可編程邏輯器件在電加工脈沖電源中的應用

陳濤 丁守剛

[摘 ? ? ? ? ?要] ?為了提高電加工機床加工效果，滿足更高的電加工的技術要求，對電加工機床的脈沖電源進行了研究，針對脈沖電源的脈沖頻率、脈沖寬度及脈沖間隙的具體要求，完成基于可編程邏輯器件的脈沖電源的設計。

[關 ? 鍵 ? ?詞] ?電加工;脈沖電源;脈沖頻率;可編程邏輯器件

[中圖分類號] ?TG661 ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A [文章編號] ?2096-0603（2015）27-0176-04

脈沖電源是電加工機床的重要組成部分，它的作用是提供擊穿加工環(huán)境中的介質所需要的電壓，并在擊穿后的放電間隙提供足夠的能量來進行電腐蝕加工。脈沖電源的性能優(yōu)劣直接影響電加工的效率、精度、穩(wěn)定性和加工電極的耐加工性能[1]。

電火花線切割加工中的脈沖電源有一定的脈沖形式的要求，這種頻率、寬度和間隙可調(diào)的脈沖電源對產(chǎn)生這種脈沖波形的裝置要求較高，而可編程邏輯器件就非常適合于此。本文采用可編程控制器件實現(xiàn)脈沖頻率的調(diào)節(jié)控制，主要考慮可編程控制器件可選擇的頻率范圍大，同時I/O端口充足，方便滿足將來更多的設計要求，另外其模塊化的設計結構，更有利于系統(tǒng)的設計和調(diào)試，適應性強。

一、電火花線切割脈沖電源的設計

（一）脈沖電源的電壓選擇

脈沖電源電壓根據(jù)加工對象工件的厚度不同有所差異，總體來說脈沖電源電壓主要以空載電壓為取值電壓，所謂空載電壓就是接通高頻脈沖電源，但不加工的電壓。隨著加工工件的厚度發(fā)生變化，空載電壓也應該相應變化，空載電壓取值范圍一般在50V～100V之間。

（二）脈沖電源的波形選擇

電火花線切割機床脈沖電源常用的波形有兩種，分別是矩形波脈沖和分組脈沖，我們在應用時，應該根據(jù)不同的具體加工要求選擇合適的脈沖波形。

在工藝情況類似時，應用矩形波脈沖作為電源，加工效率高，應用范圍廣，能保證較高的穩(wěn)定性;應用分組脈沖，能夠獲得良好的加工效果，該方法多用于加工量比較小的場合。

根據(jù)項目要求，本項目選擇采用矩形波脈沖。當采用矩形波脈沖加工時，脈沖寬度為25us～80us，脈沖間隙一般為脈沖寬度的4倍;加大脈沖寬度可以提高加工速度，但會增加加工表面的粗糙度;而減小脈沖間隙，一般不影響表面的加工效果，加工效率也影響不大，但是脈沖間隙過小，會使加工過程波動，甚至可能出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象。加工電流一般控制在4A以內(nèi)。

（三）脈沖電源設計

本文設計應用于電火花加工單元電源電路的可變壓可變脈寬電源電路主要由整流濾波電路、穩(wěn)壓電路及驅動保護電路幾個部分構成，其控制原理結構如圖1

所示。

電網(wǎng)進來的220V交流電經(jīng)過變壓器，再經(jīng)過一個單相橋式電路及濾波電路后得到100V直流電，變壓整流濾波電路如圖2所示。

上面整流濾波得到的100V直流電，再經(jīng)過電流穩(wěn)壓電路得到0～100V可調(diào)直流電，接著0～100V可調(diào)的直流電經(jīng)過IGBT后得到的就是所需的脈寬、占空比的電壓電流可調(diào)的脈沖電源。其中IGBT驅動電路采用集成化IGBT專用驅動器EXB840，驅動輸入信號由脈沖波形發(fā)生器，即可編程邏輯器CPLD提供，控制器ARM向CPLD提供脈沖參數(shù)。

IGBT驅動及保護電路如圖3所示。驅動電路采用絕緣柵極雙極晶體管IGBT，驅動器EXB840的引腳2接電源，引腳9接地，引腳3為信號輸出，引腳5為過流信號，引腳6為IGBT集電極監(jiān)視，14、15引腳為信號輸入，其他不接。

保護電路在當過流信號引腳發(fā)生過流時，與其相連接的光耦TLP521導通，74LS08的2腳變?yōu)榈碗娖?，CPLD的輸入信號關斷，對IGBT形成保護作用。光耦TLP521主要用于信號處理過程中的抗干擾。

二、可編程邏輯器件在脈沖電源中的應用

（一）可編程邏輯器件的結構

可編程邏輯器件主要包括輸入緩沖、與陣列、或陣列和輸出4部分，結構如圖4所示。其中與陣列和或陣列是其關鍵結構，與陣列產(chǎn)生乘積項，或陣列進行乘積項之和的運算。輸入部分可以是輸入變量的原變量或其反變量，輸出可以是組合輸出、時序輸出或可編程的輸出結構。

目前廣泛應用的可編程邏輯器件是CPLD或FPGA[2]。為了便于應用在電火花線切割系統(tǒng)中作為脈沖電源發(fā)生器，本文采用邏輯器件CPLD。CPLD是從PAL、GAL發(fā)展而來的陣列型高密度PLD器件，一般采用CMOS、

