脉冲电源说明书

11设计要求根据喷射电解射流加工的试验结果分析，对脉冲电源的设计提出的性能指标有输出电压可调调节范围为0300V；输出占空比可调调节范围080；输出频率可调调节范围050KHZ；12设计脉冲电源的原理独立式脉冲电源,是相对RC脉冲电源的放电脉冲不是独立形成而得名。它依靠开关的导通和截止实现脉宽放电和脉间消电离。还具有脉冲频率高、脉冲参数容易调节、脉冲波形好等优点。实现原理如下图所示独立式脉冲电源可分为等脉宽模式和等脉冲模式的独立式脉冲电源。本次设计选用的是等脉宽模式的独立式脉冲电源。在电解射流时，由于放电间隙极小，脉冲频率高，同时，由于MOSFET的驱动电源为浮地电源，驱动电源的参考地和脉冲电源的系统地没有任何关系，因而MOSFET的源极相对于脉冲电源系统地电位是不确定的，从而导致脉冲电源正极电位的不确定性。另外由于极间寄生电容的影响，也可能导致脉间阶段正极电位的不确定性。为了减小间隙状态对电路关断过程的影响，哈尔滨工业大学的研究人员深入研究了并发现，间隙电阻在采用加速电路后的电路中的作用并不大，因此直接用一个开关管代替间隙电阻，使电路得到简化，也能达到同样的效果。改进的等脉宽模式的独立式脉冲电源原理如下图所示图11改进的等脉宽独立式脉冲电源13脉冲电源的总体设计设计的脉冲电源包括以下几个部分主振电路、驱动放大电路、功率转换电路、检测电路和主电源电路等。总体结构框图如图12所示图12脉冲电源的总体结构框图各模块功能为（1）主振电路作用是根据加工的要求产生相应的脉冲信号来控制功率开关管的导通和关断，主振回路产生的波形质量的好坏对整个脉冲电源性能有着至关重要的作用；（2）驱动放大电路主振回路产生的脉冲信号的驱动能力弱，不能够直接驱动功率元器件工作，因此需要将脉冲信号放大，同时为了防止后面功率转换电路中的高频信号对主振电路产生干扰，需要设计隔离电路使其进行电气隔离，保证主振电路能够稳定地工作；（3）功率转换电路主振电路产生的脉冲信号控制功率开关器件的导通与关断，将直流电压转化成间隙两端的高频脉冲电压，功率开关器件的开关性能直接影响产生高频脉冲信号的质量。整体电路图已在上图中给出。（4）检测电路实时检测加工中各种放电状态并反馈给主振电路，控制脉冲信号的产生和变频进给，使加工处于稳定状态（5）主电源电路提供放电所需要的能量，同时还为主振电路、驱动放大电路、功率转换电路等提供电源。14脉冲电源主振模块的整体设计主振模块是喷射电解脉冲电源的核心部分，它的功能是产生脉宽与脉间可调的矩形脉冲，快速准确地进行间隙放电状态的识别和快速响应相应的放电脉冲控制。主振模块中脉冲发生信号质量、放电状态识别和放电脉冲控制处理性能直接决定了整个脉冲电源性能的好坏。针对电解射流加工的特点初步设计了基于CPLD的脉冲电源主振模块。设计的功能包括能够在线设置脉冲信号参数；脉宽脉间在一定范围内可以连续调节；能够对放电状态检测信号进行及时的处理。141主振模块电路总体设计单片机的信息处理、逻辑分析、决策判断能力强且体积小、性价比高、功能灵活，但是单片机的速度慢和可靠性低；而CPLD信号传输效率高，适合高速采样场合，抗干扰能力强，功耗低，可靠性高，适用性强，开发工具先进，设计和开发周期短成本低；但是CPLD一般只能实现数字逻辑，其信息处理、逻辑分析、决策判断等能力相对单片机弱很多。综合单片机和CPLD二者的优点，主振模块采用单片机与CPLD的联合设计，把两者的优势进行互补，由单片机处理复杂指令数据；CPLD负责传送高速实时信号；CLPD的I/O资料丰富，可以扩展单片机的接口；从而实现功能强大、线路简洁、性能优越的主振模块电路设计。主振模块主要由单片机控制系统和CPLD脉冲发生单元组成。单片机控制系统的作用是负责与上位机的通讯，然后进行数据的处理和转换，再将上位机传输的数据写入CPLD。CPLD脉冲发生单元的作用根据单片机产生的控制信号以及单片机写入的脉冲参数产生相应的脉冲波形，同时CPLD可以对放电状态检测电路所产生的信号进行及时的处理。