微型計算機在數(shù)字電火花電源控制系統(tǒng)中的應用

宋聚海,陳克選,肖 笑

(1.山東核電設備制造有限公司,山東海陽265118;2.蘭州理工大學有色金屬合金省部共建教育部重點實驗室,甘肅蘭州730050)

電火花涂敷技術(shù)在金屬沉積修補及防護層涂敷方面的廣泛應用,不僅降低了生產(chǎn)成本、提高了資源的重復利用率,同時也提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。近年來,國內(nèi)外一些專家和學者對電火花涂敷電源進行不斷的研究和改進,最有效的是在陽極端改用了旋轉(zhuǎn)電極。改進的電火花涂敷電源熱輸入量集中、熱影響區(qū)小,由于瞬間形成高溫達萬度以上,可形成高熔點的復合強化層[1～2]。實際應用中,改進的電火花涂敷電源仍存在可控性和穩(wěn)定性不夠理想的問題。這不僅影響了涂敷效果,也在某種程度上限制了電火花涂敷電源的使用范圍?；诖藛栴},本論文提出一種基于16位微型計算機控制的可控性較精確的逆變電火花脈沖電源控制方案。

1 電火花涂敷電源功能參數(shù)及主電路結(jié)構(gòu)

本論文設計的脈沖電火花電源主要參數(shù)為:輸入電壓:220V±10%(50～60 Hz);輸出電壓:45～120 V;工作脈沖頻率:300～10 kHz;額定輸入電流:15 A;逆變頻率:25 kHz;額定輸出功率:3 500 W;冷卻方式:風冷。所設計的電火花涂敷電源主電路如圖1所示。

主電路工作原理如下:

(1)輸入整流濾波:輸入整流濾波電路由橋式整流電路和串聯(lián)電容C1、C2構(gòu)成。整流橋選用耐壓1 200 V,正向平均電流為100 A的整流管。電阻R1和常開開關(guān)J1組成主電路的軟啟動回路。電源啟動時,R1串入主電路,限制啟動時的充電電流,用軟件實現(xiàn)延時500 ms后,J1閉合,將限流電阻短路,主電路啟動過程結(jié)束。

圖1 電火花涂敷電源主電路

(2)IGBT功率轉(zhuǎn)換:功率轉(zhuǎn)換電路由功率開關(guān)管 IGBT1、IGBT2;半橋電容 C1 、C2;高頻變壓器一次繞組組成。當 IGBT1、IGBT2均截止時,由于電容C1和C2容量相等,電路對稱,因此,中點電壓為輸入整流濾波電路輸出直流電壓的一半。當IGBT1的柵極加一觸發(fā)脈沖信號時,IGBT1導通,電容C1通過 IGBT1、變壓器一次繞組放電,同時,電容C2通過輸入電源、IGBT1、變壓器一次繞組被充電,在工作過程中IGBT的工作頻率為20～25 kHz。

(3)整流濾波輸出:整流濾波輸出電路由高頻變壓器二次繞組、快恢復橋式整流電路D1～D4、電容器組C3、C4和電感及晶閘管組成。

(4)工作脈沖頻率控制:在主電路設計時,采用了半控的高頻晶閘管進行輸出頻率的控制。由于單片機的PWM引腳的輸出周期是固定的[3],即其輸出信號頻率是固定的,故設計采用單片機的定時器,用軟件編程以定時器中斷方式實現(xiàn)頻率和脈寬均可調(diào)的晶閘管脈沖觸發(fā)信號。

主電路的半橋電路在滿足設備功率的前提下,具有抗不平衡能力強的特點,大大提高了電源的可靠性。

2 基于微型計算機的電源控制系統(tǒng)設計

2.1 控制系統(tǒng)硬件設計

2.1.1 微型計算機類型的選擇

在本設計中,采用美國某公司生產(chǎn)的MCS96系列16位MCU中的80C196KC作為控制電路的核心芯片,該型號單片機采用CHMOS工藝制造,具有運算速度快、處理能力強、接口豐富的特點。集成有16K字節(jié)的EPROM,488字節(jié)寄存器陣列,有20個中斷源(其中包含有一個非屏蔽中斷(NMI)),3個脈寬調(diào)制(PWM)輸出,4個高速輸入口HSI,6個高速輸出口HSO,4個16位軟件定時器,八通道帶有采樣保持的10位A/D轉(zhuǎn)換器,全雙工串行口,看門狗以及高速時鐘和I/O系統(tǒng)等。與80C196KB相比,80C196KC不僅內(nèi)部存儲器的容量擴大了一倍,擴展了輸入輸出口(如增加了2個PWM口),還新增了一個外設事務服務器PTS(Peripheral Transaction Server),這大大降低了中斷服務的開銷。另外,它可采用 16MHz的晶振,運行速度比12MHz的80C196KB快33%。這給系統(tǒng)設計以及今后控制系統(tǒng)的升級和擴展提供了極大的方便[4]。

