永磁無刷直流電機在線切割運絲控制系統中的應用

劉雨蘭

摘要：針對數控電火花線切割機床運絲系統速度控制的要求，提出了一種基于永磁無刷直流電機的運絲系統控制方案。闡述整體設計要求，介紹硬件設計與軟件設計。應用證明，該系統具有優異的起動性能和調速性能，能耗低，經濟性好，適應性強，滿足頻繁換向、工況惡劣的場合使用。

關鍵詞：數控線切割機床;運絲控制系統;永磁無刷直流電機;Atmega16控制;電機驅動

中圖分類號：TP274.5? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1007-9416（2018）10-0000-00

1 前言

在快走絲或中走絲數控電火花線切割機床加工中電極絲的速度及其張力是影響加工質量非常重要的因素。目前，線切割機床運絲系統的三相異步電機與工業變頻器成套配置使用，其技術已經非常成熟，由于異步電機不具備過低轉速和高轉速運行特性，電機容易發熱燒壞，能耗高（比永磁電機高2倍以上），并且低速運行時不穩定，有蠕動現象，也就不能完全滿足走絲運行技術要求。如果采用伺服電機系統配置，其系統復雜，成本較高，市場也不易接受。為此，本文在研發中應用了永磁無刷直流調速電機配置于運絲控制系統，其性能優異，環保節能，高效簡潔，系統成本低，適應性好。

2 運絲控制系統的技術要求

數控線切割機床運絲系統結構示意圖如圖1，鉬絲從運絲滾筒上端經后上導輪和前上導輪上輪緣通過后，垂直向下經前下導輪和后下導輪下輪緣進入滾筒下方，形成一個無限往復循環的走絲運動。

根據切割要求，本系統工作運行時要求轉速變量跨度大，任意轉速下轉矩穩定，尤其是1 r/s—3 r/s低速運行時，保證轉速轉矩恒定，無抖動，無蠕動，無堵轉，以滿足各種厚度、各種材質的高效率高精度切割加工。加減速性能好，以滿足系統的頻繁換向要求。且斷絲與超行程保護具有急剎車功能。并滿足換向時高頻電流的關斷與延時接通要求。同時與線切割機床主控制卡（HF卡、AutoCUT卡、HL卡等）的Z接口進行信號通信功能，以滿足中走絲多刀切割。

3 系統的硬件設計

本文設計的運絲控制系統主要包括主控制模塊、電機控制模塊、高低壓電源模塊、永磁無刷直流電機，其硬件組成見圖2所示。

3.1永磁無刷直流電機的設計

為了獲得較強的剛性結構，該電機外殼體選用鋁合金方體外形。定子鐵芯材料采用470冷軋板，為減少紋波轉矩，定子鐵芯設計為18槽沖制，布線方式為分布短距繞組。轉子為4對極，磁瓦材料為釹鐵硼N38UH。為確保電機換向時確切、穩定，設計中選用霍爾傳感器和先進的相位識別技術，無霍爾傳感器技術換向起步時有微抖現象。供電方式直流300V，功率180W。

3.2主控制模塊的設計

主控制模塊的核心控制芯片選用Atmega16單片機，該單片機具有豐富的I/O口資源，外設功能強大，能夠滿足運絲控制系統的設計要求。

其中，PC0—PC4口連接人機操作界面的5個按鍵，實現中走絲不同刀組時電機速度的設定與保存，電機運行的啟動與停止功能。PB0—PB7、PA0—PA4口分別連接人機操作界面的5位LED數碼管，進行電機速度的實時顯示。

PA5—PA7、PD5口接受來自于上位機主控卡中的BCD碼信號、結束自動停機信號，可完成中走絲數控線切割機床多刀切割時速度的選擇，以及加工結束時運絲電機的停止運行與高頻的關斷。

PD2口是外部中斷0的輸入端口，與斷絲超程保護電路相連接，一旦出現斷絲或者超行程時，電機立即制動。

PD3、PD1、PD0口接受換向電路的正轉、反轉信號，PD4口輸出信號實現換向時的高頻加工脈沖的斷開，以及延時接通。

PD7口可作為T/C2 比較匹配輸出，PD6口可作為T/C1 的輸入捕捉引腳，以及PC7—PC5口，分別與電機專用控制芯片MC33035的控制端口進行連接，實現永磁無刷直流電機的使能控制、正反轉、制動、調速、測速。

