[13]王乃灿，王涛．电塑加工脉冲电源：中国，CN2476358[P].2002-02-13.[14]茅建华，蔡希洁．高重复率合成脉冲电源：中国，CN1055093A[P].1991-10-02．华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文[15]李大龙．电塑性效应对金属流动应力的影响机理及实验研究．燕山大学硕士学位论文，2005:8.[16]朱志明，纪圣儒，周雪珍，等．用于金属拔丝的调频调幅大电流窄脉冲电源．清华大学学报，2007,24(5):2943-2947.[17]王聪．软开关功率变换器及其应用[M].北京：科学出版社，2000.[18]路秋生．开关电源技术与典型应用[M].北京：电子工业出版社，2009.[19]EunSooKim,KeeJoe,MoonHoKye,HoKim．Animprove