（电力电子与电力传动专业论文）微细电解加工窄脉宽脉冲电源的设计与实现.pdf

a b s r t a c t m i c r oe l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ( m i c r o e c m ) i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t r e s e a r c ha r e ai nm i n u t e n e s sp r o c e s s i n gf i e l d ，i th a sb e e na c h i e v e dm u c ha t t e n t i o n a r o u n dt h ew o r l d p u l s ep o w e rs u p p l yw h i c hi sa p p l i e di nt h em i c r oe l e c t r o c h e m i c a l m a c h i n i n gf i e l di sa l li m p o r t a n tp a r to fm i c r o m a c h i n i n gs y s t e m i t sp e r f o r m a n c eh a s g r e a t l yi n f l u e n c eo nt h et e c h n i ci n d e xo fm i c r o e c m t h u s i ti sg r e a t l ys i g n i f i c a n tt o r e s e a r c ht h ep u l s ep o w e rs u p p l yw h i c hs h o u l db em e tt h e m i c r o m a c h i n i n g r e q u i r e m e n t s m a n yr e s e a r c he x p e r i e n c e si n h o m ea n da b r o a ds h o wt h a tt h e c o n t r o l l a b l es i n g l ep u l s ee n e r g ya n dh i g hf r e q u e n c yn a r r o w - w i d t hp u l s ep o w e r s u p p l yi so n eo ft h ee f f e c t i v ew a yt oa c h i e v et h em i c r o n 1 e v e le l e c t r o c h e m i c a l m a c h i n i n gp r e c i s i o n a 1 lo ft h e s ew o u l db et h eb a s et h e o r yo fd e v e l o p i n gt h en a r r o w w i d t hp u l s ep o w e rs u p p l y f i r s t l y , t h eb a s i cp r i n c i p l eo fm i c r oe l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n gp u l s ep o w e r s u p p l yi s i n t r o d u c e d p u l s ep o w e rp a r a m e t e r sa f f e c t e dt h e p r e c i s i o no fm i c r o e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n ga n dt h ep o s s i b i l i t ya f f e c t e dt h ea c h i e v e m e n to fn a r r o w p u l s ew i d t ha r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e da n dd i s c u s s e d b a s eo nt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so ft h em i c r oe l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g p u l s ep o w e rs u p p l y , t h eh a r d w a r ed e s i g ns c h e m ef o rn a r r o ww i d t hp u l s ep o w e ri sp u t f o r w a r d t h ep u l s ep o w e rs u p p l yc o n t r o lu n i ti sb a s e do nt h em c ua n dc p l d a n d m