3.3電機控制模塊的設計

該永磁無刷直流電機功率驅動主電路采用高速MOS管。MOS管前置驅動采用平移技術，使用MOTOROLA 公司研制的無刷電機控制專用芯片MC33035，它集轉子位置信號譯碼、過流、過熱、欠壓、溫度補償、正反轉選擇、剎車、PWM調制放大等諸功能于一身，組成的系統所需外圍電路簡單。

由于運絲控制系統速度控制精度要求高，必須采用雙閉環控制系統，為此采用了和MC33035同系列的配套芯片MC33039，MC33039進行速度檢測與速度反饋，實現了較為理想的永磁無刷直流電機閉環控制系統。

為了防止MOS管高壓電源對MC33035等低壓芯片電路的沖擊破壞，在MOS管高壓電電路與MC33035輸出端設置了IR2304半橋驅動集成電路，使高壓端和低壓端實現了懸浮隔離，滿足了MC33035與MOS管接口驅動輸出的安全控制技術要求。

3.4高低壓電源模塊的設計

電路電源供給為交流220V單電源變壓器隔離式分壓供給方式。一路經降壓通過整流模塊提供+5V、+15V直流電壓分別給主控制模塊與電機控制模塊，使單片機、MC33035、MC33039、IR2304芯片獲取正常工作電壓。另一路經變壓器隔離后通過整流模塊提供300V直流高壓電源，供給MOS管驅動電機工作。

4 軟件設計

本系統主控制模塊的軟件設計主要有主程序、外部中斷0程序、外部中斷1程序、定時器/計數器1事件捕獲中斷程序。主程序流程圖見圖3。外部中斷0程序實現斷絲超程保護，切斷高頻系統、運絲控制系統的運行。外部中斷1程序完成換向斷高頻，延時接通高通。定時器/計數器1捕獲中斷程序實現速度的實時檢測、處理。

5 運行測試

文中將基于永磁無刷直流電機的運絲控制系統應用于線切割機床進行加工測試，獲取其運行狀態數據。圖4為固定振蕩輸出波形圖，頻率在12K—20K，表明PWM波形穩定無失真。圖5為霍爾工作MC33035輸出波形圖，表明霍爾控制及電路參數配置準確，波形可靠穩定。圖6為電機運行時單相波形圖，表明霍爾角度位置安裝正確，相序、相位正確，MOS管工作可靠性好，電機運行工況較好。測試結果表明，該系統具有優異的啟動和變速性能，并可實現0r/min—1800 r/min的運絲速度調節，拓展了轉速使用范圍，響應度快，同時克服了三相異步電機頻率過高或過低易造成電機燒壞故障問題。且本系統在中走絲工作狀態中能耗比較低，約為異步電機的1/3功耗。數字化管理，操作簡便直觀，故障率低，性能高。

6 結語

本文應用了新型的電機技術、霍爾傳感技術、電機驅動閉環控制技術、單片機技術，對切割速度進行實時跟蹤檢測、分析處理、控制、顯示，使得低速和高速運行穩定可靠，能耗低，系統設計簡潔，成本比異步電機變頻系統成本低。同時，實現了各種中走絲主控制卡（HF卡、AutoCUT卡、HL卡等）的接口通信功能，滿足了中走絲加工速度的自動給定，經反復實踐檢驗，整機性能與加工精度得到較大的改善提升。

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Application of Permanent Magnet Brushless DC Motor on WEDM

Electrode Wire Control System

LIU Yu-lan

（Department of Mechanical and Electrical Engineering，Jiangsu College of Information Technology，Wuxi Jiangsu 214153）

Abstract： This paper proposes a control scheme of electrode wire system based on permanent magnet brushless DC motor， to point at the speed control requirements of NC WEDM electrode wire control system.It describes overall design requirements and introduces hardware and software design . Practice proves that the system has excellent starting performance and speed regulation performance， low energy consumption， good economy， strong adaptability.It applies to frequent commutation， bad working conditions occasions.

Key words： NC WEDM machine tool; electrode wire control system; permanent magnet brushless DC motor; Atmega16 ; motor drive