用于金属凝固过程的电源及其控制系统 【技术领域】
本发明涉及用电场或磁场控制的熔体凝固法的装置及其控制系统。
背景技术
电场和磁场对金属凝固过程的作用机理有其特殊性，脉冲电场对金属的凝固过程及其凝固组织具有良好的孕育作用，在合适的电参数下可使晶粒细化，材料的组织形貌得到明显改善。目前大多采用由R-L-C电路构成的电压型准脉冲电源，它的波形不规则、电流幅值不稳定、脉冲宽度和频率都不能连续调节和控制，运用这类电源很难对金属合金凝固过程进行准确控制和分析。
【发明内容】
本发明的目的是使电流幅值自动维持恒定，脉冲宽度和频率连续可调，脉冲电流可在单极性和双极性之间进行转换。
本发明是用于金属凝固过程的电源及其控制系统，在金属液中通入脉冲电流，本发明的电源是由三相全控整流桥电路(1)、直流滤波器(2)、单相逆变桥电路(3)、脉冲变压器(4)、脉冲电流检测器(5)、计算机控制单元(6)组成，三相交流电经三相全控整流桥电路(1)后变为电压可控的直流脉动电压，再经直流滤波器(2)变为直流电压，通过单相逆变桥电路(3)成为脉冲电压，再经脉冲变压器(4)、负载(4′)后变为脉冲电流，由脉冲电流检测器(5)进行检测，并将检测量反馈至计算机控制单元(6)进行控制。
脉冲电流检测器(5)为霍尔电流传感器。三相全控整流桥电路(1)是由6只晶闸管(4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6)组成的全控整流桥，直流滤波器(2)由电容器(2-1、2-2)组成，单相逆变桥电路(3)是由4只绝缘双极晶体管IGBT(V1、V2、V3、V4)构成的H型单相逆变桥。
由裸铜排平面并行式的功率母线(7)将三相全控整流桥电路(1)、直流滤波器(2)、单相逆变桥电路(3)、散热器(8)组合在一起。
计算机控制单元(6)包括一个算法学习器(6-1)，一个基于误差反向传播(BP)神经网络(6-2)，一个PID控制器(6-3)，脉冲电流的给定值输入与电源反馈回来的实际值经比较产生的偏差值分别输入给算法学习器(6-1)、基于误差反向传播(BP)神经网络(6-2)、PID控制器(6-3)，算法学习器(6-1)同时采集电源的实际脉冲电流值，经处理后输入给基于误差反向传播(BP)神经网络(6-2)，基于误差反向传播(BP)神经网络(6-2)将PID控制比例系数、PID控制积分系数、PID控制微分系数输入给PID控制器(6-3)，由PID控制器(6-3)给电源发出控制信号。
本发明的有益之处为：本发明克服了现有脉冲电源的波形不规则、电流幅值不稳定、脉冲宽度和频率都不能连续调节和控制等缺点的新型高能脉冲电源，该电源的输出为矩型脉冲电流波形，其幅值不会随负载和其它参数的变化而改变，自动维持恒定；脉冲宽度和频率都连续可调；脉冲电流可在单极性和双极性之间转换。
【附图说明】
图1所示为本发明的构成框图，图2为本发明电源的主电路图，图3为本发明功率母线装配图，图4是本发明控制系统的结构图，图5是本发明地主程序流程图，图6是初始化子程序流程图，图7是电流采样子程序图，图8是PID调节子程序图。
【具体实施方式】
如图1所示，本发明是用于金属凝固过程的电源及其控制系统，其电源是由三相全控整流桥电路(1)、直流滤波器(2)、单相逆变桥电路(3)、脉冲变压器(4)、脉冲电流检测器(5)、计算机控制单元(6)组成，三相交流电经三相全控整流桥电路(1)后变为电压可控的直流脉动电压，再经直流滤波器(2)变为直流电压，通过单相逆变桥电路(3)成为脉冲电压，再经脉冲变压器(4)、负载(4′)后变为脉冲电流，由脉冲电流检测器(5)进行检测，并将检测量反馈至计算机控制单元(6)进行控制。脉冲电流检测器(5)为霍尔电流传感器。计算机控制单元(6)以嵌入式单片机PIC16F877为核心。
