基于DDS 的數(shù)字脈沖電火花沉積電源研究

劉 宇，高 洋，張詩奇，杜 姍，張生芳，王紫光

（1. 大連交通大學機械工程學院，遼寧大連 116028；2. 浙江聯(lián)宜電機有限公司，浙江金華 322118）

在現(xiàn)代化工業(yè)中，復雜的自動化機械設備往往需在高溫、高速、重載及相對惡劣的環(huán)境下長期穩(wěn)定的運轉，這對機械設備及其零部件的表面性能提出更高的要求[1]。 為保證設備的穩(wěn)定運行，防止零件失效，需采用先進的表面工程技術，對材料表面進行表面強化與改性處理，以此來提高表面性能[2-3]。電火花沉積技術是利用儲能電源在電極與工件之間火花放電時釋放的高密度能量，將電極材料熔融后涂覆、熔滲到工件表面，形成合金化的表面沉積層，起到表面修復與強化的作用[4-5]。 沉積加工處理后，使受損嚴重的工件再次正常工作，并在一定程度上提高了其耐磨性、耐高溫性、耐腐蝕性能[6-7]。電火花沉積技術憑借其優(yōu)異的表面強化與修復效果，同時，由于操作簡單、熱輸入小、處理后工件無變形、節(jié)能等特點，現(xiàn)已廣泛應用于汽車、軍工、航空航天等領域[8]，成為表面工程及再制造領域中重要的技術手段。

脈沖電源作為電火花沉積加工設備的重要組成部分，其性能及放電參數(shù)對沉積效率與涂層質量有著極大的影響。 近年來，國內外研究人員通過不斷的探索研究，在電火花沉積電源改進方面取得了一定的成果，但改進的電源仍然存在可控性和穩(wěn)定性不夠理想， 致使加工過程中放電能量不均勻，沉積層質量差的問題。 此外，現(xiàn)有電源多采用可控硅斬波，通斷頻率低，致使沉積效率低下。 這些問題在某種程度上限制了電火花沉積的發(fā)展。

針對上述問題， 設計了一種放電參數(shù)可控性高、輸出波形穩(wěn)定的數(shù)字脈沖電火花沉積電源。 采用直接數(shù)字頻率合成 （direct digital frequercy synthesis，DDS）技術，利用其可全數(shù)字化控制、輸出相位連續(xù)、頻率分辨率高的特性，實現(xiàn)控制脈沖的調制，并搭配了由功率開關MOSFET 構成的斬波電路，實現(xiàn)了放電參數(shù)的較精確控制，提高了加工過程的穩(wěn)定性。

1 數(shù)字脈沖電火花沉積電源系統(tǒng)設計

1.1 電火花沉積電源整體方案設計

電火花沉積電源是電火花沉積加工過程中的核心部件，控制著放電電壓、脈沖寬度、放電頻率等主要放電參數(shù)。 沉積電源的各放電參數(shù)應具有高可控性，且能夠在大范圍內無極調節(jié)。 基于以上要求，本文利用DDS 技術設計了數(shù)字脈沖電火花沉積電源，整體設計方案如圖1 所示。

沉積電源主要由控制模塊和功率驅動模塊組成。 其中，主控單片機、DDS 主振單元、功能按鍵輸入、液晶顯示四部分組成控制模塊，用于產生頻率、占空比等數(shù)字化可調的控制脈沖信號。 功率驅動模塊包括光耦隔離電路、功率驅動放大電路、斬波電路以及直流電源。 主振單元產生的控制脈沖信號經過功率驅動放大電路放大，使其滿足功率開關管開通與關斷的要求，最后經過斬波電路，將直流電變成加工所需的高壓脈沖。 在控制模塊和功率驅動電路之間增加了由高速光耦構成的光耦隔離電路，避免了后級強電對控制電路的影響，同時對控制模塊起到保護的作用。

1.2 控制模塊設計

1.2.1 主振控制電路設計

控制模塊選用STC89C52RC 作為控制電路的主控芯片， 其具有8 KB 的內部可編程閃存，512 B的隨機存取存儲器（RAM）[9]，可通過編寫不同的程序實現(xiàn)對DDS 芯片的控制。主控模塊外圍電路設計原理如圖2 所示，包括單片機最小系統(tǒng)、開關電路、液晶顯示電路、DDS 主振單元接口等。 按鍵信息通過開關電路輸入到主控芯片， 經主控芯片處理后，通過液晶1602A 顯示，主控芯片通過外部接口完成對DDS 芯片的控制，使其產生控制脈沖信號。

