基于觸摸屏控制具有快速過流保護(hù)的WEDM電源研制*

鄧志敏 張永俊 蘇俊熙

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，廣東廣州 510006）

在使用專用電火花線切割機(jī)床實(shí)際加工某汽車關(guān)鍵零部件中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加工中出現(xiàn)比較長時(shí)間的過電流的時(shí)候，對加工的質(zhì)量和加工的效率等都造成了很不利的影響，導(dǎo)致加工質(zhì)量的明顯下降，而且由于此過電流的產(chǎn)生，造成斷絲的頻率增加，降低了加工效率。脈沖電源性能的好壞是直接關(guān)聯(lián)著加工的各項(xiàng)工藝指標(biāo)，在電火花線切割加工中，大脈寬加工或長時(shí)間的短路，峰值電流會上升很高，過大的電流會對加工回路的功率開關(guān)管帶來沖擊，同時(shí)如上述專用機(jī)床的狀況，過大的電流會對加工各項(xiàng)指標(biāo)帶來不利的影響。因此對于過電流或短路電流的控制就變得尤為必要，希望在電火花加工中間隙狀態(tài)出現(xiàn)短路或者大于某個(gè)設(shè)定電流值時(shí)可以立刻斷開高壓強(qiáng)電，防止硬件電路的損壞，確保加工質(zhì)量。

從傳統(tǒng)的電火花脈沖電源短路保護(hù)電路來看，大多是通過采取間隙兩端的電壓，利用間隙狀態(tài)的識別電路分辨出短路狀態(tài)信號，控制器再對脈沖電源進(jìn)行短路保護(hù)控制。本文設(shè)計(jì)的具有快速短路保護(hù)的PWM（脈沖寬度調(diào)制）電火花線切割脈沖電源，基于霍爾傳感器的電流檢測，速度更快，可靠性更高，特別在某些專用場合下更加適合。此脈沖電源以PIC18F458單片機(jī)作為脈沖信號源，產(chǎn)生PWM控制信號。電源系統(tǒng)采用觸摸屏控制，將傳統(tǒng)的顯示屏與物理按鍵替代，節(jié)省了空間。而且界面友好，操作也靈活方便，通過軟件的形式實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電源各項(xiàng)參數(shù)的要求。

基于觸摸屏控制的具有快速過流保護(hù)脈沖電源的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。MOSFET管斬波電路作為電源主回路，高壓供電回路由工頻變壓整流后獲得;PIC18F458作為脈沖信號源，信號在經(jīng)過隔離驅(qū)動放大后用于驅(qū)動功率管的開關(guān);電流采樣器件從主回路一側(cè)采取電壓信號，經(jīng)過控制電路后控制主回路的通斷;觸摸屏通過觸摸屏下位控制機(jī)與脈沖信號源控制機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)觸摸控制調(diào)節(jié)電源參數(shù)。

1 快速過流保護(hù)的實(shí)現(xiàn)

1.1 電流采樣

過流保護(hù)的快速實(shí)現(xiàn)需要依靠快速的加工狀態(tài)檢測，如果加工發(fā)生短路但電路檢測不了或者時(shí)間過長，那對短路的保護(hù)意義就不大。一般電火花機(jī)床的過流（或短路）保護(hù)是基于檢測放電間隙電壓來執(zhí)行的。通過采樣間隙電壓，識別間隙狀態(tài)，一旦檢測到過流（短路）發(fā)生或短路產(chǎn)生的前兆就把信號發(fā)送給控制器，控制器快速切斷電源實(shí)施保護(hù)。在工程實(shí)踐中一般采用在一個(gè)檢測周期內(nèi)間隙電壓的平均值來判斷放電狀態(tài)。因?yàn)槠毡槭褂玫牟蓸与妷旱姆椒ǘ即嬖赗C滯后特性，基于保護(hù)電路動作的速度衡量，通過采樣間隙電壓和識別間隙狀態(tài)勢必存在一個(gè)遲滯時(shí)間，短路保護(hù)處理速度仍然不夠快。基于以上情況，本電源采用了霍爾電流傳感器的過流保護(hù)電路，利用霍爾傳感器極短的響應(yīng)時(shí)間，快速檢測加工電流狀況，迅速切斷主回路起到快速保護(hù)的功能。在本電源中選取“兵字”HS－P系列霍爾電流傳感器，其線性度±0.1%，帶寬DC—150 kHz，響應(yīng)時(shí)間小于1 μs，能夠迅速采取電路回路的電流參數(shù)。圖2為從霍爾傳感器負(fù)載端測得的負(fù)載兩端的電壓信號。