2.1.2 微型計算機控制系統(tǒng)的硬件組成

采用80C196KC構(gòu)成的電火花脈沖電源控制系統(tǒng),既要控制系統(tǒng)的輸出特性,又要實時監(jiān)控工作過程?？刂葡到y(tǒng)電路由MCU最小系統(tǒng)、驅(qū)動電路、電壓、電流采樣電路、保護電路以及參數(shù)預置與顯示電路等組成。所設計的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖2 電火花電源控制系統(tǒng)框圖

(1)脈寬調(diào)制(PWM)電路

本設計采用脈寬調(diào)制方式調(diào)節(jié)涂敷電源的輸出特性。通過工作時參數(shù)采樣的負反饋,并采取PI的控制算法,實時調(diào)整PWM的脈寬。為保證電源系統(tǒng)能工作在設計的恒定頻率范圍內(nèi),本設計對頻率不穩(wěn)定段進行了封鎖,即設置了最小脈寬。由于脈寬很窄時對控制電路及主電路元件的對稱性有較高的要求,因此,本設計在控制程序中規(guī)定了SG3525輸出的最小脈寬為4.0 μ s,這也避免驅(qū)動電路存在保護盲區(qū)所帶來的不良影響。

控制系統(tǒng)中,將誤差放大器設計成電壓跟隨器的形式,誤差由單片機運算后輸出,經(jīng)MAX530芯片進行D/A轉(zhuǎn)換后給出SG3525的控制電壓信號,該控制電壓信號由SG3525的同相輸入端輸入,如圖3所示,圖中Rf為誤差放大器反饋電阻。

圖3 由SG3525構(gòu)成的PWM電路

SG3525產(chǎn)生的鋸齒波頻率可按下式計算:

式中:t1、t2分別為鋸齒波上升時間和下降時間;Rd為死區(qū)電阻。改變 Rd的大小就可改變兩路脈沖信號之間的死區(qū)時間。3525輸出的PWM的波形頻率為鋸齒波的一半。本系統(tǒng)設計的逆變頻率為25 kHz,故要求 SG3525產(chǎn)生的鋸齒波頻率為 50 kHz。微調(diào)Rd可改變死區(qū)的時間,并可小幅度改變鋸齒波頻率,本設計選定死區(qū)時間為 5.2 μ s,逆變頻率為25 kHz。實測的SG3525輸出的脈沖波形如圖4所示。其中圖4a中單片機送給SG3525的控制電壓信號為1.5 V,圖4b中單片機送給SG3525的控制電壓信號大于3.3 V(即為最大脈寬)。由圖4b可看出:兩路脈沖之間的死區(qū)時間為5.2 μ s。

(2)電源監(jiān)控及看門狗定時電路

Maxim公司的MAX705芯片集電源監(jiān)控、看門狗定時于一體,看門狗定時時間為 1.6 s。利用MAX 705低Vcc檢測電路,可保護系統(tǒng)使之免受低電壓狀況的影響。當Vcc降低到轉(zhuǎn)換點2.7 V以下時,系統(tǒng)復位,防止CPU誤動作,復位一直確保到Vcc返回穩(wěn)定為止。本論文應用Maxim公司的MAX705設計的電源監(jiān)控電路如圖5所示。

圖5 電源監(jiān)控電路

利用MAX 705內(nèi)部比較器和參考源,通過R1、R2和C1構(gòu)成的RC電路,當PFI端電壓低于1.25 V,PFO輸出低電平。系統(tǒng)上電時,利用比較器輸出端PFO呈現(xiàn)低電平,由邏輯電路封鎖觸發(fā)脈沖,避免電源合閘瞬間晶閘管產(chǎn)生誤觸發(fā)。圖中MR為手動復位管腳,當WDO引腳高電平在1.6 s內(nèi)保持恒定時,將在WDO輸出一個低電平,利用MR管腳的特點,將在RST端將產(chǎn)生一個復位信號。WDI為監(jiān)視跟蹤定時器輸入。有3種情況可使內(nèi)部監(jiān)視跟蹤定時器清零:發(fā)生復位、WDI處于三態(tài)及WDI檢測到有上升沿或下降沿[5]。

