PIC單片機(jī)控制的μs級PWM脈沖電源的研究

皮 定,張永俊,唐勇軍

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,廣東廣州 510006)

電火花線切割機(jī)床高頻脈沖電源是機(jī)床的一個重要組成部分,主要作用是把工頻交流電流轉(zhuǎn)換成一定頻率的單向脈沖電流,以提供電極放電間隙蝕除金屬需要的能量。脈沖電源對加工的生產(chǎn)率、表面質(zhì)量、加工精度和加工過程的穩(wěn)定性都有很大的影響。目前多數(shù)電源采用555脈沖發(fā)生器或MCS-51和可編程定時/計(jì)數(shù)器作為脈沖發(fā)生電路,其電源電路復(fù)雜,頻率和占空比進(jìn)行分檔調(diào)節(jié),這種設(shè)計(jì)制約了零件加工精度的提高,同時加工系統(tǒng)可操作性和實(shí)時性不夠好。

為滿足多槽線切割機(jī)床加工時多工位加工的特點(diǎn),防止多回路放電電流過大導(dǎo)致的斷絲現(xiàn)象產(chǎn)生,利用PIC18F458單片機(jī)為核心的脈沖電源,產(chǎn)生μs級別的PWM脈沖波形。能根據(jù)加工工件的厚度和工藝的不同,選擇相應(yīng)的頻率、幅度和占空比進(jìn)行加工。電源頻率調(diào)制范圍為3.9～40 kHz,脈寬調(diào)制范圍3～128μs,占空比調(diào)制范圍0.1～0.5,參數(shù)調(diào)制范圍廣,調(diào)節(jié)簡單方便。相對于普通電源具有很大的優(yōu)勢,同時能將相應(yīng)電源的工作參數(shù)、電流和電壓等在觸摸液晶屏上進(jìn)行顯示,通過觸摸屏進(jìn)行控制,減少了按鍵和開關(guān),整個系統(tǒng)簡潔直觀。

1 脈沖電源的組成

脈沖電源一般由直流電源、斬波器、脈沖發(fā)生器、功率驅(qū)動和顯示控制等部分組成[1]。其電源電路框圖見圖1。

圖1 脈沖電源系統(tǒng)框圖

脈沖電源的工作原理為:電源接通后,通過上位工控機(jī)、人機(jī)界面或按鍵輸入來設(shè)定輸出脈沖參數(shù),脈寬、占空比均可根據(jù)加工工藝要求事先設(shè)定。脈沖發(fā)生器采用 PIC18F458單片機(jī)的CCP模塊中PWM工作模式,產(chǎn)生出預(yù)先設(shè)定的方波脈沖信號。由于單片機(jī)發(fā)出的脈沖信號不能直接控制場效應(yīng)管,必須經(jīng)光耦隔離后進(jìn)入功率場效應(yīng)晶體管的驅(qū)動芯片中,功率放大后控制功率場效應(yīng)晶體管的高速開通和關(guān)閉,對直流電源進(jìn)行斬波,實(shí)現(xiàn)斬波器的功能[4]。同時傳感器對電壓和電流進(jìn)行檢測,反饋回來的數(shù)值經(jīng)單片機(jī)A/D模塊轉(zhuǎn)換后,與脈寬、占空比一起在LCD屏上顯示出來。

2 脈沖電源的硬件電路

2.1 PIC單片機(jī)脈沖發(fā)生控制

PIC18F458單片機(jī)是由美國某公司生產(chǎn)的一種CMOS單片機(jī),采用16位的類RISC指令系統(tǒng)、哈佛總線結(jié)構(gòu)、流水線取指令方式,具有10位的A/D轉(zhuǎn)換器、內(nèi)部EEPROM 存儲器、比較輸出、捕捉輸入、PWM 輸出、I2C總線和SPI總線接口電路、異步串行通信(USART)接口電路、CAN總線接口電路、模擬電壓比較器等許多功能[3]。

脈沖電源的PWM脈沖發(fā)生由CCP模塊工作在脈寬調(diào)制PWM方式下產(chǎn)生。CCP1引腳上可輸出分辨率高達(dá)10位的脈寬調(diào)制波形,PWM的輸出有一個時基(周期)和一個保持為高電平的時間(占空比),PWM的頻率極為周期的倒數(shù)。PWM的周期可通過向TMR2的周期寄存器PR2寫入來設(shè)定,由式(1)來計(jì)算:

