基于DSP应用于线切割机床的脉冲电源设计(08-100)

　　前言

线切割加工技术(WEDM)在众多的工业生产领域如模具制造业、汽车制造业、航空航天制造业等起到了重要的作用。要制作一台省略其次要结构与技术环节的低速走丝电火花线切割机床样机，其中包括两项关键技术：1、数字无阻脉冲电源模块，此模块能完成精加工和精加工;2、间隙电压检测模块，能保证切割加工过程高效平稳进行。国内目前不具备自主知识产权的产品主要原因是没有掌握间隙伺服控制系统设计、数字脉冲电源系统设计两项关键技术。研究精密数控电火花线切割机床的数字脉冲电源系统设计这个关键技术，是为开发具有自主知识产权的精密数控电火花线切割机床提供必要的技术支持。通过对其的研究，再配合机械上的设计以达到所需的技术指标。

本文提出了运用DSP作为核心的线切割脉冲电源的设想。笔者设计了线切割加工机床用的脉冲电源模块，并对输出波形进行了分析，优化了在各种加工条件下的效率仿真实验，实验结果验证了本设计的脉冲电源能够满足微细线切割加工的要求。用TMS32OLF2812DSP控制器芯片强大的数据处理能力、丰富的片内外设和高速的实时控制能力，实现了交流采样、频率测量和PID控制等功能。对同步发电机出口端的定子电压、电流进行准确测量。通过最优控制的方法,得到精确的PWM控制信号输出。实现一块DSP多个控制的功能以及产生PWM脉冲波的脉冲电源。此样机能达到中档低速走丝电火花线切割机床的技术水准：具备ns级大峰值电流脉冲电源，最大加工效率大于200 mm2/min有效加工效率达120-150mm2/min，表面粗粗度小于0.4μm (Ra≤0.4μm)，加工精度为±0.005mm左右。

　　线切割脉冲电源的整体设计

　　图1是线切割脉冲电源的设计框图

线切割脉冲电源主要包括:整流变压及滤波电路、与PC机的通讯模块、脉冲产生单元、功率驱动放大模块、放电间隙电压状态检测电路模块。该脉冲电源与一般线切割加工脉冲电源的差别主要有两点:一是它比一般的脉冲电源多了一个间隙放电电压比较模块。通过该模块实时地将电极丝与工件两极之间的电压与设定的电压进行比较，产生一控制脉冲发生器是否发脉冲的信号，能够以最快的响应速度切断脉冲，可以有效的监控电极丝与工件间的电压情况，并实时矫正输出脉冲电压，这就避免了能量的不均匀引起表面粗糙度的恶化，从而能够提高微细加工的表面质量。二是DSP2812最高频率能达到150MHz，运用其高速脉冲的产生简化常规设计电路，效率高，波形好，实时性也好。三是选用了DSP2812，其丰富的资源易于软件与硬件的扩展。

　　光耦电路设计

本设计的光电藕合器件采用高速的6N135芯片，内封装一个高度红外发光管和光敏三极管。图2左边所示为6N135的引脚和内部结构示意图。

　　图2 6N135内部结构示意图和与DSP接口的电路图

6N135最主要的特点是高速度，+=0.5(RL=1.9k)所以在高速数字通讯接口的隔离上更能显示和充分发挥其高速度的优良特性，数据的波特率可达500 k以上。相比之下，常见的光电藕合器件4N25和TIL117只能做到几千的波特率。图2右边所示的是/6N136用于DSP输出脉冲与主电路的连接电路原理图。在许多主一从结构的工业测控系统中，为了防止上、下位机的相互干扰，采用光电隔离器件是一种简单而有效的方法，采用6N135则可以不降低通讯波特率而实现子系统之间的隔离。

　　开关管的选择

本设计开关管采用三菱高速IGBT模块CT35SM-8。以前常用的2MBI200等大功率IGBT的封装都比较大，不宜用于机床上用的脉冲电源，其优点是体积小，耐压耐流比较大。CT35SM-8的VCES可达到400V，ICM可达到200A。本设计要求达到的0~200A的电流完全可以达到，频率可以达5MHz，其内阻比较小。

　　放大电路的设计

使用常用放大器AD8072，其设计的电路图如图3所示。

　　图3 采用AD8072设计的主电路图

　　放电间隙电压状态检测电路

在微细电火花线切割加工过程中，间隙电压随着加工状态的变化而变化，通过实时采集间隙电压，便可知该时间段内的加工状态，进而控制工作台的进给方向，实现加工进给的闭环控制。这样不但能有效地控制加工后的表面质量，同时可以兼顾加工效率。