1.2 過流保護(hù)控制電路

過流保護(hù)控制電路由電壓跟隨器、一級放大與二階低通濾波電路、電壓比較器以及D觸發(fā)電路組成。本電源中采用LF353雙運(yùn)算放大器組成電壓跟隨器和一級放大與二階低通濾波，進(jìn)行前后級電路的隔離與阻抗匹配，并對微弱信號進(jìn)行放大和濾除干擾信號，保證信號的穩(wěn)定可靠。采用LM311運(yùn)放組成電壓比較器，比較檢測到的電壓信號與預(yù)定值，判斷短路是否產(chǎn)生。用CD4013觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的鎖存，當(dāng)過流（短路）發(fā)生時(shí)，除了要斷開電源外，還需要運(yùn)動控制系統(tǒng)動作使短路現(xiàn)狀消失，因此使用觸發(fā)器的鎖存功能將鎖存狀態(tài)直至運(yùn)動控制系統(tǒng)動作完畢。過流保護(hù)控制電路如圖3所示。R4右端為輸出控制端，連接MOSFET開關(guān)管的驅(qū)動芯片UCC27321的使能端，觸發(fā)器上升沿有效，輸出高電平時(shí)導(dǎo)通NPN三極管，拉低此輸出端口，使UCC27321停止工作，從而切斷主電路。當(dāng)此狀態(tài)被取消時(shí)，R15左端輸入端被置于高電平，觸發(fā)器的R端口電壓升高，觸發(fā)器被復(fù)位，Q輸出為0，UCC27321重新導(dǎo)通，主電路再次接通工作。圖4為經(jīng)過放大和低通濾波后的霍爾傳感器上負(fù)載電壓信號波形圖。

2 PWM功能的實(shí)現(xiàn)

在電火花線切割脈沖電源上引入PWM（脈沖寬度調(diào)制）功能，方便在加工中對電源參數(shù)的調(diào)整，進(jìn)而對加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。本電源中，電火花線切割脈沖電源的脈沖信號源采用了PIC18F458微控制器，此款單片機(jī)內(nèi)部集成了PWM功能模塊，通過軟件程序和簡單的外部電路就可以產(chǎn)生周期可調(diào)、占空比可調(diào)的脈沖信號，并且信號干凈平穩(wěn)，輸出穩(wěn)定。采用PIC單片機(jī)作為脈沖信號源除了其出色性能和強(qiáng)大的功能外，還因?qū)崿F(xiàn)此電源的觸摸屏控制的需要，利用觸摸屏與單片機(jī)之間的通信方便實(shí)現(xiàn)了人機(jī)系統(tǒng)的改善。圖5為電源信號源電路，圖6是軟件控制程序流程圖。硬件電路中的三極管組成了一數(shù)字控制的鍵盤，每個(gè)三極管的通斷由觸摸屏的控制信號來控制，實(shí)現(xiàn)對頻率、脈寬的調(diào)節(jié)。圖7為PIC單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號源的脈沖信號波形。

3 驅(qū)動電路與主電路的設(shè)計(jì)