其中PR2是一個8位寄存器,寫入范圍為00H～FFH。當(dāng)TMR2計(jì)數(shù)增量至與PR2值相等時,在下一個增量周期里發(fā)生以下3種情況:TMR2被清 0;CCP1引腳被置 1;PWM占空因數(shù)從CCPR1L被鎖到CCPR1H中。Tosc為單片機(jī)晶振起振周期時間,這里采用4 MHz的晶振 Tosc=0.25μs。TMR2前分頻值在T2CON寄存器中設(shè)定。

PWM脈沖的占空因數(shù)通過寫入8位的CCPR1L寄存器及CCP1CON控制寄存器的bit5、bit4兩位來設(shè)定,可由式(2)來計(jì)算:

CCPR1L寄存器和CCP1CON的bit5、bit4位在任何時候都可寫入的。在給定的PWM頻率情況下,最大的PWM分辨率為:

2.2 直流電源

直流電源的作用是將外部電網(wǎng)中220 V或380 V交流電經(jīng)變壓器降壓后轉(zhuǎn)換成直流電。常用的整流電流采用單相或者三相橋式整流電路,也可采用帶電源反饋的全控或者半控的整流橋直接得到所需的電壓,再經(jīng)電容濾波后得到70～110 V的直流電。本文中采用的電路由整流橋堆構(gòu)成,整流濾波后得到70～90 V的直流電源。如需改變直流電壓值,可由電壓式(4)和式(5)求出相應(yīng)變壓器輸出電壓U1值[2]。

2.3 斬波器電路

斬波器電路中開關(guān)元件選用的是大功率場效應(yīng)晶體管MOSFET(IRFP260),其專用驅(qū)動芯片為UCC27321.此場效應(yīng)管的最大源漏極電壓為200 V,工作溫度范圍為0～175℃。在25℃時,允許通過最大持續(xù)電流為50 A,最大脈沖電流為200 A。由單片機(jī)發(fā)出的PWM脈沖信號經(jīng)過光電光耦隔離后進(jìn)入驅(qū)動芯片,驅(qū)動芯片對MOSFET管進(jìn)行開通和關(guān)閉控制,完成功率放大作用。斬波器部分功率驅(qū)動和保護(hù)電路見圖2。

圖2 MOSFET驅(qū)動電路及保護(hù)電路

MOSFET正常工作時,用TEK示波器測得空載時放電間隙波形如圖3所示。通過圖片可發(fā)現(xiàn),電壓波形的上升沿和下降沿都相當(dāng)陡峭,波形質(zhì)量較好。

圖3 MOSFET工作時放電間隙空載電壓波形圖

2.4 外部輸入控制和顯示

電源參數(shù)需通過外部輸入設(shè)備進(jìn)行設(shè)定和修改。PIC18F458單片機(jī)自帶一個RS232串口通信接口 USART,通過此端口可與外部工控機(jī)利用RS232串口進(jìn)行通信。在上位機(jī)上用VB編寫一個控制界面,修改界面中相應(yīng)項(xiàng)目的數(shù)值,就可改變電源的各項(xiàng)參數(shù)。觸摸屏是現(xiàn)在工控中使用非常廣泛的一種人機(jī)交互工具,具有界面直觀清楚、編程簡單的優(yōu)點(diǎn),通常與PLC配合使用。與PIC單片機(jī)進(jìn)行配合使用時,須事先在PIC單片機(jī)寫入編寫的MODBUS相關(guān)協(xié)議,定義相應(yīng)動作指令數(shù)據(jù)。鍵盤是最為常用的一種控制方式。在PIC18F458單片機(jī)中,利用其PORTB端口RB4～RB7電平變化中斷的特征,可設(shè)計(jì)一個4×4=16的鍵盤,能輸入數(shù)據(jù)和控制命令。采用電平變化中斷,可減少鍵盤模塊對單片機(jī)資源的占用;只有當(dāng)有按鍵按下時,鍵盤電路模塊才會向單片機(jī)發(fā)出中斷信號。在本文中,由于采用了觸摸屏控制技術(shù),不再需要外部的按鍵控制,有效地降低了電路的復(fù)雜程度,節(jié)省了單片機(jī)的片內(nèi)資源,且調(diào)節(jié)控制更加方便簡單。

