基于Atmega16的電火花穿孔機(jī)加工脈沖電源的設(shè)計(jì)

劉雨蘭

摘要

針對(duì)現(xiàn)有電火花穿孔機(jī)加工脈沖電源的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型的數(shù)字式加工脈沖電源，采用Atmegal6單片機(jī)實(shí)現(xiàn)脈沖電源的核心控制，詳細(xì)介紹了整體設(shè)計(jì)要求，硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該加工脈沖電源參數(shù)設(shè)置范圍寬，操作簡(jiǎn)便且顯示直觀，波形穩(wěn)定，加工效率高，實(shí)現(xiàn)了加工脈沖電源的先進(jìn)控制。

【關(guān)鍵詞】電火花穿孔機(jī) 加工脈沖電源 數(shù)字式 單片機(jī) Atmega16

1 引言

電火花穿孔機(jī)由機(jī)床本體、加工脈沖電源、主軸旋轉(zhuǎn)頭、高壓水泵等構(gòu)成，其中，加工脈沖電源的性能直接影響著孔加工的精度、效率及其穩(wěn)定性。目前大多數(shù)電火花穿孔機(jī)加工脈沖電源有著諸多缺陷，其一仍采用RC振蕩電路和74系列的數(shù)字芯片作為核心電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出，其輸出波形的參數(shù)不夠理想，致使加工精度低，其二脈寬、脈間、電流等參數(shù)設(shè)定仍然是碼盤(pán)式和波段開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，大小無(wú)法直觀顯示，只能憑經(jīng)驗(yàn)判斷，其三由于采用碼盤(pán)操作，此開(kāi)關(guān)容易壞，故障率非常高。鑒于此，本文利用Atmegal6單片機(jī)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種新型的數(shù)字式加工脈沖電源，可滿足不同材質(zhì)、不同厚度的孔加工工藝要求，實(shí)現(xiàn)了孔加工的優(yōu)良性能控制。

2 整體設(shè)計(jì)要求

為適應(yīng)各種材料的高速電火花穿孔加工，本文設(shè)計(jì)的加工脈沖電源具體技術(shù)要求為：

（1）脈沖參數(shù)大范圍可調(diào)：脈沖頻率：500Hz-50KHz，無(wú)級(jí)可調(diào);占空比：10%-50%，無(wú)級(jí)可調(diào)。

（2）具有大的脈沖加工能量，加工電流大?。?A-40A可調(diào)。

（3）加工波形穩(wěn)定，負(fù)載運(yùn)行無(wú)失真。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)框圖

加工脈沖電源由高頻脈沖控制板、高頻功率驅(qū)動(dòng)板、供電模塊組成，如圖1所示。供電模塊具有較強(qiáng)的穩(wěn)壓，分別提供5V、15V、80V可靠的直流電源，使用安全，可靠性高，在損壞時(shí)也不會(huì)對(duì)負(fù)載造成危害。

高頻脈沖控制板主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、參數(shù)顯示電路、按鍵控制電路、PWM脈沖波形輸出電路、功率管開(kāi)通信號(hào)輸出電路。操作者可通過(guò)按鍵控制電路進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，設(shè)定合適的脈沖頻率、占空比、加工電流，單片機(jī)根據(jù)接收到的設(shè)定，運(yùn)算后產(chǎn)生相應(yīng)PWM波形輸出，并同時(shí)輸出功率管開(kāi)通信號(hào)。

高頻功率驅(qū)動(dòng)板接受到這些信號(hào)后，經(jīng)過(guò)前置驅(qū)動(dòng)電路、功率放大電路，形成具有一定能量的脈沖波，加到電極與工件兩端，從而進(jìn)行電火花穿孔加工。

3.2 高頻脈沖控制板的電路設(shè)計(jì)

高頻脈沖控制板電路圖如圖2所示，核心控制芯片采用AVR單片機(jī)Atmega16，配置外部晶振16MHz，可實(shí)現(xiàn)脈沖參數(shù)的精準(zhǔn)控制。參數(shù)顯示電路選用3個(gè)2位LED數(shù)碼顯示器，74HC573的輸入端連接單片機(jī)的PBO-PB7口，輸出使能端分別連接PA3、PA4，進(jìn)行數(shù)碼管的位選與段選，可實(shí)現(xiàn)高頻脈沖頻率、占空比、功率管開(kāi)通3個(gè)參數(shù)的實(shí)際值顯示。按鍵控制電路設(shè)置6個(gè)按鍵，連接單片機(jī)的PCO-PC5口，分別進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定控制。利用Atmega16單片機(jī)的PWM功能，PD4口直接輸出符合設(shè)定要求的脈沖波形。功率管開(kāi)通信號(hào)輸出電路中，6路開(kāi)關(guān)量輸出分別是PDO-PD3，PD5-PD6，以滿足加工電流的多種選擇。

