基于FPGA電火花加工脈沖電源的設(shè)計(jì)

　　2.2軟件編程實(shí)現(xiàn)

　　軟件編程采用Altera提供的軟件編譯環(huán)境NIOS II IDE。Nios II IDE基于開放和可擴(kuò)展的Eclipse平臺(tái)，不僅可以將通用用戶界面和業(yè)界最好的開發(fā)環(huán)境完美結(jié)合，還能夠與第三方工具無縫地集成在一起。Nios II IDE提供了完整的C／C++軟件開發(fā)套件，包括編輯器、項(xiàng)目管理器和構(gòu)建工具、調(diào)試器和兼容CFI(common flash interface)的Flash編程器。Altera提供含有支持Micrium的MicroC／OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。該系統(tǒng)不用用戶修改任何代碼即可進(jìn)行系統(tǒng)移植。使Nios II開發(fā)者能很容易地在Nios II IDE中實(shí)現(xiàn)多任務(wù)軟件開發(fā)。

　　軟件的開發(fā)過程是在IDE中創(chuàng)建一個(gè)工程文件，工程所指定的硬件系統(tǒng)即是在Quartus中生成的.ptf文件。新的工程將包括2個(gè)庫(kù)，一個(gè)是用戶的API庫(kù)，另一個(gè)是系統(tǒng)庫(kù)，系統(tǒng)的庫(kù)中包含了用戶進(jìn)行軟件編程時(shí)需要的各種頭文件、驅(qū)動(dòng)程序等。在用戶庫(kù)中可以使用C／++或者是匯編語言編寫脈沖參數(shù)的實(shí)現(xiàn)功能，在寫好后就可以對(duì)軟件工程進(jìn)行編譯、調(diào)試得到希望的結(jié)果后就可以軟件的工程文件.elf下載到開發(fā)器件上。如果需要調(diào)整脈沖、脈間的參數(shù)，則可以在NIOS IDE中對(duì)脈寬與脈間的比例以及周期長(zhǎng)度進(jìn)行修改。同時(shí)通過對(duì)I／O口輸出的高低電平，可以控制每一路大功率管的關(guān)斷與否，從而做到了電流大小的控制，具有非常高的靈活性。這樣可以得到新的適合進(jìn)行粗、中精、精加工的脈沖序列。用戶程序中對(duì)脈沖控制及參數(shù)控制的代碼如下：

　　2.3系統(tǒng)仿真

　　我們可以用Quartus對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的功能進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證功能是否滿足要求。軟件文件下載到開發(fā)板后對(duì)電路進(jìn)行仿真的結(jié)果，如圖2所示。從圖中可以看到脈寬pulse_duration_time與脈間pulse_interval_time的比例參數(shù)，以及控制寄存器的值，同時(shí)還可以看到該系統(tǒng)的輸入時(shí)鐘的周期長(zhǎng)度，放電脈沖的周期長(zhǎng)度等信息。

　　3外部電路設(shè)計(jì)

　　外部電路主要包括直流電源、隔離放大電路、高速開關(guān)電路、保護(hù)電路。直流電源電路是市電經(jīng)過變壓器、整流橋路電路、電容濾波電路輸出的，輸出的電壓有+80 V和120 V兩種，分別用于粗加工和精加工。脈沖發(fā)生器的PWM用來控制高頻開關(guān)管，為了防止脈沖發(fā)生器的燒壞，要將FPGA開發(fā)板與開關(guān)管電路隔離開來，而電源的頻率很高，普通光耦的會(huì)產(chǎn)生波形畸變，所以采用的是25M的高速光耦PC412S。開關(guān)管采用的是VMOS，使用它的好處是開關(guān)的頻率高，能夠承受的電流和電壓都比較大，但要使用輸入電容較小的VMOS，否則會(huì)影響電源關(guān)斷的速度。開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電電路如圖3所示。

　　Q1的基極是從FPGA開發(fā)板經(jīng)過光耦輸出的PWM脈沖信號(hào)，通過后面的驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)Q5，從而實(shí)現(xiàn)放電加工電路中采用正負(fù)電源，這樣可以提高Q5的關(guān)斷速度。Q2是小功率的VMOS管，Q3和Q是用來驅(qū)動(dòng)大功率的VMOS，所以功率不能選太小，R3與R4是用來減小系統(tǒng)波形的振蕩，其阻值不能太大，可選取100 Ω。

　　4結(jié) 論

　　本文在EDM機(jī)理與嵌入式技術(shù)領(lǐng)域最新研究成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)目前微細(xì)EDM加工中電源的研究現(xiàn)狀，提出了一種新型的智能型EDM脈沖電源，該電源的脈間精度可以達(dá)到0.2μs，是一般的分立軟件和集成電路所不能達(dá)到的，脈寬，脈間的大小可參數(shù)話，這些設(shè)置都是在軟件中進(jìn)行，并且采用FPGA設(shè)計(jì)具有可進(jìn)行更新，保密性好。這種新型的脈沖電源，由于高電火花脈沖放電頻率，從而提高加工精度。又因?yàn)镠DL語言和FPGA技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，所以這種智能的脈沖電源具有很好的通用性。