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基于CPLD的放电加工机脉冲电源的设计 摘 要本文给出了在模具行业中放电加工机脉冲电源控制部分的原理及硬件、软件设计，基于ALTERA公司生产的EPM1270T144C5可编程逻辑器件CPLD，利用ALTERA公司的Quartus 硬件设计软件，采用Verilog HDL硬体语言设计控制时序、功能键操作、数字键操作、数码管显示系统等，简化了电路的设计和IC芯片的使用，很好的解决了电路复杂、元器件所占体积大、抗干扰能力差、适时控制等问题，大大提高了系统的整体性能。解决了电火花加工机在恶劣的生产条件下脉冲电源丢失、丢步、间歇放电、脉冲电源的脉宽及休止的变化等问题，提高了电火花加工机的性能和加工中的稳定性、生产效率和电极原材料的损耗等加工工艺问题。关键词： 放电加加工机 EPM1270T144C5 CPLD Verilog HDL Quartus 脉宽 休止 Abstract In this paper, in the mold industry EDM pulse power supply control part of the theory and hardware, software design, based on the ALTERA company EPM1270T144C5 programmable logic device CPLD, using ALTERAs Quartus software, hardware design, using Verilog HDL hardware body language designed to control timing, function key operation, the number of key operations, such as digital display system, simplifying the circuit design and the use of IC chips, a very good solution to the circuit complexity of the share volume of components, and anti-jamming capability timely control and other issues, greatly improving the overall performance of the system. Solve the EDM machine production in adverse conditions, pulse power loss, lost step, intermittent discharge, pulse power and the rest of the changes in pulse width and so on, to improve the performance of EDM machines in the Stability and processing, production efficiency and electrode wear and tear, such as raw materials processing issues. Key words: Discharge increases machine EPM1270T144C5 CPLD Verilog HDL Quartus resting pulse width 目 录摘要.Abstract.第一章 放电加工机脉冲电源概况.1 1.1 引言.1 1.2 现阶段火花机脉冲电源状况和发展趋势.1 1.3 脉冲电源的设计结构和概述.1第二章 EDA、CPLD、Verilog HDL 、Quartus 概述.22.1 EDA技术的发展和优点.22.2 ALTERA公司生产的EPM1270T144C5 CPLD概述.2 2.3 Quartus 应用软件介绍 .4第3章 放电加工机脉冲电源设计流程.5 3.1 设计方案的规划和论证.5 3.2 脉冲电源总体设计流程.5 第4章 放电加工机脉冲电源软件设计.14 4.1 软件设计总流程图.14 4.2 子程式结构流程图.15 4.2.1 键盘子程式流程图.15 4.2.2 显示子程式流程图.16 4.3 系统Verilog HDL软件.17 4.4 系统软件仿真.21 4.4.1 电流仿真.21 4.4.2 脉冲仿真.22第5章 运行分析.235.1综合测试. .235.2加工测试.23结束语 致谢.24参考文献.2517第一章 放电加工机脉冲电源概况1.1引言随着我国的改革开放，模具行业、汽车行业、各种电子产品对接插件的要求等现代化产业不断的崛起，对当今我国加工设备行业是一次巨大的挑战，传统的加工设备如铣床、车床、磨床等重切削设备，不论从加工工艺还是加工产品精度方面都已经不能满足当今的产品加工行业。随着近年来加工中心等数控设备走向加工市场，重切削加工技术不断的提高，但是这些传统的和先进的加工方式在细节加工、特殊材料加工，特别是接插件产品方面就显的捉襟见肘，在这样的环境下柔性加工工艺技术迎运而生，电火花放电加工机就是通过工具电极和工件电极之间的脉冲放电的电腐蚀作用对工件进行加工，随着加工市场对加工效率、加工稳定性、加工精度的控制、加工工具电极的损耗、机床设备电路简易化等要求，传统的电火花放电加工机已经不能满足市场需求，传统的放电加工机在恶劣的加工环境下稳定性、机床电柜设计复杂化、抗干扰能力等提到放电加工机设计的日程中。