基于CPLD的高頻窄脈寬脈沖電源的設計

徐揚帆 李彬 譚明波

（中國船舶重工集團公司七一二研究所，武漢 430064）

0 引言

脈沖電源是微細電解加工中最為重要的環節之一，高頻、窄脈寬的脈沖電源已經成為精密微細電解加工領域研究的重點和難點。大量實驗數據證明：單個脈沖的放電能量和脈寬的大小對微加工的精度有著重要的影響。國內外研制的脈沖電源存在著很大的差距：國外納秒級脈寬的脈沖電源已經大量生產，而國內的脈沖電源普遍停留在微秒級。所以研制出穩定性好、加工效率高、除去能力強的微細電解加工窄脈寬脈沖電源對提高加工精度具有重要的意義。

1 脈沖電源的總體設計

本文設計的脈沖電源原理框圖如圖1所示，它主要由放電回路、控制回路和反饋控制回路組成。放電回路主要為電解加工提供放電通道；控制回路主要是為 MOSFET開關管提供高頻的脈沖信號；反饋控制回路主要是對微加工的狀態進行實時檢測并將結果上傳給上位機。控制回路主要是由單片機控制單元、CPLD控制單元、隔離模塊、驅動放大電路、高頻脈沖產生單元和電流控制模塊組成。反饋控制回路是由電壓比較模塊和放電間隙檢測模塊組成，主要是對微加工過程中的放電電壓和加工狀態進行實時檢測，并將檢測結果上傳遞給上位機從而控制微動工作臺的三維運動方向，實現系統的閉環控制。

2 高頻脈沖產生單元的設計

該電源選用ALTERA公司生產的84管腳的EPM7128芯片，利用CPLD的定時與計數功能來實現高頻脈沖信號。高頻脈沖產生單元主要由數據鎖存子模塊、脈沖發生子模塊和脈沖切斷子模塊組成。下文將對高頻脈沖產生單元主要模塊設計進行詳細介紹。

圖1 脈沖電源原理框圖

2.1 脈沖發生子模塊的設計

脈沖發生子模塊是由脈寬計數器、脈間計數器和具有使能功能的 RS觸發器組成，各模塊的功能是通過硬件描述語言Verilog HDL編程實現的。脈沖發生子模塊原理圖如圖 2所示，其中off_width counter是脈間計數器，on_width counter是脈寬計數器，U1、U2、U3和 U4組成具有使能功能的RS觸發器，clk是外接時鐘信號輸入端、enable為使能輸入端，off_width[0:15]是脈間計數輸入端，on_width[0:15]是脈寬計數輸入端，pusle1和pusle2為脈沖發生模塊的輸出端。

圖2 脈沖發生模塊原理圖

2.2 脈沖切斷模塊的設計

脈沖發生子模塊輸出的脈沖信號被切斷可分為兩種形式：(1)在切斷脈沖信號的高電平期間使脈寬信號變為低電平，(2)在切斷脈沖信號的上升沿期間，將脈寬信號全部變為低電平。由于產生的脈寬信號一般都在100 ns左右，如果使用第(1)種方案切斷脈沖信號，則要求MOSFET由開通到關斷在幾十個納秒內完成，這對硬件電路和開關器件提出了很高的要求，實現起來有些困難； 如果使用第(2)種方案切斷脈沖信號，會使得電源的加工效率受到響。通過權衡比較后，本文設計中選用第(2)中方案設計硬件電路。脈沖切斷子模塊電路圖如圖所示。圖中pulse_cut是電壓比較模塊的輸出信號，cut_pulse_reg是帶使能端(E)和置位端(S)的邊沿D觸發器。

圖3 脈沖切斷模塊原理圖

2.3 高頻脈沖產生單元的電路仿真

利用Quartus對脈沖發生模塊整體進行仿真，結果如圖 4所示。仿真過程中，信號源選用 50 MHz，設定脈寬計數器和脈間計數器的設定值分別為2和3，設定chsel[7:0]為02，由仿真圖可知脈寬為40 ns，脈間為60 ns；電流支路選擇為2；只要 pulse_cut脈沖一出現，就能使脈寬信號在pulse_cut的下降沿后全部被拉低變為脈間信號，因此仿真圖形和預期設計的功能一致。

圖4 脈沖發生模塊仿真波形圖

3 實驗

為了驗證本文設計的高頻窄脈寬脈沖電源的主要性能指標，首先利用泰克示波器對脈沖電源的各級脈沖信號進行觀察，并對輸出波形進行仔細分析；接著在微細電解加工裝置上進行加工試驗，通過加工實驗進一步驗證脈沖電源的性能，為設計出優質性能的脈沖電源奠定基礎。

3.1 波形分析

圖5 驅動放大電路輸出波形

本文設計的脈沖電源CPLD采用50 MHz的外部時鐘。本節中通過兩次對比試驗得出實驗結果，通過上位機軟件設置本電源的電源技術參數：脈寬為120 n和脈寬為140 ns，脈間都為220 ns。利用示波器觀察驅動放大電路輸出波形和MOSFET管輸出波形分別如圖 5，6所示，由圖可知：波形較好，滿足預期的設計的窄脈寬要求。

圖6 MOSFET輸出波形

3.2 加工實驗

微細電解加工脈沖電源的加工平臺的原理圖和加工實例圖，如圖7所示。在加工條件為電壓調節模塊輸出的直流電壓為10 V，加工電流為0.8 A，脈寬為120 ns/140 ns，脈間為220 ns的條件下，利用本文設計的微細電解加工窄脈寬脈沖電源對鎳片加工出來的微細孔，在電子顯微鏡下放大后的圖形。

圖7 微細電解加工原理圖及加工實例

4 結論

基于微細電解加工脈沖電源的現狀，本文給出了基于CPLD的高頻窄脈寬脈沖電源的設計方案，通過對波形的觀察和加工實驗分析可知，該電源基本滿足微加工技術要求。

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