一種智能電火花脈沖電源核心控制系統(tǒng)設(shè)計＊

肖菊蘭，陳 濤，陳 英，劉洪利

（成都工業(yè)學院電子工程學院，四川 成都 611730）

1 引言

電火花加工技術(shù)是利用工具和工件之間的脈沖放電對工件表面進行電腐蝕，從而達到對工件進行加工的技術(shù)，主要用于導電材料加工，具有可加工難切削材料、可加工小孔、深孔和畸形孔、加工精度高等優(yōu)點。電加工系統(tǒng)包含脈沖電源、工具電極、工作液和工件電極等，如圖1所示[1]。脈沖電源是系統(tǒng)關(guān)鍵部件之一，其技術(shù)指標直接關(guān)系著工件加工性能。隨著社會智能化水平提升，零部件加工朝著高精度、智能化方向發(fā)展，需要對脈沖電源進行智能化深入研究和設(shè)計[2]。

圖1 電火花加工系統(tǒng)主要部件

2 核心控制系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計采用自頂向下的方式，使用Quartus II軟件，采用Verilog語言進行代碼編寫實現(xiàn)[5-6]。本控制系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)通信部分、放電狀態(tài)判別部分和脈沖產(chǎn)生控制部分，如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)基本框圖

國內(nèi)傳統(tǒng)電加工脈沖電源，大多以基本觸發(fā)器和定時器作為核心電路實現(xiàn)對輸出信號的控制，存在其輸出波形頻率不高、輸出信號穩(wěn)定性差、指標不理想的缺點[3]。FPGA是在一系列可編程器件的基礎(chǔ)上發(fā)展的產(chǎn)物，具有軟件成熟、支持在線設(shè)計、系統(tǒng)穩(wěn)定、集成度高，速度快、功耗低等優(yōu)點[4]?；谝陨蟽?yōu)點，本文基于FPGA技術(shù)，設(shè)計的電火花脈沖電源核心控制系統(tǒng)，可產(chǎn)生脈沖寬度、間隔、頻率可調(diào)的脈沖信號，能夠控制后級電路實現(xiàn)可用以電加工機床工件加工的較大功率、較大電流的電信號。設(shè)計采用FPGA技術(shù)，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對放電狀態(tài)進行判斷，自動調(diào)整脈沖電源的輸出，實現(xiàn)脈沖電源智能化輸出。

數(shù)據(jù)通信部分主要實現(xiàn)上位機對脈沖電源參數(shù)的設(shè)置；放電狀態(tài)判別部分通過對脈沖放電檢測反饋數(shù)據(jù)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)判別實現(xiàn)脈沖放電檢測狀態(tài)的判別；脈沖產(chǎn)生控制部分根據(jù)放電狀態(tài)和使用脈沖參數(shù)，對輸出脈沖進行參數(shù)調(diào)整并輸出[7]。

2.1 數(shù)據(jù)通信模塊設(shè)計

設(shè)計與上位機通信采用UART，使用Verilog語言進行設(shè)計實現(xiàn)，主要分為波特率選擇模塊（圖3中U1）、數(shù)據(jù)接收模塊（圖3中U2）和數(shù)據(jù)緩存模塊（圖3中U3），其RTL圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)通信模塊RTL圖

2.2 放電狀態(tài)檢測模塊識別設(shè)計

脈沖電源控制輸出依據(jù)為工具電極與工件電極之間的放電狀態(tài)，分為開路、正常放電、電弧放電和短路。目前放電狀態(tài)識別方式有平均電壓檢測法、峰值電壓法、峰值電流法和高頻分量法等?？紤]單指標方式具有一定局限性，采用雙指標識別方式[8]。系統(tǒng)可模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對峰值電壓和峰值電流進行判斷放電狀態(tài)識別。設(shè)計使用梯度隸屬度函數(shù)，計算各類放電的隸屬度值，公式為：

將隸屬度值作為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)輸入得到輸出隸屬度，并進行放電狀態(tài)判斷，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

對峰值電流進行放電狀態(tài)決策時采用基于規(guī)則的決策法[7]，其程序流程如圖5所示。

圖5 放電狀態(tài)決策流程圖

2.3 脈沖輸出部分設(shè)計

本模塊根據(jù)低電平復位信號、上位機設(shè)置信號和脈沖放電狀態(tài)檢測結(jié)果進行脈沖信號參數(shù)智能調(diào)節(jié)，其中低電平復位信號優(yōu)先于高于上位機設(shè)置信號，上位機設(shè)置信號優(yōu)先級高于脈沖狀態(tài)檢測的調(diào)整信號。

3 軟件仿真與測試

模塊設(shè)計完成后，編寫測試文件，用Quartus II和Modelsim進行聯(lián)調(diào)仿真。

3.1 數(shù)據(jù)通信仿真

串口通信速率為9 600 bps時，接收標志到來后，系統(tǒng)每隔104 180 ns進行串口信號讀入，如圖6所示。

圖6 波特率為9 600 bps時數(shù)據(jù)接收

串口通信速率為19 200 bps時，接收標志到來后，系統(tǒng)每隔50 280 ns進行串口信號讀入，如圖7所示。

圖7 波特率為19 200 bps時數(shù)據(jù)接收

3.2 放電狀態(tài)檢測模塊仿真

用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行預判斷后進行混合指標判斷，得到4種放電狀態(tài)的隸屬度，最終進行放電狀態(tài)的決策。設(shè)計中用8位存儲器存儲4種放電狀態(tài)的隸屬度值，放電狀態(tài)決策仿真如圖8所示。其中隸屬值為0～1，用8位存儲器進行存儲，判斷用3位二進制表示。從圖8中可以看出某一種狀態(tài)的隸屬值比較大，且大于其他狀態(tài)的隸屬值達一定閾值后，可以判斷出脈沖放電狀態(tài)為最大值所屬狀態(tài)。

圖8 放電狀態(tài)決策仿真圖

3.3 脈沖輸出仿真

編寫測試代碼，對脈沖輸出模塊進行仿真，測試邏輯為：復位、上位機設(shè)置、脈沖自動調(diào)整。脈沖輸出如圖9所示。設(shè)計中，F(xiàn)PGA系統(tǒng)時鐘為50 MHz，圖9（a）中設(shè)置脈寬和脈間都為2 500個時鐘，故而輸出信號為10 kHz，占空比為50%；圖9（b）中設(shè)置脈寬和脈間分別2 500和7 500個時鐘，故而輸出信號為5 kHz，占空比為25%；圖9（c）在輸出信號為5 kHz，占空比為25%的基礎(chǔ)上，根據(jù)放電反饋數(shù)值對輸出信號進行脈寬或脈間的調(diào)整。從圖9可以看出，脈沖電源能夠根據(jù)脈寬、脈間設(shè)置調(diào)整輸出信號，同時可以根據(jù)脈沖放電檢測反饋信號自動調(diào)整脈寬或脈間，從而改變頻率和占空比，智能輸出新的脈沖電源信號。

圖9 脈沖輸出

4 結(jié)論

隨著國家智能制造水平提升，逐步對電火花加工脈沖電源進行智能化研究。本脈沖電源控制系統(tǒng)采用FPGA設(shè)計，在Quartus II中使用Verilog語言編寫設(shè)計代碼和測試文件，Quartus II與Modelsim進行仿真驗證，實現(xiàn)了上位機通過串口對脈沖電源脈寬和脈間參數(shù)進行設(shè)置，實現(xiàn)了根據(jù)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)放電狀態(tài)檢測法判斷放電狀態(tài)對脈沖電源輸出進行自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)脈沖電源實時智能調(diào)節(jié)。