a i nd i s c h a r g ec i r c u i t , c o n t r o ll o o pa n df e e d b a c kc o n t r o ll o o pa r ed e s i g n e db y m o d u l ew a y s a tt h es a m et i m e ，a l lt h es u b m o d u l eo fh i 2 i lf r e q u e n c yp u l s eg e n e r a t o r u n i t sa r ef u l l ys i m u l a t e db yt h em o d e l s i m es e ，a n dt h es c h e m ef e a s i b i l i t yh a sb e e n v e r i f i e d p ci n t e r f a c ea n ds o f t w a r es y s t e mo fn a r r o ww i d t hp u l s ep o w e ra r ed e s i g n e db a s e o nt h ep l a t f o r i l lo fh a r ds y s t e mo fn a r r o ww i d t hp u l s ep o w e rs u p p l y t h ef o l l o w i n g c o n t r o lt a s k sa r ea c h i e v e db a s e do nt h es o f t w a r es y s t e m ：d a t ac o m m u n i c a t i o n s p u l s e p o w e rs u p p l yp a r a m e t e r sa n dm a c h i n i n gp a r a m e t e r sw i t h i nac e r t a i nr a n g eo n l i n es e t a n dd i s c h a r g eg a pd e t e c t i o na n ds oo n f i n a l l y , c o n t r a s t i v l ym a c h i n i n ge x p e r i m e n to fm i c r o h o l eo nt h em i c r o m a c h i n i n gd e v i c ef o rt h en i c k e la r ec a r r i e do u tb a s e do nt h en a r r o ww i d t hp u l s e p o w e rs u p p l yu n d e rd i f f e r e n tp u l s ew i d t h t h eo u t p u tp u l s ew a v e f o r i l lo fc r i t i c a l m o d u l e sa r eo b s e r v e da n da n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es u r f a c ep r e c i s o n o fm i c r o h o l ei sh i g ha n dt h ed e s i g ns c h e m eo fn a r r o wp u l s ew i d t hi sf e a s i b l e k e yw o r d s ：m i c r oe l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ，p u l s ep o w e rs u p p l y , n a r r o wp u l s ew i d t h l l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：笙趁坚日期：羔缝：( ：垄 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 触导师( 签名) ： 日期：2 1 丝：乡 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 精密制造技术是机械制造中的重要研究领域，对加工技术的发展有重要的 意义。各个国家十分重视现代加工技术和制造业的发展，利用他们制作出新型 产品以及提高国家的核心竞争力【1 】。近年来，各行各业对微细工件( 例如：光学 码板) 呈现出极大的需求，微细加工技术所具有精度高和工艺性好等优点得到了 较快的发展，并在精密制造技术中发挥了重要的作用。从粗糙加工到精密加工 至到超精密加工的飞跃，逐步呈现出许多新型的加工方法，最具有代表性的有 微细电火花加m ( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g 简称e d m ) 和微细电解加工 ( e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g 简称e c m ) 等。 