基于PIC 單片機(jī)的往復(fù)走絲電火花線切割加工電源設(shè)計(jì)

蘇俊熙，張永俊，鄧志敏

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

目前往復(fù)走絲電火花線切割加工脈沖電源有弛張式RC 脈沖電源、可控硅脈沖電源、晶體管脈沖電源等，電源主要由高壓供電回路和脈沖主回路等組成，此類電源仍被廣泛使用。而電火花線切割加工電源的加工所需直流高壓部分大多還是采用工頻變壓器經(jīng)變壓后整流輸出來(lái)提供[1]。但工頻變壓器有個(gè)特點(diǎn)，即當(dāng)變壓器輸出功率大的情況下，其體積和重量也大，且在電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)，工頻變壓器不能使輸出穩(wěn)定。為了實(shí)現(xiàn)電源的小型化，減小電源體積與重量，使輸出變得更穩(wěn)定，本文利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)將直流高壓回路設(shè)計(jì)成高頻開關(guān)電源的形式，這樣就能大大減小整個(gè)脈沖電源的體積，成本也比工頻變壓器低，且在電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)輸出脈沖的峰值也穩(wěn)定。采用開關(guān)電源形式的高壓供電回路后，脈沖電源的電壓、電流和占空比等參數(shù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化調(diào)節(jié)，使電源集成化程度更高。

1 電火花線切割加工電源硬件電路的設(shè)計(jì)

1.1 電火花線切割加工電源系統(tǒng)組成

脈沖電源系統(tǒng)主要包括直流高壓供電電路、脈沖電源主電路和單片機(jī)控制電路（圖1）。市電220 V 整流濾波后約為310 V，直流高壓供電電路主要是把310 V 電壓轉(zhuǎn)換為70～110 V 可調(diào)的直流電壓，電壓高低與基準(zhǔn)電壓成正比。脈沖電源主電路輸出的加工脈沖的頻率和脈寬與脈沖1 的頻率和脈寬一致。間隙檢測(cè)電路采用平均電壓檢測(cè)法，檢測(cè)到短路時(shí)單片機(jī)快速響應(yīng)，確保加工的穩(wěn)定與硬件系統(tǒng)的安全[2]。單片機(jī)控制電路由最小系統(tǒng)外圍電路、串口硬件電路和觸摸屏組成，觸摸屏通過(guò)串口控制PIC 單片機(jī)。

圖1 脈沖電源系統(tǒng)原理圖

1.2 直流高壓供電電路設(shè)計(jì)

利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，設(shè)計(jì)基于直流斬波式的直流高壓供電回路，并能通過(guò)軟件的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)加工參數(shù)的靈活調(diào)整。所謂直流斬波，就是將直流電變換為另一固定電壓或可調(diào)電壓的直流電，也叫“直流－直流變換器”。直流斬波電路有以下幾種：BUCK 斬波電路、BOOST 斬波電路、BOOST－BUCK斬波電路。本文采用的BUCK 電路也叫降壓式斬波電路，作用是把220 V 市電整流濾波后的310 V 直流電壓，轉(zhuǎn)換為70～100 V 可調(diào)的電壓。在控制方案上選用專用的PWM 電源控制芯片TL494和PIC 單片機(jī)聯(lián)合控制。直流高壓供電電路原理見圖2。

圖2 直流高壓供電電路原理圖

TL494 是美國(guó)生產(chǎn)的電壓驅(qū)動(dòng)型的脈寬調(diào)制電源控制集成電路，可調(diào)節(jié)輸出電壓，并在市電波動(dòng)的情況下使輸出電壓穩(wěn)定?；赥L494 的BUCK 斬波電路一般原理見圖3[3]。TL494 的內(nèi)部電路由振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、基準(zhǔn)電壓電路、誤差放大器、輸出電路及脈沖寬度調(diào)制比較器等組成。輸出電壓Vout的表達(dá)式為[3]：

式中：Vref1為TL494 內(nèi)部的5 V 基準(zhǔn)電壓。在實(shí)際使用中，一般是通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R2的阻值來(lái)改變輸出電壓，不能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的調(diào)節(jié)。在本設(shè)計(jì)中，沒(méi)有用到TL494 內(nèi)部的5 V 基準(zhǔn)電壓，用的是單片機(jī)控制電路提供的基準(zhǔn)電壓，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的電壓調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)的原理見圖4，單片機(jī)控制電路提供的基準(zhǔn)電壓原理見圖5。單片機(jī)發(fā)出的脈沖經(jīng)RC 電路變成一個(gè)直流電壓。脈沖2 的峰值為Vpp，占空比為D，則單片機(jī)控制電路提供的基準(zhǔn)電壓Vref2為：

圖3 基于TL494 的BUCK 斬波電路原理圖

圖4 可數(shù)字化調(diào)節(jié)電壓電路原理圖

圖5 單片機(jī)控制電路基準(zhǔn)電壓原理圖

1.3 脈沖電源主電路設(shè)計(jì)