圖2 主控模塊外圍電路設計原理圖

為提高參數(shù)的可控性及輸出信號的穩(wěn)定性，本設計利用了DDS 技術， 突破了模擬合成法的限制，應用數(shù)字技術和高速D/A 轉換技術來產生信號，可實現(xiàn)不同頻率、相位的任意波形輸出，具有頻率穩(wěn)定性及分辨率高、相位噪聲低、可全數(shù)字式調制等優(yōu)點[10-11]。 采用美國AD 公司生產的AD9850，其先進的CMOS 技術工藝， 主要由可編程DDS 系統(tǒng)、高性能數(shù)模變換器和高速比較器三部分構成，可實現(xiàn)全數(shù)字編程控制，其內部結構如圖3 所示。 最大支持的時鐘頻率為125 MHz。

圖3 DDS 基本結構原理圖

當有頻率控制字輸入相位累加器時，在參考時鐘作用下，相位累加器進行累加操作，輸出與相位控制字相加作為波形ROM 的查詢地址， 讀取存儲在ROM 中的幅值信息， 經數(shù)模轉換器轉換為模擬信號，經過低通濾波器濾波，最后經過高速比較器，輸出符合要求的控制脈沖。

控制脈沖的輸出頻率為：

式中：N為相位器累加位數(shù)；fs為參考時鐘頻率；K為頻率控制字。

輸出信號的頻率分辨率為：

AD9850 有串行和并行兩種通信方式， 并行寫入方式的優(yōu)點是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣瓤?，能夠提升整個系統(tǒng)的處理速度，本設計采用并行接口實現(xiàn)主控芯片和AD9850 的通信控制，其連接原理如圖4 所示。

圖4 主控芯片與DDS 連接原理圖

主控芯片的P1.0-P1.7 引腳與AD9850 的并行通信接口D0-D7 相連接，向AD9850 傳輸相應用于產生信號所需的頻率及相位控制字信息。 P2.0 引腳與AD9850 的RESET 引腳相連接，P2.1 引腳與AD9850 的頻率更新引腳FQ_UD 相連接，向其傳輸控制更新信號，完成對寄存控制字的更新，從而實現(xiàn)頻率信號更新并輸出。 P2.2 引腳與AD9850 的時鐘控制引腳W_CLK 相連接，處于上升沿時，將數(shù)據(jù)寫入并傳輸?shù)郊拇嫫髦屑拇妗?每當在W_CLK 時鐘上升沿時發(fā)送控制字， 連續(xù)5 個W_CLK 時鐘上升沿后，40 位控制字全部加載完成，通過FQ_UD 的上升沿完成對控制信號的更新，把地址指針復位到第一個寄存器，實現(xiàn)對輸出信號頻率及相位的一次更新，由輸出引腳完成最終控制脈沖波形的輸出。 最終設計完成的主振模塊電路原理圖如圖5 所示。

圖5 主振模塊電路原理圖

1.2.2 主振控制軟件設計

主振控制軟件部分包括主程序模塊、脈沖控制模塊、 功能按鍵模塊及顯示模塊等。 所選用的AD9850 芯片的控制字有40 位， 其中32 位是頻率控制位，5 位是相位控制位，1 位是電源休眠控制位，2 位是工作方式選擇控制位。 在AD9850 中含有N位相位寄存器，N為32，根據(jù)式（2）計算得到輸出的頻率分辨率可達0.029 1 Hz，主控芯片通過式（1）計算頻率控制字。 主程序流程圖如圖6a 所示，AD9850 控制程序流程圖如圖6b 所示。

程序開始時，主控芯片調用初始化程序，完成系統(tǒng)的初始化、AD9850 的初始設定及LCD 液晶的初始化。 當檢測到設定值發(fā)生變更，主控芯片讀取開關電路輸入的按鍵信息計算控制字，根據(jù)時鐘設定，通過數(shù)據(jù)總線以并行傳輸方式將控制字信息寫入AD9850 寄存器，數(shù)據(jù)傳輸完成后，對頻率及相位進行更新、顯示，完成相應控制脈沖信號的輸出。

1.3 功率驅動模塊設計

由主振控制單元產生的控制脈沖信號須經過功率放大電路驅動放大才能驅動斬波電路進行斬波，最終形成沉積加工所使用的脈沖波形。 斬波電路選取MOSFET 作為功率開關器件，其常用在中小功率電源中作開關器件， 相比其他功率開關器件，如大功率的GTR、IGBT，MOSFET 具有輸入阻抗高、開關損耗低、驅動功率小、開關速度快等優(yōu)點。

1.3.1 隔離方案選擇

主振控制模塊若與功率驅動放大電路直接進行硬件連接，后級放電回路的強電系統(tǒng)會對主振模塊產生干擾甚至造成芯片損壞。 因此，需要二者之間電器隔離。 目前，常見的隔離方式有脈沖變壓器隔離方式和光電隔離方式[12]。 脈沖變壓器隔離方式采用無源驅動，但其在工作中對脈沖寬度有一定的限制，若超過要求的脈寬范圍，磁芯飽和會使一次繞組電流激增，嚴重情況下會使其燒毀。 而光電隔離方式是利用光電耦合器進行電氣隔離，其外圍電路相對簡單且沒有脈沖寬度的限制。 所以本文設計采用高速光耦進行主振控制模塊與功率驅動放大之間的電氣隔離，高速光耦相對于傳統(tǒng)的普通光耦擁有速度高、延時小的特點，且具有溫度、電流、電壓補償功能。 高速光耦芯片選用6N137， 其轉換速率為10 Mb/s，能夠滿足我們電源設計的要求。