随着微细电火花加工和微细电解学加工技术的日益广泛应用，基于微细加 工技术的脉冲电源也得到越来越多的重视。在机械加工领域中，世界各国在微 细加工脉冲电源技术上投入了大量的研究。微细加工脉冲电源的性能指标直接 决定被加工工件的加工精度，要想实现表面加工精度从毫米级向纳米级的跨越， 进一步对微细加工脉冲电源的研究有着更深远的意义。 微细电解加工脉冲电源是微细电解加工中最为重要的装置之一，从二十世 纪三、四时年代以来，人们一方面的探索微细电解加工本质，从加工过程中分 析脉冲电源参数对微细加工工艺的影响，为实现高精度的工艺奠定理论基础； 另一方面从微细电解加工的微能脉冲电源入手，通过加工试验来探索电源参数 对加工工艺的影响，不断的深入研究以达到更好的加工效果。大量的实验数据 显示：单个脉冲放电能量、脉冲电源的输出电压和电流值的大小、脉冲的宽度 是影响微细电解加工的精度、被加工工件表面质量最为重要的电源参数【l i 。因此， 从影响微细加工的电源参数入手提高微细电解加工的精度和工艺性是最为重要 的途径之一：单个脉冲的能量、电流的大小、脉冲的宽度是脉冲电源关键性的 技术指标，近年来已成为国内外研究的重点。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 微细电解加工原理 电解加工技术是在一定的外加电压的情况下，利用被加工工件在电解液中 产生阳极溶解的电化学反应原理而对工件进行成型加工的一种电化学加工方法 【加1 。在加工过程中，当工具电极( 阴极) 向被加工工件( 阳极) 不断靠近时，在外加 电压的作用下，被加工工件材料按电极的型面不断被溶解，电解产物逐渐融入 化学电解液中，最终在被加工工件上留下与工具电极相反的近似型面【1 i 。微细电 解加工原理图如图1 1 所示，加工电极接脉冲电源阴极( 负极) ，被加工工件接脉 冲电源的阳极( 正极) ，工件和电极间接电压为i v 一1 0 v ，工件和电极间( 加工间 隙) 在1 0 朋以下，电解化学液以5 m s 5 0 m s 的速度流过加工间隙，使其构成一 个导通回路形成放电电流。 加 工具进给 加工出的零件 图1 1 微细电解加工原理图 微细电解加工是指单个脉冲放电能量在1 0 - 6 1 0 - 7j 且工件的加工尺寸被控 制在一定的范围之内( 通常在1 a n i m m ) ，利用电解加工得到高精度、工艺性能 好( 粗糙度小、梯度小) 的加工方法。电解加工过程是比较缓慢的，而且加工效率 通常比较低，主要是由于加工过程中是使用高频的脉冲电源导致的。然而微细 电解过程中无宏观作用力，为实现微细电解加工的创造了前提条件。在很多场 合，微细电解加工具有以下优点： ( 1 ) 加工范围广：微细电解加工对被加工工件的材料几乎没限制； ( 2 ) 加工电极损耗小：当阴极只发生析氢气反应时，在加工过程中电极基本 无损耗，其形状基本不会发生变化，能保证较好的定形精度； ( 3 ) 加工精度高：工件的被加工范围在1 删i m m 之间。 2 武汉理工大学碗士学位论文 哈尔滨工业大学、南京航空航天大学在徽细电解加工技术领域走在国内的 前列，它们都进行徽细电解加工的实验研究，图l - 2 是哈尔滨工业丈学采用脉宽 为8 0 z s ，脉冲幅值为6 v 的脉冲电源在铁片上加工的直径约为6 0f a n 微细曲粱 1 3 1 ，图1 - 3 为南京航空航天大学采用l o o n s 脉宽，脉冲频率为3 m i t z ，4 v 的电源， 利用1 1 0 , u m 的铜丝电极加工出的一1 6 0 a n 微细小孔”j ，从图中可以看到孔的边 缘无毛刺，侧壁锥度比较小 要想在微细电解加工技术方向有所突破，实现更高的加工精度和好的工艺 性，对微加工系统中的脉冲电源提出了更高的要求。 图1 2 徽细曲粱 圈囡盘盥 圈1 3 微细小孔 1 3 微细电解加工脉冲电源的研究现状 脉冲电源实质上是利用开关型器件对直流型电源进行通断控制得到的一种 比较类似于脉冲序列的电源。脉冲电源按照频率特性可分为：高频脉冲电源、 低频脉冲电源；按照输出功率的大小可分为：微功率( 微胁型脉冲电源、大功率 型脉冲电源。在微细电解加工工程中，脉冲电源的作用是把电网的交流电转换 成一定频率的单向序列脉冲，为浸在工作液中的两极放电提供能量，从而去除 被加工工具表面的一种电化学加工方法。传统形式的脉冲电源有如r c 型脉冲电 源、可控硅s c r 型脉冲电源、g t o 型脉冲电源和m o s f e t 型脉冲电源“1 它们 均存在着明显的缺陷，已经不能满足微细加工领域的需求。然而随着电力电子 功率型器件的不断发展，脉冲电源也随着不断发展。 蠲j 慧曩薅 羔 蠖乒一， 黟k 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 微细电解j j n r 微秒级脉冲电源 北京理工大学的唐兴伦博士团队研制了一种新型高频群脉冲电解加工电 源，电路原理图如图1 - 4 所示。