对于线切割而言，由于各种干扰因素的存在，根据一次采样值判断间隙的状态是不准确，在设计中就采用多次采样求平均值的方法，显然这样就增加了每次判断加工状态的周期，但与之相矛盾的是较短时间段内的短路或电压不稳定就可以造成加工后的表面粗糙度恶化，如果系统反应时间过长，程度则更为严重。因此相对于一般的电压检测系统，用于微细加工的电压检测系统应该具有更快的响应速度。

工件与电极丝两极之间的电压经滤波分压后引入TMS320F2812的A/D口后，将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号，DSP定时将转换后的数字信息读入并进行相应的处理，当读入数据个数达到规定数目后进行平均运算，运算完成后DSP将平均后的电压值通过异步串行通讯电路传入上位机。

我们首先可以通过仿真与实验结果分别对高低电压两种情况对PWM占空比的要求存入TMS320F2812的寄存器中。我们可以通过A/D转换来检测主电路是高电压切割还是低电压切割。然后通过PC机传送命令给TMS320F2812产生与所需波形相应的PWM的占空比，这样我们可以更好的去控制主电路电极丝上的电压切割波形。本设计的DSP2812在电源实际工作过程中，DSP绝大部分时间用于间隙电压信息的采集、运算及传送，仅有少量时间用于脉冲电源控制参数的中转，可以有效地提高DSP的工作效率。

　　线切割脉冲电源的仿真

本设计采用了pspice9.2软件做主电路波形仿真。在仿真中限流电阻分别设置成1、2 、5 Ω等通过设置不同的电阻与不同的PWM占空比来寻找合适的波形，如图4所示，操作人员可以设置开关的通断来设置主电路的电阻大小。

　　图4 主电路限流电阻设计

　　图5 主电路PSPICE电路仿真原理图

设置主电路直流电压为高电压切割—300v。根据不同的占空比得到图6的波形

　　图6-1 EVA设置为输出对称的PWM，占空比1/3，主电路电流波形

　　图6-2 EVA设置为输出对称的PWM，占空比1/2，主电路电流波形

　　图6-3 EVA设置为输出对称的PWM，占空比2/3，主电路电流波形

在图6-1中由公式T=R×C、T=L/R可知，主电路电阻很小时，此时充放电时间主要由T=L/R决定，所以电压波形比较陡，在保证切割电流又要电压波形满足要求时，我们只好改变占空比大小了。但若对电流大小对切割要求有余时，我们也可以适当的增加电阻来调整电流波形。

结论：在高电压大电流切割下，设置脉冲为2/3。这样可以保证输出的波形满足线切割的对电压电流波形的要求。

设置主电路直流电压为低电压切割—80v。根据不同占空比，得到图7波形。

　　图7-1 EVA设置为输出对称的PWM，占空比1/3，主电路电流波形

　　图7-2 EVA设置为输出对称的PWM，占空比1/2，主电路电流波形

　　图7-3 EVA设置为输出对称的PWM，占空比2/3，主电路电流波形

结论：在低电压较大电流切割下，设置PWM占空比大点，波形就越满足条件。在低电压较小电流切割下，设置PWM占空比小点，波形就越满足条件。但小电压切割时占空比设为2/3波形大部分时间用于腐蚀,特别是限流电阻较大时,这样的输出波形会使工件表面烫伤.综合上面两种情况，我们在主电路电压为80V时，我们设置PWM占空比为1/2，这样可以保证输出的波形满足线切割的对电压电流波形的要求。

选出高低压切割时最合适的占空比与电阻值后，我们接下来考虑电容与电感对其的影响。对电容进行param扫描。

电容all parametric sweep参数设置为0.1 0.5 1 5 10。

为了达到高电流切割，我们主电路电阻还是选用1欧姆，这样的仿真波形如图8。

　　图8 电压为300v时的波形 电压为80v时的波形

由图所示波形可知，电容波动对选定的主电路波形影响很小。

我们对电感进行param扫描，参数设置为0.1 1 5 10 20，其仿真结果如图9。

　　图9 电压为300v时的波形 电压为80v时的波形

由图所示波形可知，电感的波动对选定的主电路波形影响也是很小。

由于电感电容相对于主电路的电阻值的变化对电流波形的影响是很小的，电极丝上的电流主要受电阻的变化比较大。

　　结语

这种电源在设计时提出了高电压切割与低电压两种情况的切割(80V与300V或其他)。由于高电压与低电压切割时对DSP产生的PWM的占空比有特殊的要求，根据检测主电路电压电流波形，在软件设计中我们加入自动变化占空比的程序。这样使得切割能达到预期的效果。