李傳偉 唐鏡軍

（威海職業(yè)學院，山東 威海 264210）

高頻脈沖電源是線切割機床加工專用電源，它的好壞直接關系到機床的加工質(zhì)量。目前部分老式機床高頻電源的高頻振蕩頻率是由石英晶體產(chǎn)生，由于石英晶體自身存在的缺陷，會造成高頻脈寬調(diào)節(jié)不穩(wěn)定，使得機床加工穩(wěn)定性變差，效率降低，損耗增大等現(xiàn)象?；诖爽F(xiàn)象，采用STC89C52RC單片機對高頻電源進行控制。

1 石英晶體諧振器存在的問題

1.1 石英晶振的工作原理

如果把交變電壓施加于石英晶片兩個電極之間，當交變電壓的頻率與石英晶片固有振動頻率一致時，通過逆壓電效應，晶片便產(chǎn)生機械振動。同時又通過正壓電效應而輸出電信號。一般石英晶體諧振器的頻率范圍可以從數(shù)百赫茲到幾百兆赫茲。

1.2 影響石英晶體諧振器頻率的原因

影響石英晶體諧振器頻率改變的主要原因是溫度的變化，石英晶體諧振頻率會隨溫度的改變而變化，我們稱作為頻率溫度特性。它的諧振器頻率-溫度特性與石英本身物理特性有關，還與其加工工藝和切割角度有一定關系。恒溫型和溫度補償型高穩(wěn)定度晶體振蕩器正是基于頻率溫度特性研制而成的。

石英晶體諧振頻率會隨著石英的老化而緩慢增大或減小。老化主要是石英晶格不完善導致晶體結構發(fā)生變化，這種變化對晶體影響時間很長，另外溫度變化和壓力釋放效應也會產(chǎn)生老化。另外激勵電平的急劇變化也會影響到石英晶體的老化性能，從而影響到石英晶體的諧振器的頻率穩(wěn)定度。同樣負載的變化、電源電壓的波動以及外界輻射等也都會導致石英晶體諧振器的諧振頻率發(fā)生變化?；谏鲜鲈颍覀儧Q定采用STC89C52RC單片機對線切割高頻電源控制電路進行改造。

2 STC89C52RC單片機基本功能

STC89C52RC單片機是宏晶科技推出的超強抗干擾、高速、低功耗單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機。其最高頻率時鐘為80MHz，F(xiàn)lash存儲器為8KB，RAM為512bit，E2PROM為2KB，可反復擦寫編程。工作溫度為-40℃～+85℃，內(nèi)置看門狗電路，內(nèi)部電源供電系統(tǒng)、時鐘電路和復位電路都經(jīng)過特殊處理?！?時鐘/機器周期”和“12時鐘/機器周期”可在ISP編程時反復設置。具體結構如圖1所示。

圖1 STC89C52RC單片機內(nèi)部結構示意圖

P0端口（P0.0～P0.7）：P0口是一個漏極開路的8位雙向I/O口。作為輸出端口，每個引腳能驅(qū)動8個TTL負載。對端口P0寫入每個引腳能驅(qū)動寫入“1”時，可以作為高阻抗輸入。

P1端口（P1.0～P1.7）：P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或者輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。P1口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會輸出一個電流。

P2端口（P2.0～P2.7）：P2口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3端口（P3.0～P3.7）：P3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。

VCC（40引腳）：電源電壓；VSS（20引腳）：接地。

圖2 STC89C52RC單片機管腳示意圖

3 線切割高頻電源主控電路改進設計

針對高頻電源存在的實際問題，本文采用STC89C52RC單片機為主要處理部件，來改進原有的主控電路部分，整個電路是由單片機處理器、驅(qū)動電路、電源電路、功能參數(shù)及顯示電路組成。這樣的設計可以使電路簡單，投入極少，控制靈活方便，特別適合小型企業(yè)技術改造，加工速度提高了25%。具體設計框圖如圖3所示，電路原理圖如圖4所示。

圖3 高頻電源控制電路框圖

3.1 控制信號產(chǎn)生電路

控制信號由單片機程序控制產(chǎn)生的脈沖信號，由單片機P1端口P1.4、P1.5、P1.6輸出脈沖信號，控制驅(qū)動電路進行工作。當需要較小的輸出功率時，驅(qū)動電路只有一個功率輸出管VT1工作，則單片機只有P1.4端有脈沖輸出，P1.5、P1.6端無脈沖輸出，即P1.4端口只控制一只功率管工作，若要求輸出功率大一些，則讓P1.5端輸出信號，P1.5端控制兩只功率管（VT2、VT3）工作。同樣，P1.6端輸出控制信號，同時控制三只功率管（VT4、VT5、VT6）工作。例如，在要求輸出功率較大，要求5只功率管同時工作，則讓P1.5、P1.6端同時輸出脈沖信號也就有5只功率管同時工作，此項調(diào)整是通過SA4完成。