所研制的脉冲电源的主要特征有1 5 1 ： ( 1 ) 脉冲形式：能够实现直流低频脉冲、高频脉冲和群脉冲相互切换； ( 2 ) 单个脉冲电压：5v 3 0v ； ( 3 ) 脉冲的峰值电流能达到1 0 0 a ； ( 4 ) 脉冲频率：主脉冲频率为5 2 0 k h z ，调制脉冲频率为1 0 0 h z 1 k h z ； ( 5 ) 保护电路的响应时间在1 0 芦以内，不至于损坏电力器件； ( 6 ) 开关功率器件：选用e u p e c 公司的i g b t ，门极控制信号采用光纤传输 避免了环境因素的影响。 此电源能够应用于微细电解加工，由于脉冲频率不够高致使加工精度不够 高。 相 交 流 电 图1 4 高频群脉冲电解加工电源原理图 广东工业大学张永俊教授研制的高频脉冲电解开关电源，电路原理图如图 1 5 所示。主要技术参数是【6 l ：频率范围为1 0 k - 1 0 0 z ；电压范围为5 v 2 4 v ：峰 值电流是1 0 0 a ；占空比是0 1 0 5 ，主要特点是选用图腾推挽式加斩波器输出， 实现功率管的交替导通能够很好的处理功率管的功耗问题；输出的电流比较大， 主要应用于电镀加工。 同样由于脉冲电源的频率不够高，且驱动电路性能不够理想，本电源不能 够应用于精密加工领域，但本电源设计是从节约能源、保护环境等方面出发， 具有实际意思，值得借鉴。 4 武汉理工大学硕士学位论文 图1 5 高频脉冲电解开关电源原理图 1 3 2 微细脉冲电解加纳秒级脉冲电源 清华大学团队研制的微细电解加工脉冲电源，将信号发生与加工状态检测【7 1 集成于一体，实现加工过程的闭环控制为电源的稳定性提供了保障。微细电解 加工电源参数如下：输入电压范围0 一i o a ，输出电压范围一1 2 v 1 2 v ，输出电流 范围0 - 3 a ，采样频率l0 0 k h z 。用所设计的微细电解加工脉冲电源在频率1k i - i z ， 峰值5 8 v ，电解液为1 0 的n a n 0 3 溶液的条件下，以铜做加工电极，在不锈钢 上加工出的微小孔，孔径约为2 7 0 比m 8 1 。 哈尔滨工业大学研制的微细电解加工脉冲电源如图1 - 6 所示。利用电流传感 器装置能够实现加工间隙的智能控制，能够为微加工提供合理的加工间隙，从 而具有提高加工尺寸精度的能力。所设计的脉冲电源能稳定输出最小脉宽为3 0 0 a s 、间隙电压0 1 0 v 和放电电流在0 2 a 内连续可调【3 i 。利用此脉冲电源加工出形 状较好的6 0 z t m 的曲梁，然而此脉冲电源同样也存在着内在的缺点：占空比不能 连续可调、加工时脉冲电源输出的脉宽没能达到纳秒级。 制 计 算 机 1 丽ip i c 串行接口f 一 】o h 蚕n | | s c c n i x 啪h 点位比 驱动放： 畅荔 器 r 电极 工件 图1 - 6 微细电解加工脉冲电源原理图 南京航天航空大学朱狄团队利用分立元器件研制的纳秒级微细电解加工脉 5 武汉理工大学硕士学位论文 冲电源原理图如图1 7 所示。由于此电源的加工平台具有良好的性能，在加工时 工件和电极间的加工电压能够控制在0 - 5 v ：脉宽可在2 0 n s 5 0 0 n s 范围内连续可 调1 4 1 1 。 图1 7 纳秒级微细电解加工电源原理图 德国f r i zh a b e r 研究所研发的脉冲电源频率最高可达到2 0 0 m h z ，脉宽最小 达到5 0 0 p s t 9 1 ，但没有给出相关的原理图。利用此电源进行微细电解加工时，成 功的在金属镍上加工出5 9 m 深螺旋，工件表面的工艺性比较理想。 综上所述，为研制各种新型的、高性能微细电解加工脉冲电源人们不断的 在进行探索。目前，国内也研制出有水准的脉冲电源，但和国外相比还存在一 定的差距。 1 4 课题研究的目的和意义 脉冲电源是微细电解加工中最为重要的环节之一，研制出高频、窄脉宽的 脉冲电源已经成为精密微细电解或电化学加工领域研究的重点和难点。大量实 验数据显示：单个脉冲的放电能量和脉宽的大小对微加工的精度和工件的工艺 性有着重要的影响。国内外研制的脉冲电源存在着很大的差距；国外纳秒级脉 宽的脉冲电源已经大量生产，甚至皮秒级的脉冲电源也已投入研究，而国内的 脉冲电源普遍停留在微秒级，这使得国内微加工工件的精度相对于国外而言还 低一个量级1 3 7 】1 3 8 】1 3 9 1 。所以研制出稳定性好、加工效率高、除去能力强的微细电解 6 武汉理工大学硕士学位论文 加工窄脉宽脉冲电源对提高加工精度具有重要的意义。 1 5 课题主要研究的内容 ( 1 ) 通过对影响微细电解加工精度的脉冲电源参数和影响实现窄脉宽的技 术因素进行了分析和讨论，为设计出符合微细电解加工的脉冲电源奠定理论基 础。 ( 2 ) 以单片机和c p l d 作为微控制器，利用模块化的方法对关键硬件模块进 行设计，并给出微细电解加工窄脉宽脉冲电源的硬件设计方案。运用图形语言 和v e r i l o gh d l 硬件描述语言对高频脉冲发生单元进行设计，并利用 m o d e l s i m s e 对各模块进行仿真。 ( 3 ) 以微细电解加工脉冲电源的硬件系统为平台，完成脉冲电源软件系统的 设计，并编写上位机操作界面。 ( 4 ) 将设计的窄脉宽脉冲电源在不同的脉宽下，在微细加工装置上进行微细 孔对比工艺实验，并对脉冲电源关键模块输出的脉冲波形进行观察和分析，验 证本文设计方案的可行性。