信號源產(chǎn)生的脈沖信號必須經(jīng)過功率放大才能驅(qū)動MOSFET開關(guān)管的通斷，而為了避免加工當(dāng)中強(qiáng)電對控制電路弱點(diǎn)的干擾，往往在兩者之間加入隔離電路。在本電源中采用光耦隔離技術(shù)，選用HP4504芯片在信號源與驅(qū)動信號功率放大電路之間進(jìn)行隔離。而功率放大電路則采用了TI公司推出的新型MOSFET驅(qū)動芯片UCC27321，其驅(qū)動能力強(qiáng)，速度快。電源的主電路則由MOSFET及其緩沖電路，以及分壓電阻等組成，實(shí)現(xiàn)將高直流電壓斬波成脈沖電壓用于加工。驅(qū)動電路和主電路的電路原理圖如圖8和圖9所示。

4 觸摸屏控制的實(shí)現(xiàn)

本電源的設(shè)計(jì)旨在為某專用的電火花線切割機(jī)床配置合適的電源，除了在電源的性能和各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到機(jī)床的要求外，還要滿足與機(jī)床人機(jī)交互系統(tǒng)的通信，便于被人機(jī)交互系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)床各個(gè)系統(tǒng)之間的集成化。機(jī)床的人機(jī)交互系統(tǒng)使用的硬件選用的是某公司的智能型串口通信觸摸屏。實(shí)現(xiàn)脈沖電源的觸摸屏控制主要從硬件和軟件兩方面來設(shè)計(jì)。基于此觸摸屏的性能，硬件設(shè)計(jì)的主要工作是設(shè)計(jì)一與此觸摸屏通信的觸摸屏下位機(jī)硬件系統(tǒng)，主要功能是對觸摸屏發(fā)送的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，并根據(jù)解析的結(jié)果對各個(gè)系統(tǒng)（包括電源系統(tǒng)與運(yùn)動控制系統(tǒng)）發(fā)送工作指令。此專用WEDM機(jī)床的各個(gè)系統(tǒng)的控制均采用了PIC微處理器，為了更好地實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)間的通信，此觸摸屏下位機(jī)硬件控制也采用PIC微處理器來實(shí)現(xiàn)，電路簡單，所有要求的功能都可以在軟件中實(shí)現(xiàn)。圖10是觸摸屏的下位機(jī)硬件系統(tǒng)，圖11是軟件控制程序流程圖。

5 實(shí)驗(yàn)

脈沖電源的實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)的某汽車關(guān)鍵零部件的專用電火花線切割機(jī)床上進(jìn)行切槽實(shí)驗(yàn)。圖12和圖13分別是加工中檢測到的加工間隙空載電源與加工中的電壓波形圖。圖14是用放大鏡檢測的用0.18 mm的鉬絲切割出來的槽，圖15為人機(jī)交互系統(tǒng)控制界面。

通過試驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的電火花線切割脈沖電源在觸摸屏的控制下，參數(shù)調(diào)節(jié)靈活、穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了一定的數(shù)字化功能;短路保護(hù)反應(yīng)靈敏，能夠在加工短路發(fā)生時(shí)快速動作，切斷回路。在某汽車零件加工的專用電火花切割切槽機(jī)床上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以往工廠每天加工根零件需要換絲3～5次，而采用此電源后換絲次數(shù)明顯減少，一天只需換絲1～2次，甚至不換。因此，在某些需要較大脈寬加工和短路頻繁的電火花線切割加工場合，此電源的研究與設(shè)計(jì)具有實(shí)際的意義。

［1］劉晉春，白基成，郭永豐.特種加工［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］白基成，梵海明，郭永豐，等.電火花線切割無阻脈沖電源過電流保護(hù)的研究［J］.電加工與模具，2008（5）.

［3］劉和平，劉釗，鄭群英，等.PIC18Fxxx單片機(jī)程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［4］周志敏，紀(jì)愛華.高效功率器件驅(qū)動與保護(hù)電路［M］.北京:人民郵電出版社，2009.

［5］馬場清太郎.運(yùn)算放大器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)［M］.何希才譯.北京:科學(xué)出版社，2007.