脈沖主回路采用晶體管式脈沖電源電路（圖6），由脈沖信號(hào)源、隔離驅(qū)動(dòng)放大電路、功率放大電路組成。信號(hào)源產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)隔離后，被放大用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的通斷，基于大功率開關(guān)管的功率放大電路將直流輸入的高電壓進(jìn)行斬波，輸出高頻直流電壓用于線切割加工。

圖6 晶體管式脈沖電源原理圖[4]

本設(shè)計(jì)的脈沖信號(hào)源由PIC 控制電路產(chǎn)生；在隔離驅(qū)動(dòng)放大電路中采用光耦HP4504 進(jìn)行電氣隔離，信號(hào)經(jīng)電氣隔離后，被送入MOSFET 場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)芯片UCC27321 進(jìn)行功率放大[5]。信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大后，驅(qū)動(dòng)MOS 管導(dǎo)通關(guān)閉，從而產(chǎn)生高壓加工脈沖。本設(shè)計(jì)的脈沖電源主電路原理見圖7。

圖7 脈沖電源主電路原理圖

2 電源控制程序的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的電火花線切割加工電源輸出脈沖的峰值、頻率和脈寬由PIC 單片機(jī)程序控制。程序采用C 語(yǔ)言編程，在MPLAB 編程環(huán)境下用MICC18編譯器進(jìn)行編譯。其中使用了單片機(jī)內(nèi)部的PWM模塊編寫圖1 所示的脈沖1，使用單片機(jī)的定時(shí)器模塊編寫脈沖2；單片機(jī)通過(guò)解析觸摸屏串口傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)，改變脈沖1和脈沖2 的參數(shù)。單片機(jī)程序每個(gè)子模塊均由中斷觸發(fā)，提高了單片機(jī)的實(shí)時(shí)控制效率。單片機(jī)程序結(jié)構(gòu)框圖見圖8。

圖8 單片機(jī)程序結(jié)構(gòu)框圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電火花線切割脈沖電源的可行性，實(shí)驗(yàn)采集了脈沖電源的電壓波形，并觀察放電加工的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下：在固定的時(shí)間內(nèi)，選擇一組電源參數(shù)進(jìn)行切槽實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，采集加工間隙空載電壓波形和加工火花放電的間隙電壓波形。加工完畢后，通過(guò)軟件調(diào)節(jié)電源參數(shù)，再進(jìn)行另一組電源參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)，同樣采集兩種狀態(tài)下的電壓波形。以此類推，分別調(diào)節(jié)脈沖電源的輸出頻率、占空比等參數(shù)，通過(guò)電壓波形和放電加工現(xiàn)象來(lái)評(píng)定脈沖電源的可行性及參數(shù)調(diào)整的情況。實(shí)驗(yàn)選用兩組電源參數(shù)，第一組參數(shù)為脈沖電源頻率10 kHz、電源占空比0.1、電源電壓90 V；第二組參數(shù)為脈沖電源頻率20 kHz、電源占空比0.3、電源電壓110 V。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖9 是頻率10 kHz、占空比0.1、電壓90 V 的加工波形和切槽。

圖9 第一組電源參數(shù)的加工波形圖和切槽

圖10 是頻率20 kHz、占空比0.3、電壓110 V的加工波形和切槽。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)的電火花線切割脈沖電源的可行性。電源脈沖輸出穩(wěn)定，電源參數(shù)能實(shí)現(xiàn)方便靈活的調(diào)節(jié)。從采集到的電壓波形來(lái)分析，加工間隙空載電壓波形規(guī)整，火花放電加工的電壓波形與理論的電壓波形相符。

圖10 第二組電源參數(shù)的加工波形圖和切槽

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)中，直流高壓供電回路是設(shè)計(jì)的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，利用電力電子的知識(shí)，采用BUCK 降壓式斬波的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以雙控制器控制的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓與調(diào)壓的功能，實(shí)現(xiàn)了電源系統(tǒng)的小型化、集成化與數(shù)字化，以及電源輸出電壓穩(wěn)定并能在使用電壓范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。采用了觸摸屏，使操作更直觀方便。該電源應(yīng)用在本課題組研制的連桿應(yīng)力槽線切割機(jī)床中，減小了電控柜的體積，降低了成本。

[1]楊宗強(qiáng).高速走絲電火花數(shù)控線切割機(jī)床維修技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2]霍孟友，張建華，艾興.電火花放電加工間隙狀態(tài)檢測(cè)方法綜述[J].電加工與模具，2003（3）：17-19.

[3]劉金峰，高偉.基于TL494 的電壓調(diào)整器[J].內(nèi)燃機(jī)，2002（12）：28-29.

[4]趙萬(wàn)生.先進(jìn)電火花加工技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003.

[5]李金飛，秦海鴻，戴衛(wèi)力，等.基于光耦HCPL4504和專用芯片UCC27321/2 的游艇電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J].電源世界，2008（7）：63-66.