3.3 高頻功率驅(qū)動(dòng)板的電路設(shè)計(jì)

前置驅(qū)動(dòng)電路選用TLP250芯片，TLP250適用于柵極驅(qū)動(dòng)的IGBT管和大功率MOSFET管。功率放大電路選用絕緣柵VMOS大功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF250，該類管高頻區(qū)線性好、開(kāi)關(guān)速度快、輸出電流大、耐壓高。電路如圖3所示，TLP250輸入端回路均由單片機(jī)端口控制，直接連接P"控制信號(hào)和功率管開(kāi)通信號(hào)，輸出端直接控制兩只MOS功率管，驅(qū)動(dòng)板中共設(shè)計(jì)6組這樣的電路，控制12只功率管，最大電流為40A。通過(guò)這種控制方法可滿足控制功率管管數(shù)的通斷和電流調(diào)整要求。

4 軟件設(shè)計(jì)

在硬件的基礎(chǔ)上高頻脈沖模塊需進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)工具選用ImageCraft的ICCAVR軟件，整體采用模塊化設(shè)計(jì)方法，整個(gè)軟件部分由初始化模塊、參數(shù)設(shè)定及存儲(chǔ)模塊、高頻脈沖波控制計(jì)算模塊、輸出模塊、顯示模塊組成。

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示，上電后單片機(jī)1/0口初始化，定時(shí)器1初始化，參數(shù)讀取。在主循環(huán)中，判斷按鍵是否按下，如果是，進(jìn)行參數(shù)設(shè)定及存儲(chǔ)，顯示，高頻脈沖波控制計(jì)算，參數(shù)輸出;如果否，進(jìn)行電參數(shù)顯示。

脈沖波控制是利用Atmega16單片機(jī)中具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1，通過(guò)改變輸出比較寄存器OCR1A、OCR1B設(shè)定值來(lái)精確實(shí)現(xiàn)的。工作模式選擇相頻修正PWM模式，輸出的PV/M頻率計(jì)算公式為：

式中f——輸出PWM波的頻率（KHz），f_clk——外部晶振的頻率（16MHz），N——分頻因子（8分頻），TOP——設(shè)定計(jì)數(shù)上限值。

由此可見(jiàn)，改變?cè)O(shè)定的TOP值（即輸出比較寄存器OCR1A設(shè)定值），可進(jìn)行PWM波的頻率調(diào)節(jié)：

改變OCR1B的設(shè)定值，可進(jìn)行PWM波的占空比調(diào)節(jié)。

OCR1B=OCR1A×A%=（10×A）/f（3），式中A——占空比。

則高頻脈沖波控制計(jì)算程序如下：

unsigned char Fre_ZKB（unsigned char f，unsigned char A）

{DDRD|=BIT（4）|BIT（5）;

TCCR1A=0x63;

TCCR1B=0x12;

OCR1A=1000/f，

OCR1B=（10*A）/f;

}

5 運(yùn)行測(cè)試結(jié)果

設(shè)計(jì)的加工脈沖電源應(yīng)用于電火花穿孔機(jī)，進(jìn)行實(shí)際孔加工測(cè)試，所測(cè)加工脈沖波形如圖5（a）脈沖頻率500Hz、占空比10%，圖5（b）脈沖頻率500Hz、占空比50%。圖6（a）脈沖頻率10KHz、占空比10%，圖6（b）脈沖頻率10KHz、占空比50%。圖7（a）脈沖頻率50KHz、占空比10%，圖7（b）脈沖頻率50KHz、占空比50%。結(jié)果表明，該加工脈沖電源調(diào)節(jié)控制性能好，可滿足不同材質(zhì)、不同厚度的孔加工工藝要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種數(shù)字式電火花穿孔機(jī)加工脈沖電源，運(yùn)行結(jié)果表明該加工脈沖電源控制先進(jìn)，能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖參數(shù)、電流大小的寬范圍設(shè)定，實(shí)時(shí)顯示，自動(dòng)保存，上電后參數(shù)自動(dòng)調(diào)用恢復(fù)，加工波形的精準(zhǔn)控制，以及加工時(shí)的穩(wěn)定輸出，整體智能化程度高，不易出故障，設(shè)備加工效率得到了充分發(fā)揮和提升，應(yīng)用前景廣闊。

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