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章微细电解j n - r - 脉冲电源设计方案的选择 在微细电解加工过程中，脉冲电源的作用是把电网的交流电转换成一定频 率的单向序列脉冲，为加工提供恰当的能量。它是微细加工系统中的重要组成 部分，要实现微细加工高精度和工艺性好的特性，这对脉冲电源的技术参数和 加工参数提出了一定要求。本章节将从影响微细加工精度和工艺两个方面入手， 重点对脉冲电源的参数进行理论性的分析，为后续微细电解加工脉冲电源的整 体设计奠定基础。 2 1 脉冲电源参数对微加工技术的影响 2 1 1 被加工工件工艺性的影响 工件工艺性通常用表面的粗糙度、通孔的梯度等参数来衡量。本文中只对 影响工件工艺性的电源参数进行分析。工件表面粗糙度一般用表面水平度的平 均值偏兄或用水面度的最大偏差值k 表示。单个脉冲放电能量对表面粗糙度 影响最大：单个脉冲放电能量越大，放电时蚀除量也就越大，容易形成梯度， 从而使工件表面粗糙度恶化【1 4 1 1 1 5 l 。 表面粗糙度和单个脉冲放电能量之间的关系，可用公式2 1 表示 r m x = 零3 e 0 4 ( 2 一1 ) 其中，k 。常数 2 1 2 加工效率的影响 微细电解加工过程可以看成是一系列单个脉冲放电加工之和，在单位时间 内的总蚀除量s 近似等于这段时间内各个脉冲蚀除量的总和。通常用单位时间内 加工的面积来衡量加工效率2 1 ，即加工速度矿 v = s t = k w f ( ( 2 - 2 ) 式中：单个脉冲放电能量； 8 武汉理工大学硕士学位论文 七：常数，与电极、工件材料等参数有关； 厂：加工时脉冲电源提供的脉冲频率； c l o c k q 3 1 o 】 d f f 一 书o c 3 k l 由1k e n a b l e s h i f t i n l e rs h i f t 图3 - 4c p l d 接收模块电路图 1 7 1 o 】 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 2 下位机控制器 为了实现微细电解加工电源参数和加工参数设定的易操作和智能化，并节 省c p l d 的宏单元，本文下位机控制器选用a t m e l 公司生产的a t m e g l 6 单片 机作为上位机与c p l d 的通信桥梁，它主要完成上位机与单片机之间的数据通 讯、单片机与c p l d 之间的数据通i ：f l , t 砌、对放电间隙状态的检测来决定z 轴的 运动方向来调整电极和工件之间的加工间隙。a t m e g l 6 单片机是一种高性能、 低功耗的8 位a v r 微处理器，先进的m s c 结构工作在1 6 m h z 时性能高达 1 6 m p s ，具有非易失程序和数据存储器。外部特点：四通道的p w m 、8 路l o 位的a d c 、两个可编程的串行u s a r t 、可工作于主机从机模式的s p i 串行接 口和片内模拟比较器【2 l l 。单片机编程可采用汇编语言或c 语言编写，或混合编 写，利用i c c v 7 i d e 开发平台对a v r 系列单片机进行软件开发，它具有编程灵 活且容易掌握等特点。 下位机控制器主要完成以下任务： ( 1 ) 利用端1 2 1 将电源技术参数：如脉间、脉宽和放电电流、电压等传递给脉 冲产生单元； ( 2 ) 将电流支路选择通道命令和电压比较模块的阈值电压传给相对应的执 行机构； ( 3 ) 将反馈控制回路检测的数据利用串口传递给上位机，从而对z 轴运动方 向进行控制，实现微细加工系统的闭环控制。 3 4 高频脉冲产生单元的设计 本文是利用c p l d 的定时与计数功能来实现高频脉冲信号的。一般来说， 脉间和脉宽是使用计数器和定时器来实现的，在精度和频率要求不高的场合可 以应用单片机、分立器件或可编程计数芯片实现。单片机的计数器和定时器可 实现1 m h z 左右的脉冲信号，可编程计数芯片8 2 5 3 可实现2 m h z 左右的脉冲信 号，而本文设计的脉冲电源要求实现脉宽和脉间在l o o n s 左右( 即1 0 m h z 左右) 很明显利用单片机或可编程计数芯片难以满足要求f 2 2 1 。值得提出的是：上述还未 充分考虑器件延时和中断响应时间，所有必要采用具有更高速计数功能的器件 来设计本电源。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 高频脉冲信号的产生一般有以下三种方式：智能控制电路、神经网络超大 规模集成电路( v l s i ) 、可编程逻辑器件和分立器，通常选用前三种方式最为普 遍1 2 4 j 。可编程逻辑器最具有代表性的是c p l d 和f p g a ，f p g a 是在c p l d 的基 础上发展过来的。从多方面角度考虑，本文不选用f p g a ，而选用复杂可编程逻 辑器件c p l d 作为高频脉冲产生单元的控制器。因为它同样也具有编程灵活、 集成度较高、处理速度快、可靠性能好等优点，能够真正的实现硬件设计的柔 化性t 2 4 1 。 从控制系统的要求、成本和芯片资源的利用率等角度出发，本文设计中选 取a l t e r a 公司生产的8 4 管脚的e p m 7 1 2 8 芯片来产生系统所需的高频信号。 