顯示模塊采用 8寸的并口液晶顯示模塊TFT8060BS-8,它是專門針對單片機(jī)用戶而設(shè)計(jì)的液晶顯示器(帶觸摸屏),采用8英寸、分辨率為800×600的真彩TFT屏,提供一個簡單的高速8位總線與單片機(jī)連接,支持256色,可直觀地顯示電源的電壓、電流、頻率和占空比等參數(shù)。電路連接如圖4所示,采用并口連接方式,利用單片機(jī)自帶10位A/D轉(zhuǎn)換模塊,將霍爾傳感器檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后顯示。

在圖4中,觸摸液晶屏的工作原理如下:PORTD端口為與觸摸液晶屏并口通信I/O口,電源接入外部電網(wǎng)后,PIC將初始化顯示畫面通過并口輸入液晶屏顯示,并在程序設(shè)定的時間內(nèi),不斷地把外部傳感器檢測的電源參數(shù)進(jìn)行顯示。當(dāng)用手或觸摸筆接觸觸摸屏后,其內(nèi)部的觸摸屏數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片ADS7843將通過TIRQ端口發(fā)出一個低電平,啟動PIC內(nèi)部的電平變化中斷程序;PIC以SPI方式同ADS7843進(jìn)行通信,向ADS7843的DIN口發(fā)出讀取X、Y軸坐標(biāo)的命令;觸摸屏接收到命令后,通過DOUT發(fā)出12位的X、Y軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)。DCLK為SPI通信的時鐘信號與PIC的RC3進(jìn)行連接,一次通信需要24個時鐘周期。

圖4 TFT8060BS和PIC單片機(jī)接線圖

2.5 其他模塊設(shè)計(jì)

上述幾部分是該電源的基本模塊,還有一些其他模塊(如電壓電流傳感器檢測)為單片機(jī)、MOSFET驅(qū)動和光耦提供電源的供電電路。單片機(jī)和上位機(jī)進(jìn)行通信的RS232接口電路等,這里不再贅述。

3 軟件程序

系統(tǒng)控制程序流程如圖5所示。軟件程序包括主程序、PWM 脈沖發(fā)生程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、RS232通信程序、鍵盤控制程序、液晶顯示程序等。單片機(jī)程序采用MPLAD IDE V 7.51軟件進(jìn)行編寫,這是一種在PC上運(yùn)行的軟件,用來為Microchip單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用程序。用C語言編寫程序簡潔明了,相比匯編來說,在閱讀和后續(xù)程序改動上具有明顯的優(yōu)勢。采用PICC18編譯器,用于在PIC單片機(jī)編程中對C語言程序進(jìn)行編譯。程序?qū)懭胧褂靡环N在線調(diào)試的開發(fā)工具M(jìn)PLAB PRO ICD2仿真器。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

4 結(jié)束語

本電源是用于多槽電火花線切割機(jī)床的脈沖電源,采用PIC18F458的PWM發(fā)生模塊。可根據(jù)加工工件厚度的不同設(shè)置脈寬、占空比,通過設(shè)置CCP模塊的參數(shù),產(chǎn)生精確可調(diào)的μs級脈沖電流,利用觸摸液晶屏進(jìn)行顯示和控制,具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、調(diào)節(jié)方便、參數(shù)調(diào)制范圍大、參數(shù)顯示直觀等特點(diǎn),實(shí)際加工中波形上升沿和下降沿均較陡峭,反向脈沖小,加工效果較好,能很好地滿足實(shí)際加工的需要。

[1] 劉承帥,賈志新.基于C8051單片機(jī)的電火花線切割自適應(yīng)電源研究[J].機(jī)械制造與自動化,2007(4):126-128.

[2] 徐祖華,蘇澤光,李勁松,等.基于FPGA控制的線切割機(jī)床脈沖電源[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2005(4):45-46.

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[4] 侯振義.直流開關(guān)電源技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[5] 杜威,慕春棣.基于μClinux的觸摸屏軟硬件設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)分析[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2005(4):914-917.