1.3.2 功率驅動放大電路

脈沖電源設計中，斬波電路中的功率開關管作為電源關鍵部分，其性能的優(yōu)劣將直接影響整個電源的工作效果，結合加工參數(shù)的要求，最終選取的MOSFET 為IRFP250N。 其等效結構如圖7 所示，在MOSFET 的各極之間存在極間電容， 驅動MOSFET本質上是對極間電容進行充放電。

圖7 MOSFET 等效結構圖

為了不影響MOSFET 的開關速度，更好的完成對功率MOSFET 的驅動，需要功率驅動部分提供一定的柵-源驅動電壓和電荷泄放通道， 加快其開通與關斷。 同時，要降低在驅動過程中所產生的功耗，選用的驅動芯片為UCC37322。

最終設計的功率驅動放大電路原理如圖8 所示。 功率驅動電路主要由6N137、UCC37322 及其外圍電路構成，R1為限流電阻， 對電路進行限流并起保護作用，6N137 采用5 V 供電，R2為集電極開路輸出端上拉電阻，用于減少沖擊，保持電路的穩(wěn)定性和可靠性，C1為高頻特性良好的電容， 用來吸收電源線上的紋波。 在驅動電路中，采用12 V 供電，C2、C3組成旁路電容，用于驅動部分的電源穩(wěn)壓。

圖8 功率驅動模塊電路原理圖

2 測試與結果

所設計的沉積電源電壓在20～150 V， 頻率在50～500 Hz 之間連續(xù)可調， 并在電源各模塊設計完成后對控制模塊、功率驅動模塊及電源整體進行了測試。

2.1 電源輸出測試

控制模塊直接影響著整個沉積電源系統(tǒng)的性能， 對控制模塊輸出的控制脈沖頻率進行了測試。頻率測試結果見表1?？梢钥闯?，控制脈沖頻率的給定值與實測值誤差很小，在1 Hz 以內，有較為精確的頻率，能滿足對參數(shù)可控的要求。

表1 頻率測試結果

在輸出波形測試中，設控制脈沖頻率為200 Hz，控制脈沖輸出波形測試的結果如圖9a 所示， 可以看出輸出波形準確且穩(wěn)定， 滿足控制脈沖的要求。圖9b 為相同頻率下的功率驅動模塊輸出波形測試結果，其輸出波形與控制脈沖時一致，幅值穩(wěn)定在12 V 左右，具有陡峭的上升沿與下降沿，能夠確保功率開關管的導通與關斷， 滿足斬波電路的要求。圖9c 為相同頻率下、電壓為36 V 時的放電波形測試結果，可見放電電壓波形準確且穩(wěn)定，并且電壓、頻率等參數(shù)可在較寬范圍內調節(jié)，滿足了電火花沉積加工的要求。

圖9 電源測試波形

2.2 電源加工測試

接下來進行了沉積加工試驗，以測試電源加工的有效性。 首先是進行沉積加工效果測試，沉積加工試驗參數(shù)如下：基體為45 鋼，電極為鎳電極，電壓為50 V，頻率為200 Hz。其中，圖10a 為加工前基體表面形貌，圖10b 為加工后涂層表面形貌。 可以看出，電源有很好的加工效果，具有較強的可控性，放電能量均勻。

圖10 沉積加工效果

同等試驗條件下，進行了放電頻率為200 Hz 和300 Hz 的沉積加工測試。 其中，圖11（a）為200 Hz沉積層表面形貌，圖11（b）為300 Hz 沉積層表面形貌，可以看出，隨著頻率的增加，沉積層更加致密。

圖11 沉積層表面形貌

3 結論

本文針對傳統(tǒng)電火花沉積電源放電參數(shù)可控性差的問題，設計了一種基于DDS 的數(shù)字脈沖電火花沉積電源，測試了電源的性能，得到以下結論：

（1）在電源設計中，基于DDS 技術完成了控制模塊的設計，提高了電源的可控性。 利用高速光耦解決了控制模塊與功率驅動模塊電路之間的干擾問題，提高了電源整體的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

（2）對沉積電源各個模塊的輸出波形及電源整體進行測試。 各部分輸出波形穩(wěn)定、準確，脈沖波形良好且頻率誤差在1 Hz 以內，實現(xiàn)對放電參數(shù)的較精確控制，滿足電火花沉積設備的參數(shù)可控要求。

（3）電源可實現(xiàn)電壓在20～150 V、頻率在50～500 Hz 之間連續(xù)調整， 并且有很好的沉積加工效果，可用于電火花沉積加工基礎研究。