e p m 7 1 2 8 是m a x 7 0 0 0 系列增强型的产品，时钟频率最高的时候可达1 4 7 m h z ， 通过综合考虑本文设计选取的外部时钟频率为5 0 m h z 。e p m 7 1 2 8 芯片内的门电 路最小传输延时可达5 n s ，内部有2 5 0 0 个可用f - j ，1 2 8 个宏单元f 3 1 1 ，完全满足设 计要求，它还可以通过j t a g 接口可以实现在线编程，可利用q u a r t u s i i 、 m o d e l s i m s e 软件实现在线仿真。 3 4 1 高频脉冲产生单元的整体设计 本文是利用c p l d 的定时与计数功能来实现高频脉冲产生单元，原理图如 图3 5 所示。 单 肯 机 测 信 号 时钟信号 地址总线。 数据锁存器 、 脉间参数 1 6 位脉宽 ， 计数器r k电流支路 、 输 选择参数 出 比较器阈脉两 支 。 值电压 断el 躅 路 、 脉宽参数 二j 1 嚣 数据总线 图3 5 高频脉冲产生单元原理图 由图可知，高频脉冲产生单元原理图中包括逻辑电路和时序电路两大部分。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 利用a t m e g l 6 单片机的串行外设总线接口s p i ，将电源参数值和控制命令字以 寻址的方式传递给c p l d ，单片机与c p l d 之间的数据通讯电路图如图3 4 所示， 此时c p l d 作为外部寄存器被单片机来访问。传递过程中的每一个参数都被设 定了一个被访问的固定地址，通过一个有效的边沿信号后数据被传送。a t m e g l 6 的数据总线宽度是8 位的，要将1 6 位的数据参数传递给c p l d 的数据锁存器时， 则需通过2 次传递一个参数。电流支路选择是使用一个三位的二进制数代表支 路的选择情况：最低位为l 是表示支路1 被选通，最低位为0 时表示支路1 没 有被选通，其它情况以此类推。当放电间隙电压值比设定的电压值高时，比较 器输出一高电平，此时c p l d 的输出端与比较器输出的高电平一起经电压控制 电路输出最终的脉冲信号。c p l d 时钟信号采用5 0 m h z ，1 6 位的计数器，则脉 宽和脉间可以以2 0 n s 为间隔连续调节，若有需要则可进一步提高时钟信号的频 率。 高频脉冲产生单元硬件电路图如3 - 6 所示： 图3 - 6 高频脉冲产生单元硬件电路图 3 4 2 数据锁存模块的设计 o u t _ p u l s e 脉冲电源的参数设置是通过a t m e g l 6 单片机传递给c p l d 的数据锁存单 元，对于仅有4 0 管脚的8 位a t m e g l 6 单片机而言，不能够一次传输1 6 位完整 的参数信号，则需要分割分时传输并保存到与地址相对应的寄存器。在数据传 输过程中，先将要传递的数据信号传送到单片机的数据总线上，通过控制信号 发送一个有效的边沿信号后将数据锁存到指定的数据锁存寄存器中，连续6 次 武投理工大学硕士学位论文 就可把控制信号全部发送。 利用设计软件m o d e l s i m s e 提供的仿真功能对数据锁存模块进行仿真，仿 真图如图3 7 所示。图中d a l a 【7o 】为放在数据总线上的数据信号；e no f l h 为脉 间参数的高8 位使能信号、e ao m 为脉间参数的低8 位使能信号、o n h 为脉 宽参数的高8 位使能信号、e no i l l 为脉宽参数的低8 位使能信号、e n c h s e l 为电 流支路控制信号io f l h 7 o 】、0 0 1 1 7 o 】、o n h 7o 】、o n l l 7o 】和c h s e l 7 0 】分别为输 出信号。由图中可以看出，当数据在数据线上保留一段时问后发一个有效的边 沿脉冲控制信号后即可对相应数据的锁存，它们被保存在对应地址单元的寄存 器中。 圈3 - 7 数据锁存仿真圉 3 4 3 脉冲发生子模块的设计 脉冲发生子模块是由脉宽计数器、脉间计数器和具有使能功能的r s 触发器 组成，模块的功能是通过硬件描述语言v e i l l o gh d l 编程实现的。脉冲发生子模 块原理图如图3 - 8 所示；其中o f f _ w i d t h c o u n t e r 是脉间计数器，o nw i d t hc o t m t c r 是脉宽计数嚣，u i 、u 2 、u 3 和u 4 组成具有使能功能的r s 触茇器。c l k 是外接 时钟信号输入端、e n a b l e 为使能输入端、o f fw i d t h 0 ：l s 是脉间计数输入端、 武汉理工大学硕士学位论文 o nw i d t h o ：1 5 是脉宽计数输入端、p u s l e l 和p u s l e 2 为脉冲发生模块的输出端。 o f f w i d t hc o u n t e r e l k e n a b l e o nw i d t h 0 ：1 5 图3 8 脉冲发生子模块原理图 脉宽计数器和脉间计数器的功能原理完全相同，只是在不同的应用场合计 数次数不一样。