基于STM32的電火花電源控制的設計

摘 要： 根據(jù)高壓直流輸入場合的電火花線切割機床對脈沖電源的要求，提出了一種輸入串聯(lián)輸出交錯并聯(lián)電流可調(diào)型的主電路拓撲結構，并設計了控制方案。該方案利用MCGS觸摸屏作為顯示器和輸入設備，STM32F103ZET6為主控元件，通過RS 232協(xié)議進行串行通信，實現(xiàn)脈沖電源的數(shù)模混合控制。最后，研制一臺原理樣機，其實驗結果證實了拓撲結構的有效性和控制系統(tǒng)的優(yōu)良性能。

關鍵詞： 電火花電源； 電流源； STM32F103ZET6； 混合控制

中圖分類號： TN86?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）21?0150?03

Design of electric spark power supply control based on STM32

ZHANG Youjun， JI Chongyang， CHEN Ke， XU Wei

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Soochow University， Suzhou 215021， China）

Abstract： According to the requirement of wire?cut electric discharge machine for pulse power supply in the condition of high?voltage DC input， a main circuit topology structure with serial input， parallel output and adjustable current is proposed， and its control scheme was designed. The control scheme takes MCGS touch screen as the display and input devices， takes STM32F103ZET6 as the master control unit. The serial communication is performed throuth RS 232 protocol to realize the digital?analog mixed control of the pulse power supply. A principle prototype was developed. The experimental results verify that the topology structure is effective， and the performance of the control system is excellent.

Keywords： electric spark power supply； current source； STM32F103ZET6； mixed control

0 引 言

電火花加工是利用火花放電腐蝕金屬以實現(xiàn)金屬切削的加工方法[1?2]。傳統(tǒng)的張弛式RC電火花電源、可控硅電火花電源均采用模擬控制，器件多、控制不靈活且加工效率低[3]。數(shù)字控制技術的發(fā)展使得控制結構簡單，調(diào)試更加靈活方便，但增加了軟件設計的復雜性和程序編寫的難度。

數(shù)模混合控制結合數(shù)字控制和模擬控制，不僅具備數(shù)字控制的優(yōu)點，而且避免了數(shù)字控制和模擬控制中存在的問題。單片機STM32F103ZET6具有豐富的外設資源，可以針對電力電子的應用特點對相關外設進行獨特設計[4?5]。在高電壓輸入場合，若采用常見的兩電平電路拓撲結構，輸入側需采用電壓應力高的開關管。輸入串聯(lián)結構可降低開關管的電壓應力，選用耐壓值低的MOSFET代替IGBT，提高開關頻率和電源效率。

為此本文針對高壓輸入應用場合，提出了一種輸入串聯(lián)輸出交錯并聯(lián)電流可調(diào)型電火花電源結構，利用觸摸屏作為顯示器和輸入設備，采用STM32F103ZET6和PWM專用芯片SG3525為控制核心，實現(xiàn)脈沖電源的數(shù)模混合控制。最后，研制原理樣機進行實驗驗證。該控制系統(tǒng)性能優(yōu)良，電路拓撲可有效降低開關管的電壓應力、降低電源損耗、提高開關頻率。

1 電源設計

該電源的主電路前級為恒流源輸出，由2個雙管正激變換電路組成，其輸入側串聯(lián)、輸出側交錯并聯(lián)。后級由電火花電流脈沖形成電路，近似Boost變換器[6?7]。電路的主拓撲如圖1所示。

圖1中電容[C1、]開關管M1，M2、原邊續(xù)流二極管D1，D2、高頻變壓器[T1、]副邊整流二極管D5構成前級第一路變換電路；電容[C2、]開關管M3，M4、原邊續(xù)流二極管D3，D4、高頻變壓器T2、副邊整流二極管D6構成前級第二路變換電路，兩路輸出并聯(lián)于A，B兩點（副邊續(xù)流二極管D7的兩端），再與濾波電感[L]共同組成前級輸入串聯(lián)輸出交錯并聯(lián)正激變換電路[8?9]。此結構使開關管電壓應力減半，從而可選用低耐壓及低導通電阻值的MOSFET替代高耐壓的IGBT，提高開關頻率加倍，減小變壓器和濾波電感的體積[10]。

后級的電火花電流脈沖形成電路由開關管M5、輸出二極管D8、輸出電容[C3、]工具電極和工件及其間的放電間隙組成。在電火花正常放電加工情況下，通過控制開關管M5，調(diào)節(jié)加工電流的脈沖。

2 控制方案

系統(tǒng)的整體控制如圖2所示，采用單片機STM32F103ZET6和芯片SG3525數(shù)模混控的方式實現(xiàn)對脈沖電源的控制。

2.1 系統(tǒng)整體控制結構

整個控制系統(tǒng)分為前級恒流源控制和后級電流脈沖控制。MCGS觸摸屏作為人機交互界面，用于設置并顯示前級恒流源參數(shù)、后級放電時間和消電離時間。采用RS 232協(xié)議實現(xiàn)觸摸屏與單片機STM32的串行通信，簡單可靠，容易實現(xiàn)。