(3)基于NMI的保護電路

為了確保系統(tǒng)的安全、可靠工作,本論文中設計了針對過/欠壓、過熱、過流綜合保護電路,采取封閉式保護方式。即無論以上哪種故障發(fā)生時,都由硬件電路在SG3525的10腳加一高電平,以關(guān)斷其PWM輸出。同時向單片機申請中斷,以便對故障進行進一步處理。各類故障均通過一個或門輸出信號給80C196KC的非屏蔽中斷NMI對其進行處理,該類中斷享有最高優(yōu)先級,其電路設計如圖6所示。由HIS.2和HIS.3來判斷發(fā)生了哪類故障。在故障中斷服務程序中,針對不同的故障,給出了不同的指示。當有以上4種故障之一發(fā)生,便徹底封閉IGBT的輸出,結(jié)束當前工作。

圖6 NMI的綜合保護電路

2.2 控制系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)設計的80C196KC微型計算機控制程序包括主程序和中斷服務程序兩部分。其中主程序用來控制電火花涂敷正常工作的整個過程,中斷服務程序用于處理過流、過熱、過/欠壓等故障。

主程序流程圖見圖7。其具體控制時序是:上電復位后,判斷涂敷槍開關(guān)是否合上;如果合上,進入電火花涂敷準備狀態(tài)。進入該狀態(tài)后,先根據(jù)預置的參數(shù)計算涂敷過程中的各種控制參數(shù),然后,提前送氣—開始工作—采集實時參數(shù)—進行動態(tài)PI調(diào)節(jié)—涂敷搶斷開—延時送氣—退出工作程序。

圖7 主程序流程圖

發(fā)生過流、過熱、過/欠壓等故障時,保護模塊會立即動作,一邊發(fā)出中斷請求,一邊直接切斷控制PWM的輸出。同時,中斷服務程序也會做出相應的動作進行報警。中斷服務子程序流程圖見圖8。

2.3 硬件電路抗干擾設計

由于本論文的主電路是一個十分復雜的模擬/數(shù)字、高壓/低壓、高頻/低頻混合逆變電路,且逆變電源的工作環(huán)境相對復雜,各種干擾源較多[6～7]。為保證電火花涂敷過程的順利進行,就要加強整個電火花涂敷設備內(nèi)部的抗干擾能力。本論文采用阻容濾波來抑制電源系統(tǒng)的干擾,用光電隔離和使用雙絞線來抑制I/O通道的干擾,用合理布置電源線、元件來減小信號線間的交叉干擾,用去耦電容來抑制印刷電路板干擾。

圖8 中斷服務子程序

3 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果

最后,對所設計的電火花電源主控制板分別進行了脫機調(diào)試和聯(lián)機調(diào)試。

脫機調(diào)試充分證明了印刷電路板設計和軟件設計完全滿足要求,驅(qū)動脈沖正常,保護動作及時有效、數(shù)字顯示正確穩(wěn)定、各動作時序與設計要求完全符合。

聯(lián)機調(diào)試時,經(jīng)空載和負載測試表明,所設計的基于MCU控制的電火花涂敷電源主控制系統(tǒng)能輸出理想的控制脈沖波形,其幅值、頻率和占空比均獨立可調(diào),電源設備可滿足不同金屬材料類工件的電火花涂敷需求。

4 結(jié)論

(1)所設計的電火花涂敷電源控制系統(tǒng)采用高性能的80C196KC微型計算機為控制核心,控制精度高,靈活性好,抗干擾能力強,操作方便,工作穩(wěn)定可靠。

(2)控制電路中的PWM輸出電路、電源監(jiān)控及看門狗電路、NMI保護和顯示模塊均能正常、穩(wěn)定的工作。

(3)本文從硬件和軟件兩方面采取了多種抗干擾措施,在脫機調(diào)試和聯(lián)機調(diào)試過程中,取得了較為滿意的效果。

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