EPROM和FLASH存儲器等編程技術，其調(diào)試邏輯的結果可以保存在芯片中，數(shù)據(jù)內(nèi)容不易丟失，且保密性好。

（二）可編程邏輯器件在脈沖電源發(fā)生器中的具體應用

本文選用了高密度邏輯集成的、性價比合理的CPLD芯片MAX7128S為電火花線切割機提供脈沖電源的脈沖信號。芯片MAX7128S計數(shù)工作頻率175MHz，內(nèi)含邏輯門2500個，宏單元128個，68個可配置I/O口;支持JTAG接口在線編程，不需要重新燒寫芯片，通過計算機串行通訊接口就可以將編寫好的邏輯程序導入芯片，支持在線調(diào)試，芯片數(shù)據(jù)可以擦除若干次;芯片MAX7128S采用5V電源供電，可以直接連接ARM、TTL芯片。

根據(jù)前文討論，對于采用矩形波脈沖作為加工電源，脈沖寬度T一般為25us～80us，脈沖間隙T一般不小于脈沖寬度的4倍，取4倍脈沖跨度為脈沖間隙。最小脈沖寬度25us應該對應最大頻率脈沖，則整個脈沖電源周期為[3]：

T=Ti+Ti=25+100=125us（1）

則所需脈沖頻率f為8KHz，此頻率為矩形波脈沖的最大工作頻率。下面利用MAX7128S CPLD芯片設計出符合要求的脈沖波形發(fā)生器。

脈沖波形發(fā)生器的頻率合成主要通過芯片完成，采用CPLD芯片MAX7128S設計合成可變頻率和占空比的數(shù)字頻率合成器。合成的輸入信號頻率f，晶振頻率 f及頻率系數(shù)D三者之間的關系如式（2）所示，其中N反應精度調(diào)節(jié)的程度，一般N越大，精度越高：

經(jīng)過進一步測試發(fā)現(xiàn)，只要對脈沖波形發(fā)生器頻率系數(shù)取不同的數(shù)值，脈沖波形發(fā)生器得到相應的頻率值的波形，當D取值為32時輸出25us的脈沖電源，即我們所要求的最大頻率為8KHz的脈沖波形，其他頻率的電源信號可以根據(jù)D的其他取值由脈沖波形發(fā)生器

產(chǎn)生。

由前面產(chǎn)生的周期為T脈沖波形產(chǎn)生占空比可調(diào)的信號，然后再通過對CPLD內(nèi)部的一個10位計數(shù)器提供預置值，占空比參數(shù)由K設定，K取值范圍為0～1024，該參數(shù)通過ARM輸入CPLD，當工作計數(shù)器到達計時時間，向占空比控制電路發(fā)出時間到信號，控制電路接收到信號后，停止計數(shù)器工作，并重新裝載計數(shù)器數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生周期為T的規(guī)定占空比的脈沖信號。產(chǎn)生的信號脈沖寬度范圍如下式所示：

Ti=K×T/1024（4）

產(chǎn)生的占空比如下式所示：

Q=Ti/T×100% ? ? ? ? （5）

因此，根據(jù)設計要求對CPLD構成的脈沖波形發(fā)生器進行設計。設計流程如圖5所示，主要包括PORT口的定義，參數(shù)輸入寄存器設計，累加器/PWM輸出設計，I/O配置，MAX7128芯片管腳配置，最后進行編譯，仿真。

下面對7128進行邏輯電路設計與配置。開發(fā)工具為Altera公司提供的MAX+PLUSⅡ BASELINE，可以方便地實現(xiàn)邏輯編輯、編譯、功能仿真、時序仿真、時序分析等功能。在MAX+PLUSⅡ BASELINE中可用VHDL語言進行邏輯電路設計[4]。

對7128進行邏輯電路設計與配置可得到如圖6所示的芯片。具體引腳說明如下：

·RESET：復位。

·CLK：時鐘信號。

·DATAIN[7..0]：數(shù)據(jù)線（8位）。

·CS[1..0]：片選信號。

·WR：寫信號。

·PWMOUT：波形輸出。

最后對所設計的芯片進行仿真實驗，實驗發(fā)現(xiàn)該芯片完全滿足設計需要，最后將調(diào)試通過的邏輯程序下載到EPM7128中，完成程序的芯片植入工作，具體仿真結果如圖7所示。

脈沖波形發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖波形經(jīng)過驅動保護電路最終提供給放電電極進行放電加工，如圖8所示是通過仿真軟件進行測試得到的脈沖周期為100ns的不同脈沖寬度的放電電壓波形。

三、結論

在實際應用中，本文所設計的基于可編程邏輯器件的脈沖電源有穩(wěn)定好、可控性強的特點，大大提高了電加工機床的加工效果，為該類設備提升制造水平有很大的幫助。

本文闡述的脈沖電源的設計與分析過程對同類脈沖電源控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)有一定的借鑒作用，既能夠滿足加工生產(chǎn)的需要，也可以滿足機電類專業(yè)教學和實驗的需求。

參考文獻：

[1]李勇，王顯軍.微細電火花加工關鍵技術研究[J].清華大學學報，1999（8）.

[2]蔣毅，趙萬生，顧琳，等.微細電火花加工脈沖電源及其脈沖控制技術[J].上海交通大學學報，2011（11）：1684-1689.

[3]黃瑞寧，狄士春，遲關心，等.新型微能可控的MWEDM脈沖電源[J].新技術新工藝，2005（5）.

[4]廖裕評，陸瑞強.CPLD數(shù)字電路設計[M].北京：清華大學出版社，2001.