3.2 功放驅(qū)動電路設計

功放電路由三塊TLP250光耦合集成電路完成，由單片機P1.4、P1.5或P1.6輸出脈沖信號（低電平有效），分別加到三塊TLP250功率驅(qū)動模塊的3腳。當 TLP250光耦驅(qū)動模塊的3腳有低電平脈沖信號時（無信號時為高電平），其6、7腳就有高電平脈沖輸出，直接驅(qū)動功率場效應管IRFP450的柵極，TLP250的 5腳接地，8腳接12V電源。其中 IC2（TLP250）的輸出（6、7腳）接到 VT1的柵極，驅(qū)動一只功率場效應管。IC3（TLP250）的輸出（6、7腳）同時接到VT2和VT3的柵極，驅(qū)動兩只功率場效應管工作。IC4（TLP250）的輸出（6、7腳）同時接到VT4、VT5和VT6的柵極，同時驅(qū)動三只功率場效應管工作。

由VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6六只功率場效應管組成功率輸出電路，由單片機的P1.4、P1.5和P1.6端輸出的脈沖信號來控制光耦IC2、IC3、IC4的輸出，進一步驅(qū)動6只功率場效應管，以控制相應的功率管工作。

3.3 功能參數(shù)及顯示電路設計

控制系統(tǒng)相關參數(shù)的顯示用了5只LED數(shù)碼管進行顯示，第一位數(shù)碼管顯示功率管的電源電壓，該電壓檔位分高、低兩個檔位，是由變壓器抽頭的改變而獲得的，再通過橋式整流電路獲得兩個高低不同的直流電壓，整流供給功率管工作。當選擇高電壓供給功率管工作時，第一位LED數(shù)碼管顯示為“H”，當選擇低電壓供給功率管工作時，LED數(shù)碼管顯示為“L”，電壓的高低由電壓選擇開關控制，由操作者根據(jù)工作要求來選定。第二位、第三位顯示輸出脈沖的寬度（大約幾十微秒），脈沖有九個級別，可以通過選擇開關S2進行選定。第四位顯示脈間的時間長短，脈間也有九個級別，由脈間選擇開關S3進行選定。第五位顯示功率輸出管工作的數(shù)量，該電路共有6只功率管，操作者可根據(jù)輸出功率的大小，由選擇開關S4進行選定需要幾只功率管進行工作。

以上4個參數(shù)的初始值，系統(tǒng)自動設定一組常用值。在需要改變時，操作者可通過相應的選擇開關自行設定。參數(shù)顯示電路，由單片機的 P0口輸出控制LED數(shù)碼管的段碼信號，即確定相應的數(shù)碼管顯示的內(nèi)容。P2口輸出的是位碼信號，即控制由哪一個數(shù)碼管進行顯示。單片機的P0端口與P2端口輸出信號組合控制LED數(shù)碼管的動態(tài)顯示。

本設計通過在威海榮銘金屬設備有限公司進行實驗，達到了預期目的。選取了不同周期的波形，對改進的控制電路進行測試。測得數(shù)據(jù)顯示其脈沖寬度可以達到1～120μs，脈沖間隔比可以達到，滿足機床的本身加工要求。通過用示波器觀察脈寬的調(diào)節(jié)范圍為1～120μs，脈間脈寬之比為ti∶tj=1∶1～1∶15。這對于電火花加工來說，基本滿足了其普通加工要求。從實驗測得的數(shù)據(jù)可知，從周期調(diào)試過程中，占空比則控制在717%～2418%。

4 結論

改進電路所測得的脈沖寬度、脈沖間隔均能在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，能滿足不同的加工工藝要求。通過觀察輸出的電流波形，輸出的控制信號穩(wěn)定、波形振動小，前后沿陡峭，并可以實現(xiàn)對脈間脈寬進行數(shù)字調(diào)節(jié)，這對于提高機床的加工效率和加工質(zhì)量起到了重要的作用。另外，由于改進的控制電路采用數(shù)碼顯示，大大的提高了電火花線切割機床的智能化水平。本設計特別適合中小型企業(yè)，資金投入極少，并且機床加工也能滿足工藝要求。

[1]張建民,張紅琴.單片機在線切割機控制系統(tǒng)中的應用[J].電腦學習, 2004(1): 7-8.

[2]高毅,周立迎,秦曉波.基于電火花線切割機床脈沖電源的主控電路改進研究[J].貴陽學院學報(自然科學版), 2009(4): 26-29.

[3]彭豐年.電火花線切割機床高頻電源的使用[J].金屬加工, 2009(16): 67-68.

[4]徐健,葉漢民,蔣存波,職燕.電火花加工中數(shù)控脈沖電源的設計[J].制造技術與機床, 2006(10): 39-41.