12 现阶段火花机脉冲电源状况和发展趋势 随着加工行业的不断提高，特别是汽车行业和模具行业的发展,在接插件和轮胎模具方面,火花机加工工艺的优点体现的越来越来突出,火花机的应用越来越广泛,随之而来的要求越来越多,特别是在电子产品的外型、尺寸不断的趋向小型化、精密化方向发展，电子产品本身的结构设计需要高精度的、小型化的元件进行生产，以往的火花机加工的产品已经不能满足更细节性、精密等加工和控制，以前使用IC4528、4538等脉冲斩波芯片，或者使用8031、8051单板机进行设计的脉冲部分已经不能满足火花机行业在性能、结构简洁化、成本低廉化等方面。随着电子产品的高集成化的发展，使得电火花放电机的设计趋于结构简单化、成本低廉化、精密性和稳定性更高性能化发展。13脉冲电源的设计结构和概述 火花机脉冲电源设计主要采用ALTERA公司生产的EPM1270T144C5 CPLD IC芯片，使用Verilog HDL 硬件设计语言来实现，设计的结构包括以下几个方面: (1) 方案的规划和论证 (2) IC芯片的选用、测试和论证 (3) 软件系统规划、结构流程设计和调试 (4) 方案的运行和分析 第二章 EDA、CPLD、Verilog HDL 、Quartus 概述2.1 EDA技术的发展和优点 EDA技术主要是指面向专用集成电路设计的计算机技术,将EDA技术与传统电子设计方法进行比较可以看出，传统的数字系统设计只能在电路板上进行设计，是一种搭积木式的方式，使复杂电路的设计、调试十分困难；如果某一过程存在错误查找和修改十分不便；对于集成电路设计而言，设计实现过程与具体生产工艺直接相关，因此可移植性差；只有在设计出样机或生产出芯片后才能进行实泅，因而开发产品的周期长。而电子EDA技术则有很大不同，采用可编程器件，通过使用硬件语言进行设计传统IC芯片逻辑，并可以自定义使用的芯片的管脚，在计算机上进行模拟、分析和调试，大大减少传统设计方案中复杂的电路设计和电子元器件筛选、测试和选用，增加设计的灵活性、可适时分析调试性，大大缩短了产品的开发周期。2.2 ALTERA公司生产的EPM1270T144C5 CPLD概述 CPLD（Complex Programmable Logic Device的简称），是一种结构复杂的可编程逻辑器件，ALTERA公司生产的EPM1270T144C5 CPLD IC 芯片主要的控制功能可分为四类：I/O扩展、接口桥接、上电顺序和系统配置，如图2-1。 图 2-1 CPLD芯片控制功能本芯片可以使用1.8V、2.5V、3.3V工作电压，使电源线最短，简化电路板设计，共有144管脚封装，Flash存储器是可进行访问和编程的非易失存储块，可代替EEPROM非易失存储块，节省成本和电路板空间，Flash存储块可进行100次擦写程式，方便设计中的可调性。灵活可自定义的I/O分配，支持多种I/O电压的多个I/O组和其他器件连接，更能灵活的设计每个应用I/O。2.3 Quartus 应用软件介绍 Quartus 软件支持MAX 器件，也是CPLD设计性能最高和易用的设计软件，Quartus 软件提供了大量的工具，简化和便于MAX 器件的设计，这些工具包括7： VHDL和Verilog硬件描述语言（HDL）设计方式和综合功能。输入文本形式的设计，转化后进行综合和仿真流程。 原理图设计方式。允许设计者进行不太复杂的电路设计。 增量布局布线。在发生新的设计变化下继续保持设计的性能指标。 PowerGauge功率分析。根据用户指定的设计文件和工作参数估计功耗。 SignalProbe布线技术。增量地将内部接点连接至无用或保留的管脚，用外部示波器或者逻辑分析仪进行分析。 Quartus软件操作界面如图2-3。 图 2-3 软件操作界面第三章 放电加工机脉冲电源设计流程3.1 设计方案的规划和论证 基于传统采用共阳极或共阴极数码管设计的放电加工机,通过市场调研电脑屏幕人机界面操作模式的放电加工机已成为市场的主流,随着数控行业的发展,单轴数控和三轴数控机床设备成为未来放电加工机趋势,在这样的市场环境下,采用数控设备、数字化控制方式成为市场的需求,传统的采用IC 8253等通过电阻、电容的充放电时间控制脉宽和休止的方式已经不能满足现有的数控设备,随着IC行业的发展,集成化逻辑模块如FPGA、CPLD的性能的提高,稳定性、简捷化设计、保密性等成为了设计的主流.因此确定使用CPLD,采用设计软件的模式提高脉冲电源的稳定性设计,构成数字化控制的单轴和三轴数控制设计的放电加工机,提高放电加工机稳定性、精密化、数控化。3.2 脉冲电源总体设计流程 放电加工机的脉冲电源设计总体设计流程如图3-1。方案规划、论证IC 芯片选型和论证软件流程规划及设计软件调试是否满意N系统调试运行分析、审核Y 完 成 图 3-1 总体设计流程图第四章 放电加工机脉冲电源软件设计41软件总设计流程图 软件总设计流程如图5-1。设计键盘子程式、显示部分子程式、脉冲子程式建立项目工程文件建立主程式模块及时序控制N建立程式是否运行检测模块YYN烧录完成编译是否满意仿真是否满意 图4-1 系统软件设计流程图42子程式结构流程图 4.2.1 键盘子程式流程图 键盘子程式流程如图5-2。