基于DSP應(yīng)用于線切割機(jī)床的脈沖電源設(shè)計

線切割加工技術(shù)(WEDM)在眾多的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)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(jī)床樣機(jī)，其中包括兩項關(guān)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(jìn)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(shè)計、數(shù)字脈沖電源系統(tǒng)設(shè)計兩項關(guān)鍵技術(shù)。研究精密數(shù)控電火花線切割機(jī)床的數(shù)字脈沖電源系統(tǒng)設(shè)計這個關(guān)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(jī)床提供必要的技術(shù)支持。通過對其的研究，再配合機(jī)械上的設(shè)計以達(dá)到所需的技術(shù)指標(biāo)。
本文提出了運用DSP作為核心的線切割脈沖電源的設(shè)想。筆者設(shè)計了線切割加工機(jī)床用的脈沖電源模塊，并對輸出波形進(jìn)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(shè)計的脈沖電源能夠滿足微細(xì)線切割加工的要求。用TMS32OLF2812DSP控制器芯片強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、豐富的片內(nèi)外設(shè)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(jī)出口端的定子電壓、電流進(jìn)行準(zhǔn)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(jī)能達(dá)到中檔低速走絲電火花線切割機(jī)床的技術(shù)水準(zhǔn)：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(dá)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(shè)計

圖1是線切割脈沖電源的設(shè)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(jī)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(shè)定的電壓進(jìn)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(yīng)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(xì)加工的表面質(zhì)量。二是DSP2812最高頻率能達(dá)到150MHz，運用其高速脈沖的產(chǎn)生簡化常規(guī)設(shè)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(kuò)展。
光耦電路設(shè)計
本設(shè)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(dá)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(jī)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(guān)管的選擇
本設(shè)計開關(guān)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(jī)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(dá)到400V，ICM可達(dá)到200A。本設(shè)計要求達(dá)到的0~200A的電流完全可以達(dá)到，頻率可以達(dá)5MHz，其內(nèi)阻比較小。
放大電路的設(shè)計
使用常用放大器AD8072，其設(shè)計的電路圖如圖3所示。

圖3 采用AD8072設(shè)計的主電路圖
放電間隙電壓狀態(tài)檢測電路
在微細(xì)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(jìn)而控制工作臺的進(jìn)給方向，實現(xiàn)加工進(jìn)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(zhǔn)確，在設(shè)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(yīng)時間過長，程度則更為嚴(yán)重。因此相對于一般的電壓檢測系統(tǒng)，用于微細(xì)加工的電壓檢測系統(tǒng)應(yīng)該具有更快的響應(yīng)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(jìn)行相應(yīng)的處理，當(dāng)讀入數(shù)據(jù)個數(shù)達(dá)到規(guī)定數(shù)目后進(jìn)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(jī)。
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(jī)傳送命令給TMS320F2812產(chǎn)生與所需波形相應(yīng)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(shè)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。