主振模块电路总体结构框图如下图所示142单片机系统整体设计单片机系统是主振模块的关键控制部分，它实现的功能主要有将数据写入CPLD；对CPLD实施在线控制；数据的处理和转换；与上位机进行通讯。单片机系统原理框图如下图所示单片机系统由单片机、时钟电路、上电复位电路、串行接口电路和程序存储电路组成，各电路功能如下时钟电路51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为芯片引脚XTAL2，这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器。上电复位电路单片机要开始运行，必须规定寄存器初始值PC要指向程序开头，这个工作就由复位来完成。单片机运行时，在复位引脚加上持续时间大于两个机器周期的高电平，就可以完成复位操作。串行接口电路实现上位机与单片机的电平匹配，从而使上位机与单片机直接相连。程序存储电路程序存储器用来保存单片机内部程序。之所以外扩程序存储器是为以后系统的升级使用，一般单片机内部闪速存储器容量只有4K字节，当程序很大时，内部程序存储器的容量就有可能不够，因此主振模块外扩了程序存储器。程序存储器选用存储容量为32K字节的存储器。单片机系统中，与CPLD通讯程序的设计尤为关键，该程序的功能是查询上位机是否有数据发送过来，继而将上位机发送过来的数据写入CPLD中相应的寄存器或是对CPLD进行控制。单片机与CPLD通讯程序工作流程为单片机采用查询的方式将数据发送到CPLD，当单片机查询到上位机有数据发送过来时，根据数据类型标志位判断数据类型，再进入相应发送数据程序，首先对数据类型标志位清“0”，表示已经对这个数据进行了处理，然后保护现场，关闭总的开关中断控制位EA，屏蔽所有的中断请求，保证单片机向CPLD发送数据的过程中不受外界的干扰，当数据发送完以后，则恢复现场、开启总的中断控制位EA，进入主程序去执行其他的程序，流程图如下图所示其次是单片机与上位机通讯程序的设计。该程序的功能为接收上位机传来的数据，并且将上位机传来的数据转换为CPLD可识别的信息，然后将接收的数据返回给上位机。该单片机与上位机通讯程序的工作流程为当在上位机通过串口给单片机发送数据时，触发串行中断接收标志位RI，接着由单片机硬件自动生成一条长调用指令，进入串行通讯程序，为了保证执行中断程序的过程中不受外界的干扰，通过关闭总的开关中断控制位EA，屏蔽所用的中断请求来保证，然后读取接收缓存SBUF里的数据，并软件清中断接收标志位RI，单片机将数据转换成CPLD可以识别的信息，并将转换后的数据存储到相应的存储单元，置相应数据类型标志位为“1”，表示上位机向单片机发送了数据，等待单片机将数据发送到CPLD，最后将接收到的数据写入发送数据缓存SBUF，读取串口中断发送标志位TI，当TI的数值为“1”时，表示数据已经发送，清发送中断标志位TI，恢复现场，开中断，返回到主程序中执行其他的程序。流程图如下图所示143CPLD脉冲发生单元的整体设计CPLD是主振模块中的脉冲发生单元，它能够产生高频窄脉宽信号，根据设计要求CPLD具有的特点有逻辑资源丰富，时序确定，延时可以预测；能够完成组合逻辑功能和时序逻辑功能；能够进行在线系统编程，方便升级系统；当器件损坏后，方便更换元器件；具有丰富的引脚数，功耗低。1CPLD型号的初步选择CPLD的主要厂商有ALTERA公司和XILINX公司，国内主要使用的是ALTERA公司的产品。ALTERA公司生产的CPLD型号主要有MAX3000、MAX7000（B、S）、MAX9000和CLASSIC等。