现以脉间计数器为例，对脉间计数功能进行描述：当e n a b l e 管 脚位为0 时，时钟信号无效，内部计数器停止工作；当e n a b l e 管脚位为1 时， 在时钟信号的上升沿到来时计数器开始计数，若计数器计数值达到设定值( 或最 大值时) 计数器的输出端o u t p u t 输出一个低电平信号；此时c l r 管脚在一个有效 沿到来时，计数器的内部寄存器被清0 ，随后的过程依此循环。 r s 触发器的功能表如3 1 所示： 表3 1r s 触发器的功能表 输入输出 r e s e trs p u s l e lp u s l e 2 oooo 1 oo 1 o 1 o1ool o 1 1o l 1o o 1 o 1 1o l 1 oo 1 1 11 由脉宽间计数器功能的描述和带使能端的r s 触发器的功能描述可知，脉 冲发生子模块的功能描述如下： ( 1 ) 当e n a b l e = 0 时，脉宽计数器，脉间计数器和触发器都停止工作，此时 输出端输出低电平； 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 当e n a b l e 管脚有一个上升沿信号到达时r e s e t = 1 ，o f fw i d t hc o u n t e r 开 始计数；当脉间计数器的计数值等于设定值o f f 时，frwidth0：15 ow i d t hc o t m t e r 的输出端o u t p u t 输出一个高电平，即s = i ，此时p u s l e l 输出高电平，p u s l e 2 输 出低电平，从而使得o f fw i d t hc o u n t e r 停止计数并且计数器的寄存器中的值被清 0 ，o nw i d t hc o u n t e r 开始计数； ( 3 ) r e s e t 依然为1 ，o i lw i d t hc o u n t e r 开始计数；当脉宽计数器的计数值等 于设定值o n时，的输出端输出一个高电平，w i d t h 0 ：1 5 o nw i d t hc o u n t e r o u t p u t 即r = i ，此时p u s l e l 输出低电平，p u s l e 2 输出高电平，从而使得o nw i d t hc o u n t e r 停止计数并且脉宽计数器的寄存器中的值被清0 ，o f fw i d t hc o u n t e r 开始计数； ( 4 ) 由于带使能端的r s 触发器的存在，使得脉间计数器和脉宽计数器交替 计数，即重复( 2 ) 和( 3 ) 的过程输出脉冲信号。 以上的工作过程可用工作状态转换图表示，状态转换图如图3 - 9 所示。 计 图3 - 9 状态转换图 利用m o d e l s i m s e 提供的仿真功能对设计的脉冲发生子模块进行仿真，仿 真图如图3 1 0 所示。信号源依然选用5 0 m h z ，则一次计数的时间为2 0 n s 。仿真 过程中设定脉宽计数器的设定值为2 ，即计数2 次，脉宽为4 0 n s ；脉间计数器的 设定值为3 ，即计数3 次，脉间为6 0 n s 。设定选择c h s e l 7 ：0 为0 2 ，则选择电流 支路2 。从图中可以看出输出脉宽为4 0 n s ，脉间为6 0 n s 的脉冲信号，仅p u l s e 2 有脉冲输出，满足预期设计要求。 要实现分组脉冲，可以在脉冲的输出端设置一个使能引脚，通过单片机的 定时器对此管脚进行控制，使脉冲电源的适用性变大【2 3 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 1 0 脉冲麓生子模块仿真波形图 3 4 5 脉冲切断模块的设计 通过2 3 节可知减小杂敖电容两端的最大充电电压u 是减少电容积聚能 量的最有效方法【l2 i ，因此脉冲切断模块是为微细电解加工过程中消除杂散电容聚 集的能量，避免影响加工精度而专门设计的。对电极和工件之间的电压值( 极间 电压值) 实时的采样，采样值与设定的电压值相比较进行比较，若极间电压值比 设定的电压值大，则电压比较模块( 电压比较模块详见3 61 章节) 输出一高电平 的脉冲信号。此脉冲信号与脉冲发生予模块输出的脉冲信号相叠加后，使脉冲 发生子模块输出的脉冲信号的脉宽瞬时变为低电平，实现对脉冲信号的“切断”， 这样就可以消除极间电容放电能量对微加工的影响，避免工件表面质量的恶化。 脉冲发生子模块输出的脉冲信号被切断可分为两种形式：( 1 ) 在切断脉冲信 号的高电平期间使脉宽信号变为低电平，( 2 ) 在切断脉冲信号的上升沿期间，将 脉宽信号全部变为低电平。由于产生的脉宽信号一般都在l o o n s 左右，如果使用 第( 1 ) 种方案切断脉冲信号，则要求m o s f e t 由开通到关断在几 卟纳秒内完成， 这对应硬件电路和开关器件提出了很高的要求，实现起来有些困难，如果使用 第( 2 ) 种方案切断脉冲信号，会使得电源的加工效率受到影响。通过比较，本文 武汉理工太学硕士学位论文 设计中选用第( 2 ) 中方案设计硬件电路。脉冲切断模块电路圈如图3 ，1 1 所示，图 中p u l s e _ c u t 是电压比较模块的输出信号，c u t j a u l s er e g 是带使能端( e ) 和置位端 ( s ) 的边沿d 触发器。 