确定按键的数量确定键盘扫描的行和列,列扫描周期初始化按键行扫描,定义按键功能N消除按键抖动按键是否按下Y 输出按键信号 图4-2 键盘子程式设计流程图 4.2.2 显示子程式流程图显示系统子程式流程如图5-3。确定数码管的数量初始化数码管输出数据初始化数码管扫描周期建立数码管输出BCD码表N送数据给数码管数码管是否选通Y数码管显示BCD码 图4-3 显示系统程序设计流程图43系统Verilog HDL软件module pluse(clk,reset,on_set,off_set,ip_set,ip,plus,lamp);input clk,reset;input 3:0 on_set,off_set,ip_set;output plus,lamp;output 3:0 ip;reg 3:0 ip;reg plus,lamp;reg 10:0 cnt1,cnt2;reg2:0 s;reg 2:0 flag;reg 20:0 on,off;always (posedge clk) / 设计检测程序是否在运行，指示灯闪烁程序运行 begin if ( reset=0 |cnt1=0) begin lamp=1; cnt1=20; end else begin cnt1=cnt1-1; if (cnt1=10) begin lamp=1; end else lamp=0; end end / lamp 是指示灯信号always (posedge clk) begin if (reset=0) begin ip=0; end else begin case ( ip_set) 4b0000 : begin ip=4b0000; end / 电流 0 4b0001 : begin ip=4b0001; end / 电流 1 4b0010 : begin ip=4b0010; end / 电流 24b0011 : begin ip=4b0011; end / 电流 3 4b0100 : begin ip=4b0100; end / 电流 4 4b0101 : begin ip=4b0101; end / 电流 5 4b0110 : begin ip=4b0110; end / 电流 6 4b0111 : begin ip=4b0111; end / 电流 7 4b1000 : begin ip=4b1000; end / 电流 8 4b1001 : begin ip=4b1001; end / 电流 9 4b1010 : begin ip=4b1010; end / 电流 10 4b1011 : begin ip=4b1011; end / 电流 11 4b1100 : begin ip=4b1100; end / 电流 12 4b1101 : begin ip=4b1101; end / 电流 13 4b1110 : begin ip=4b1110; end / 电流 14 4b1111 : begin ip=4b1111; end / 电流 15 default begin ip=4b0000; end / 其他 endcase end endparameter s0=0,s1=1,s2=2,s3=3;always (posedge clk) begin if (reset=0) begin plus=0; on=0; off=0; flag=s0; cnt2=0; end else begin case(flag) s0: begin plus=0; flag=s1; end s1: begin if(cnt2on) begin plus=1; cnt2=cnt2+1; end else begin plus=0; flag=s2; cnt2=5; end end s2: begin if(cnt2off) begin cnt2=cnt2+1; end else begin flag=s1; cnt2=0; end end s3: begin flag=s0; end endcase /on off 为脉宽和休止的宽度控制 case(on_set)4b0000: begin on=5; end /设置0时 脉宽宽度4b0001: begin on=10; end /设置1时 脉宽宽度4b0010: begin on=15; end /设置2时 脉宽宽度4b0011: begin on=20; end /设置3时 脉宽宽度4b0100: begin on=25; end /设置4时 脉宽宽度4b0101: begin on=30; end /设置5时 脉宽宽度4b0110: begin on=35; end /设置6时 脉宽宽度4b0111: begin on=40; end /设置7时 脉宽宽度4b1000: begin on=45; end /设置8时 脉宽宽度4b1001: begin on=50; end /设置9时 脉宽宽度4b1010: begin on=55; end /设置10时 脉宽宽度4b1011: begin on=60; end /设置11时 脉宽宽度4b1100: begin on=65; end /设置12时 脉宽宽度4b1101: begin on=70; end /设置13时 脉宽宽度4b1110: begin on=75; end /设置14时 脉宽宽度4b1111: begin on=80; end /设置15时 脉宽宽度default: begin on=5; end /其他 脉宽宽度endcasecase(off_set)4b0000: begin off=5; end /设置0时休止宽度4b0001: begin off=10; end /设置1时休止宽度4b0010: begin off=15; end /设置2时休止宽度4b0011: begin off=20; end /设置3时休止宽度4b0100: begin off=25; end /设置4时休止宽度4b0101: begin off=30; end /设置5时休止宽度4b0110: begin off=35; end /设置6时休止宽度4b0111: begin off=40; end /设置7时休止宽度4b1000: begin off=45; end /设置8时休止宽度4b1001: begin off=50; end /设置9时休止宽度4b1010: begin off=55; end /设置10时休止宽度4b1011: begin off=60; end /设置11时休止宽度4b1100: begin off=65; end /设置12时休止宽度4b1101: begin off=70; end /设置13时休止宽度4b1110: begin off=75; end /设置14时休止宽度4b1111: begin off=80; end /设置15时休止宽度default: begin off=5; end /设置其他时休止宽度endcase endendEndmodule上面系统的Verilog HDL 程式，主要是对电流、脉宽、休止的控制，加工电流不同，设置的加工条件也不同，脉宽和休止的宽度可以随机进行调整。44系统软件仿真4.4.1电流部分的仿真假如设置电流为5A，仿真结果如图5-4。 图 5-4 5A电流选择仿真结果ip-set3=0；ip-set2=1；ip-set1=0；ip-set0=1；仿真结果为：ip3=0；ip2=1；ip1=0；ip0=1；4.4.2脉宽、休止仿真结果假设脉宽设置为10，休止设置为6，仿真结果如图5-5。图 5-5 脉宽休止选择仿真结果脉宽设置为10，休止设置为6，则onset3:0,off-set3:0如下： on-set3=1 off-set3=0 on-set2=0off-set2=1 on-set1=1off-set1=1 on-set0=0off-set0=0 仿真结果显示，输出脉冲plus波形，如图5-5显示：脉宽宽度是休止宽度的5/3，和设置的脉宽为是为10，休止宽度为6吻合。第五章 运行分析5.1 综合测试 通过硬件和软件综合调试,整套系统运行正常,CPLD产生的脉冲,通过高频IRF450场效应管推出控制放电加工机的电流和电压,克服了传统的脉冲产生模式受环境温度、环境电磁干扰、工作车间其他设备干扰等客观原因引起的不稳定因素,通过使用示波器进行测量脉冲的脉宽和休止的波形,传统的脉冲波形上升沿和下降沿在运行时会出现圆弧波形,这样在推动IRF450场效应管时出现滞后现象,这样会影响加工产品的表面光洁度,CPLD设计脉冲通过测量波形,在上升沿和下降出基本趋于90度,缩短了开关的开断时间.传统的脉冲电源设计另一弊端所在是当设置脉宽和休止的宽度时,会出现脉宽变窄或者变宽的现象,造成放电不稳定,通过CPLD设计,脉宽和休止的 宽度采用程式通过数字控制,避免了传统RC设计会随着温度的变化造成的变化。5.2加工运行测试 对比项目实施前放电加工机加工性能和项目实施后性能比较如下: 项目前：序号 电流大小 加工深度 表面光洁度 加工时间 电磁干扰结果1 1A 0.50 1.2-1.5um 1H 偶有死机现象2 0.5A 0.50 0.5-0.6um 4H 偶有死机现象项目后序号 电流大小 加工深度 表面光洁度 加工时间 电磁干扰结果1 1A 0.50 0.8-1.0um 1H 运行正常2 0.5A 0.50 0.35-0.4um 2.5H 运行正常 总之,通过恶劣环境、强迫性电磁干扰和加工测试,整套系统的脉冲电源设计和传统的电源相比较,设备在加工运行中更稳定,产品性能更可靠,加工产品的精度、光洁度等得到了提高.使得电气设计更简捷,节省了成本,完成了项目的设计要求。结 束 语很感慨，我在长舒一口气后开始写我的毕业论文的致谢辞了。论文的完成标志着我的大学三年即将结束，也意味着，新的生活又将开始了。最近的半年则并行着找工作和写论文。其间的起起伏伏、悲喜得失，今天想来仍旧唏嘘不已。所幸我没有被失败击垮。自信、坚强、乐观的态度让我坚持到了最后，并且争取了最好的结局。 利用三年来所学的知识并结合实际工作中的经验面设计了这个课题，通过对课题的设计，加深了模拟电子、数字电子、微机原理等基础知识的理解，同时也感受到了理论知识和实际的工作中遇到问题的区别，工作中对知识的综合利用方面要求很高，不单单是知识的累加，而是知识的合理利用、综合考虑、相互之间有影响又有联系的利用。本次设计是一次对自己能力的锻炼，在设计的过程中提高了自己的动手能力和设计能力，同时也使得公司的产品性能、产品质量得到了提高，并且感受到了这几年中学到的基础知识的重要性，