2.2 恒流源控制設計

電火花脈沖電源的前級為恒流源輸出，其控制由高性能專用PWM芯片SG3525實現(xiàn)，STM32F103ZET6通過D/A轉換提供電流基準信號。采樣濾波電感上的電流信號與觸摸屏設定的基準信號共同反饋到SG3525的反相輸入端和補償端，形成負反饋，產(chǎn)生2路占空比相同（小于0.5）且相位差為180°的PWM波，經(jīng)外接驅(qū)動電路驅(qū)動開關管M1～M4。通過設置觸摸屏中恒流源參數(shù)，改變單片機提供的電流基準信號，可調(diào)節(jié)恒流源的平均輸出電流[IL。]

2.3 電流脈沖控制設計

在正常電加工時，需要設置放電時間[ti]和消電離時間[t0]以滿足不同的加工要求。利用單片機STM32F103ZET6產(chǎn)生脈寬和脈間獨立可調(diào)PWM波來控制[ti]和[t0，]經(jīng)外接驅(qū)動電路驅(qū)動開關管M5。為滿足不同的加工要求，單片機根據(jù)觸摸屏設置的放電時間和消電離時間產(chǎn)生相應的PWM波。

檢測放電間隙電壓，間隙在高壓下?lián)舸┓烹姸〕晒r，間隙電壓從[UI]下降到維持電壓[UM，]采樣電壓低于滯環(huán)比較器的下門限電壓，比較器的輸出為低電平。如果電火花放電階段出現(xiàn)斷弧現(xiàn)象，電壓上升，當電壓上升到一定值時滯環(huán)比較器的輸出變?yōu)楦唠娖剑瑢5驅(qū)動信號封鎖為高電平，前級電流從M5流過，限制電壓的上升，保護電路。

2.4 系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)采用數(shù)模混控的方式，前級控制的PI調(diào)節(jié)和PWM波由SG3525完成，后級滯環(huán)比較器和或邏輯由硬件電路完成，簡化了軟件設計中程序編寫的難度，單片機STM32F103ZET6主要的功能是完成串行通信、D/A轉換和發(fā)送后級PWM脈沖等。系統(tǒng)軟件通過C語言對單片機進行編程，包括主程序和子程序。子程序由通信、中斷等程序組成。中斷程序?qū)Ω髀沸畔⑦M行處理，流程圖如圖3所示。

單片機中斷程序共產(chǎn)生一路D/A信號和一路PWM信號。D/A信號作為前級恒流源基準信號，PWM信號用于開關管M5以調(diào)節(jié)后級電流的脈沖寬度。前級控制中的PI調(diào)節(jié)和PWM波由SG3525產(chǎn)生，簡化系統(tǒng)軟件設計的難度。

3 實驗結果

為驗證理論分析的正確性和控制方案的可行性，研制了1臺原理樣機。其技術參數(shù)為：輸入交流電壓為（380±38） V，相應直流輸入電壓范圍約為440～590 V，前級恒流輸出最大值[ILmax]為20 A，前級開關頻率為50 kHz，放電時間[ti]為3～120 μs可調(diào)，相應消電離時間[t0]為15～360 μs。

三相交流輸入電壓為380 V時（對應直流輸入電壓[Ui]約為490 V，其值隨負載的不同而有所變化），[Ui、]電容[C2]的電壓[UC2]和開關管M4的漏源電壓uDS_M4的實驗波形分別如圖4（a），（b）所示。可見，開關管M4的電壓應力等于電容[C2]的電壓，為輸入電壓的一半，電容[C1，C2]較好地實現(xiàn)了均壓。

圖4（e），（f）給出了兩種不同加工時間狀況下，開關管M5的驅(qū)動電壓[uGS_M5]和加工電流[io]的實驗波形。通過調(diào)節(jié)放電時間[ti]和消電離時間[t0，]以滿足工件加工精度的要求。從加工電流波形可以看出，脈沖電流上升、下降迅速，沒有拖尾。

4 結 論

本文針對適用于高壓直流輸入場合的電火花電源，提出了一種輸入串聯(lián)輸出交錯并聯(lián)可調(diào)電流型電火花電源結構，設計了數(shù)模混合控制的方案，并給出了整個控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框架，在此基礎上研制了一臺原理樣機。實驗結果表明，數(shù)模混合控制系統(tǒng)結構簡單、調(diào)試方便，具有良好的性能。輸入串聯(lián)減小了前級開關管的電壓應力，適合高壓輸入應用場合，前級調(diào)節(jié)加工電流的峰值，后級調(diào)節(jié)加工電流的時間比例，可滿足電火花線切割的高加工精度要求。

參考文獻

[1] 張遼遠.現(xiàn)代加工技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002：124?131.

[2] 郭永豐，白基成，張學仁.電火花及線切割加工[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2008：152.

[3] 狄士春，黃瑞寧，遲關心，等.微細電火花線切割加工裝置及應用[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2006，38（6）：865?869.

[4] 馬軍，李志華.基于STM32的無線次聲采集系統(tǒng)的設計[J].電子技術應用，2014，40（4）：92?95.

[5] 蔡改貧，熊洋，許琴.基于STM32的球磨機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].電子技術應用，2015，41（3）：72?74.

[6] 吳文江.電流型電火花加工電源研究與工程實現(xiàn)[D].南京：南京航空航天大學，2002.

[7] 韓超.電火花線切割無阻脈沖電源的性能研究[D].南京：南京航空航天大學，2010.

[8] 楊雙景.串并聯(lián)組合式雙管正激變換器研究[D].南京：南京航空航天大學，2008.

[9] 石健將.雙管正激變換器組合研究[D].南京：南京航空航天大學，2003.

[10] 馮瀚.雙管正激變換器組合技術的研究[D].杭州：浙江大學，2001.