n u s y s e l k 图3 1 1 脉冲切断模块电路图 利用m o d e l s i m s e 对脉冲发生模块整体进行仿真，仿真图如图3 1 2 所示， 由圈可知只要p u l s ec u t 脉冲一出现，就能使脉宽信号在p u l s e _ c u t 的下降沿后全 部被拉低变为脉问信号，仿真图彤和预期设计的功能一致，则使m o s f e t 由导 通变为关断停止对工件的加工避免表面的恶化。 图3 1 2 脉冲发生模块仿真波形图 武汉理工大学硕士学位论文 3 5 驱动放大模块的设计 3 5 1 开关型器件的选择 随着电力电子器件技术的不断向前发展，可控型开关器件已经发展到一个 比较成熟的阶段。市场上主流的可控型开关器件有：功率晶体管( g t r ) 、绝缘栅 晶体管( i g b t ) 、功率场效应管( m o s f e t ) 及可关断晶闸管( g t o ) 等等。在高压、 大电流、高频率场合绝缘栅晶体管( i g b t ) 和功率场效应管( m o s f e t ) 被广泛应 用；而高频、低电压、中小微功率应用领域主要选用m o s f e t t 2 5 - 2 7 1 。功率开关管 的开关响应时间对脉冲电源的整体性能有着直接的影响，因此对开关管选型显 得尤为重要。 选型时应考虑因素主要有：功率管的功耗应比较小、重复工作频率对功率 管的开关特性影响应尽量小、功率管易于控制和对应的驱动电路应尽量简单、 功率管的性能指标应尽可能的好。 本文所设计的微细电解加工窄脉宽脉冲电源要求脉宽和脉间都在l o o n s 左 右，通过比较选取m o s f e t 作为本文的开关型器件。m o s f e t 属于电压控制型 器件，具有输入电阻大、驱动电流比较小、驱动电路简单( 甚至有专用的驱动集 成芯片) ，并且无二次击穿等特点。本文选择n 沟道增强型m o s f e t 管i r f 8 3 0 作为主电路的开关器件，通过查询芯片手册可知：静态时驱动电流几乎为o ；由 于极间电容的存在，开通和关断时的驱动电流分别为7 0 m a 、5 3 m a ；开通与关 断时间均不大于2 01 1 s ；故都符合本电源的设计要求。 3 5 2 影响m o s f e t 开通关断的主要因素的分析 本文设计的脉冲电源要求实现窄脉宽， 接影响脉冲电源脉宽和脉间的大小。因此， 要因素显得格外重要。 然而m o s f e t 的开通与关断时间直 分析影响m o s f e t 开通与关断的主 武汉理工大学硕士学位论文 d 图3 1 3m o s f e t 的等效结构图 由于m o s f e t 的开通于关断受吆。控制，所以它属于电压控型元件，具有 输入电阻大、驱动电流较小和驱动电路简单等特点。m o s f e t 的等效结构图如 3 1 3 所示，图中漏极用d 表示，栅极用g 表示，源极用s 表示，漏栅两极电容 用c g d 表示，栅源两极电容用c 矗表示，漏源两极电容用表示，栅荷电容为 c 0 = + ，它直接影响着开关频率的高低。要想使得m o s f e t 开关速度快， 则应让栅荷电容尽量的小。m o s f e t 的关断和开通过程实质是对栅荷电容进行 充、放电的过程，要想提高开关管的开通频率，就要求驱动电路能够在m o s f e t 开通时提供较大的驱动电流；要想提高开关管关断频率就应为电荷提供低阻的 泄放通路1 2 引。 m o s f e t 管的开通时间、极间电容值、关断时间和导通所需的最小驱动电 流值应满足以下公式 2 9 1 ： 刀：c 华( 3 - 1 ) l 。 其中d t 表示开通或关断时间；d v 表示电容的极间电压；c 表示极间电容 值；i 表示最小的驱动电流。由此可知，为使功率m o s f e t 管的开通或关断很短， 所设计的驱动电路应满足以下条件： ( 1 ) 驱动电路的器件延时时间应该尽量的小； ( 2 ) 驱动电路的峰值电流应该尽量的大； ( 3 ) 电容的极间电压变化值应该尽量的大； ( 4 ) 应尽量减小巴和，有利于充放电过程的快速完成。 3 5 3 驱动电路的设计 本文设计的微细电解加工脉冲电源主要是为实现窄脉宽，而驱动电路的设 武汉理工大学硕士学位论文 计是电源装置中最重要的一部分，驱动电路方案的选择将直接影响整个电源系 统的性能。 本节先将对所选器件的开关速度、传输延时等参数进行分析，为实现窄脉 宽脉冲电源奠定理论基础。假设本文选用m o s f e t 的专用集成芯片t p s 2 8 1 2 作 为驱动芯片、m o s f e t 选用i r f 8 3 0 ，对整个电路的开关速度进行简单的估算。 以下给出了各种器件参数的典型值：上升沿时间f r 、低一高的传输延时时间，阿、 高低的传输延时时间f ，m 、下降沿时间，。 t p s 2 8 1 2 ：f 删= 4 0 n s 、t e r n = 4 0 n s 、，= 2 0 n s 、t y = 2 0 n s i r f 8 3 0 t e z z t = 2 0 n s 、t e r n = 2 0 n s 、t r = 1 2 n s 、f r = 1 2 n s 对于一个器