如图2所示，本发明电源的主电路中的三相全控整流桥电路(1)是由6只晶闸管(4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6)组成的全控整流桥，直流滤波器(2)由电容器(2-1、2-2)组成，单相逆变桥电路(3)是由4只绝缘双极晶体管IGBT(V1、V2、V3、V4)构成的H型单相逆变桥。单相逆变桥电路(3)可以输出单极性的电压、电流波形，也可以输出双极性的电压、电流波形。当V1和V4同时导通时输出为正极性，当V2和V3同时导通时输出为负极性。
如图3所示，为了减小杂散电感抑制过电压，本发明采用功率母线优化主电路，功率母线是采用裸铜排平面并行式的功率母线(7)，将三相全控整流桥电路(1)、直流滤波器(2)、单相逆变桥电路(3)、散热器(8)组合在一起。
如图4所示，本发明的控制系统为计算机控制单元(6)，包括一个算法学习器(6-1)，一个基于误差反向传播(BP)神经网络(6-2)，一个PID控制器(6-3)，脉冲电流的给定值输入与电源反馈回来的实际值经比较产生的偏差值分别输入给算法学习器(6-1)、基于误差反向传播(BP)神经网络(6-2)、PID控制器(6-3)，算法学习器(6-1)同时采集电源的实际脉冲电流值，经处理后输入给基于误差反向传播(BP)神经网络(6-2)，基于误差反向传播(BP)神经网络(6-2)将PID控制比例系数(Kp)、PID控制积分系数(Ki)、PID控制微分系数(Kd)输入给PID控制器(6-3)，由PID控制器(6-3)给电源发出控制信号。
本发明电源的输出脉冲电流幅值：0～1000A连续可调，输出脉冲频率：100～1000Hz连续可调，脉冲宽度：10～100μS连续可调，电流脉冲的频率误差：0.3％，电流脉冲的宽度误差：1％，电流脉冲的幅值控制精度：0.3％。
本发明的控制系统采用了误差反向传播神经网络PID控制系统，使电源在环境温度、材料成分等因素发生变化时把脉冲电流控制在理想值上，其控制结构为误差反向传播(Back Propagation-BP)，如图4所示，对误差反向传播神经网络结构及参数，采用样本数据对其进行离线训练，以获得其相应的权值和阈值。
如图5为本发明的主程序流程图，首先进行上电自检，然后调入初始化子程序，启动主电路，输出逆变脉冲，通过T0、T1定时器控制单相逆变桥电路(3)中的4只绝缘双极晶体管IGBT(V1、V2、V3、V4)，启动A/D转换器(图中未标示)检测电流脉宽、频率信号，改写T0、T1，启动A/D转换器检测电流幅值大小，然后根据检测的电流值与给定电压值大小，查BP网络表，确定PID调节参数PID控制比例系数(Kp)、PID控制积分系数(Ki)、PID控制微分系数(Kd)，调用PID子程序，检测有无故障，即单片机RB0检测信号为0，若有故障则关闭输出脉冲，若无故障则继续检测，直到结束。
图6为初始化子程序流程图，首先关中断，进行I/O口设置，然后A/D转换器初始化，定时器T0、T1初始化，再进行中断初始化(T1中断，B0口中断过流保护)，启动A/D转换器，检测电流脉宽、频率给定值，转换为T0、T1初始值，最后打开中断。
图7为电流采样子程序流程图，首先检测电流脉冲上升沿，延时t1后启动A/D转换器，延时到T，读A/D转换器上数据，若电流脉宽大于或等于20μs，电流值则等于A/D转换器上的数据，若电流脉宽小于20μs，电流值则等于K乘以A/D转换器上的数据。
图8为PID调节子程序流程图，其中各参数的定义为：E(k)为脉冲电流偏差值，R(k)为脉冲电流给定值，M(k)为脉冲电流反馈值，Pp(k)为PID调节比例部分值，PI(k)为PID调节积分部分值，Pd(k)为PID调节微分部分值，P(k)为PID调节输出值，k为离散系数。