基于DSP應用于線切割機床的脈沖電源設計

　前言

　　線切割加工技術(shù)(WEDM)在眾多的工業(yè)生產(chǎn)領域如模具制造業(yè)、汽車制造業(yè)、航空航天制造業(yè)等起到了重要的作用。要制作一臺省略其次要結(jié)構(gòu)與技術(shù)環(huán)節(jié)的低速走絲電火花線切割機床樣機，其中包括兩項關鍵技術(shù)：1、數(shù)字無阻脈沖電源模塊，此模塊能完成精加工和精加工;2、間隙電壓檢測模塊，能保證切割加工過程高效平穩(wěn)進行。國內(nèi)目前不具備自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品主要原因是沒有掌握間隙伺服控制系統(tǒng)設計、數(shù)字脈沖電源系統(tǒng)設計兩項關鍵技術(shù)。研究精密數(shù)控電火花線切割機床的數(shù)字脈沖電源系統(tǒng)設計這個關鍵技術(shù)，是為開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的精密數(shù)控電火花線切割機床提供必要的技術(shù)支持。通過對其的研究，再配合機械上的設計以達到所需的技術(shù)指標。

　　本文提出了運用DSP作為核心的線切割脈沖電源的設想。筆者設計了線切割加工機床用的脈沖電源模塊，并對輸出波形進行了分析，優(yōu)化了在各種加工條件下的效率仿真實驗，實驗結(jié)果驗證了本設計的脈沖電源能夠滿足微細線切割加工的要求。用TMS32OLF2812DSP控制器芯片強大的數(shù)據(jù)處理能力、豐富的片內(nèi)外設和高速的實時控制能力，實現(xiàn)了交流采樣、頻率測量和PID控制等功能。對同步發(fā)電機出口端的定子電壓、電流進行準確測量。通過最優(yōu)控制的方法,得到精確的PWM控制信號輸出。實現(xiàn)一塊DSP多個控制的功能以及產(chǎn)生PWM脈沖波的脈沖電源。此樣機能達到中檔低速走絲電火花線切割機床的技術(shù)水準：具備ns級大峰值電流脈沖電源，最大加工效率大于200 mm2/min有效加工效率達120-150mm2/min，表面粗粗度小于0.4μm (Ra≤0.4μm)，加工精度為±0.005mm左右。

　　線切割脈沖電源的整體設計

圖1是線切割脈沖電源的設計框圖

　　線切割脈沖電源主要包括:整流變壓及濾波電路、與PC機的通訊模塊、脈沖產(chǎn)生單元、功率驅(qū)動放大模塊、放電間隙電壓狀態(tài)檢測電路模塊。該脈沖電源與一般線切割加工脈沖電源的差別主要有兩點:一是它比一般的脈沖電源多了一個間隙放電電壓比較模塊。通過該模塊實時地將電極絲與工件兩極之間的電壓與設定的電壓進行比較，產(chǎn)生一控制脈沖發(fā)生器是否發(fā)脈沖的信號，能夠以最快的響應速度切斷脈沖，可以有效的監(jiān)控電極絲與工件間的電壓情況，并實時矯正輸出脈沖電壓，這就避免了能量的不均勻引起表面粗糙度的惡化，從而能夠提高微細加工的表面質(zhì)量。二是DSP2812最高頻率能達到150MHz，運用其高速脈沖的產(chǎn)生簡化常規(guī)設計電路，效率高，波形好，實時性也好。三是選用了DSP2812，其豐富的資源易于軟件與硬件的擴展。

　　光耦電路設計

　　本設計的光電藕合器件采用高速的6N135芯片，內(nèi)封裝一個高度紅外發(fā)光管和光敏三極管。圖2左邊所示為6N135的引腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 6N135內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖和與DSP接口的電路圖

　　6N135最主要的特點是高速度，+=0.5(RL=1.9k)所以在高速數(shù)字通訊接口的隔離上更能顯示和充分發(fā)揮其高速度的優(yōu)良特性，數(shù)據(jù)的波特率可達500 k以上。相比之下，常見的光電藕合器件4N25和TIL117只能做到幾千的波特率。圖2右邊所示的是/6N136用于DSP輸出脈沖與主電路的連接電路原理圖。在許多主一從結(jié)構(gòu)的工業(yè)測控系統(tǒng)中，為了防止上、下位機的相互干擾，采用光電隔離器件是一種簡單而有效的方法，采用6N135則可以不降低通訊波特率而實現(xiàn)子系統(tǒng)之間的隔離。

　開關管的選擇

　　本設計開關管采用三菱高速IGBT模塊CT35SM-8。以前常用的2MBI200等大功率IGBT的封裝都比較大，不宜用于機床上用的脈沖電源，其優(yōu)點是體積小，耐壓耐流比較大。CT35SM-8的VCES可達到400V，ICM可達到200A。本設計要求達到的0~200A的電流完全可以達到，頻率可以達5MHz，其內(nèi)阻比較小。

　　放大電路的設計

　　使用常用放大器AD8072，其設計的電路圖如圖3所示。

圖3 采用AD8072設計的主電路圖

　　放電間隙電壓狀態(tài)檢測電路

　　在微細電火花線切割加工過程中，間隙電壓隨著加工狀態(tài)的變化而變化，通過實時采集間隙電壓，便可知該時間段內(nèi)的加工狀態(tài)，進而控制工作臺的進給方向，實現(xiàn)加工進給的閉環(huán)控制。這樣不但能有效地控制加工后的表面質(zhì)量，同時可以兼顧加工效率。

　　對于線切割而言，由于各種干擾因素的存在，根據(jù)一次采樣值判斷間隙的狀態(tài)是不準確，在設計中就采用多次采樣求平均值的方法，顯然這樣就增加了每次判斷加工狀態(tài)的周期，但與之相矛盾的是較短時間段內(nèi)的短路或電壓不穩(wěn)定就可以造成加工后的表面粗糙度惡化，如果系統(tǒng)反應時間過長，程度則更為嚴重。因此相對于一般的電壓檢測系統(tǒng)，用于微細加工的電壓檢測系統(tǒng)應該具有更快的響應速度。

　　工件與電極絲兩極之間的電壓經(jīng)濾波分壓后引入TMS320F2812的A/D口后，將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號，DSP定時將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息讀入并進行相應的處理，當讀入數(shù)據(jù)個數(shù)達到規(guī)定數(shù)目后進行平均運算，運算完成后DSP將平均后的電壓值通過異步串行通訊電路傳入上位機。

　　我們首先可以通過仿真與實驗結(jié)果分別對高低電壓兩種情況對PWM占空比的要求存入TMS320F2812的寄存器中。我們可以通過A/D轉(zhuǎn)換來檢測主電路是高電壓切割還是低電壓切割。然后通過PC機傳送命令給TMS320F2812產(chǎn)生與所需波形相應的PWM的占空比，這樣我們可以更好的去控制主電路電極絲上的電壓切割波形。本設計的DSP2812在電源實際工作過程中，DSP絕大部分時間用于間隙電壓信息的采集、運算及傳送，僅有少量時間用于脈沖電源控制參數(shù)的中轉(zhuǎn)，可以有效地提高DSP的工作效率。