综合考虑之后，选择MAX7000S系列中型号为EPM7160S的CPLD，具体参数如下图所示这个型号的CPLD具有的功能如下可编程的输出摆率控制，33V或5V电压输出选择模式，具有节电模式选择，每一个宏单元可以节省50的功耗；160个宏单元数，10个逻辑阵列块，104个引脚；计数频率最高可达100MHZ，引脚到引脚的延迟最小为15NS；具有PLCC封装，能够方便的对CPLD进行更换；（2）CPLD外围电路整体设计CPLD脉冲发生电路主要由CPLD控制元件、程序下载电路、输出缓冲电路、数据锁存电路、时钟电路、和整形电路等组成。原理框图如下图所示各部分功能如下程序下载电路由于CPLD具有在线系统编程的功能，通过并行比特下载线将PC机和下载电路接口连接后，可以对CPLD进行现场编程，从而对整个系统进行升级。不需要重新设计下载电路或是把CPLD从电路板上拆卸下来，延长了CPLD的使用寿命。输出缓冲电路由于CPLD工作速度非常高，当内部触发器资源占用得比较多时，CPLD的功耗将会很大，为了减小CPLD的功耗，保证CPLD稳定运行，设计了输出缓冲电路，将CPLD的部分功耗转移到输出缓冲电路里面，这样能够保证CPLD能够更加稳定的运行。数据锁存电路单片机与CPLD通讯时，一般情况下采用P0口作为数据传输口，而单片机的P0口是地址数据分时复用口，因此，单片机在与CPLD通讯时，必须先把数据锁存起来从而保证传输数据的正确性。时钟电路有源晶振输出脉冲信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单，但为了使时钟信号波形更加规准，需要用施密特芯片对时钟信号整形。整形电路如果采用单片机输出信号的上升沿直接触发CPLD中的触发器，CPLD将不能识别，因此，必须对单片机输出信号进行整形。（3）CPLD内部程序的整体设计CPLD内部程序包括脉宽脉间可调模块、延时互锁模块、输出控制模块、信号处理模块、复位使能模块等组成。其各个模块的功能为脉宽脉间可调模块脉宽脉间可调模块的主要功能是根据上位机输入的数据产生相应的脉冲波形信号；延时互锁模块将一路脉冲信号分为两路完全相反的脉冲信号；输出控制模块控制脉冲信号的输出通道，根据不同的加工状态选择不同的输出通道；信号处理模块对放电状态检测电路传来的非正常放电状态信号进行处理，一旦在放电间隙发生非正常放电时，切断脉冲信号输出通道，抑制非正常放电；复位使能模块对输出信号使能或清零。CPLD内部程序原理框图如下图所示144主振模块抗干扰设计脉冲电源工作在高频环境下，不可避免地要受到来自各个方面的干扰，同时脉冲电源本身也是干扰源，因此在脉冲电源的设计中对电磁干扰来源的分析和防止也是至关重要的。（1）电磁干扰的来源放电过程中正离子、电子等的高速运动会产生高频振荡的电磁信号，通过两极的导线反馈回脉冲电源。高速开通、关断功率MOSFET管等高频器件时，会伴有尖峰振荡波产生，振荡波中高次谐波会通过功率MOSFET管等高频器件中的分布电容向空间辐射。导线传输的信号通过感应耦合，对邻近的导线产生干扰。（2）抗干扰的措施设计的抗干扰措施有一下五点低频电路的地应尽量采用单点并联接地，高频电路宜采用多点串联接地；将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流；合理设置和选择去耦电容，电路板焊接过程中，IC器件尽量采用直接焊接方式，少用IC插座，以提高芯片和电路板的抗干扰性能。按照“先大后小，先难后易”的布置原则，优先布局重要的单元电路、核心元器件；参照原理图和主信号流向，合理布局主要元器件；减小关键相邻两线回路环面积。15驱动放大电路的整体设计驱动放大电路主要由隔离电路、整形电路、驱动电路等组成，原理框图如下图所示各部分电路的功能如下隔离电路隔离电路的作用是防止主振回路受到后级电路的干扰。为了减小体积，方便电路板的设计，采用光耦隔离方式将前后级电路隔离。整形电路由于隔离电路的光耦为开集输出，必须外接上拉电阻才能为后续电路提供高电平信号，但这样就减慢了光耦输出波形信号上升沿的速度，同时主振电路输出的波形信号因受到外界的干扰而畸变，因此必须对输出信号进行整形。驱动电路驱动MOSFET工作。16功率转换模块的整