劉桂賢，張永俊，羅紅平，王亞南，周超

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

基于SOPC技術(shù)的脈沖電解加工電源的研究

劉桂賢，張永俊，羅紅平，王亞南，周超

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

脈沖電解加工相比直流電解加工可得到更高的加工精度和加工穩(wěn)定性。針對目前電解加工電源的穩(wěn)定性與集成性不足的問題，設(shè)計了基于可編程片上系統(tǒng)（SOPC）技術(shù)的脈沖電解加工電源。采用數(shù)字PI實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓與穩(wěn)流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了電源的全數(shù)字式控制；開發(fā)了電源人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了電源與電解機(jī)床控制系統(tǒng)的實(shí)時通信功能。通過工藝試驗(yàn)對該電源進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，該電源具有較高的穩(wěn)定性與可控性。

SOPC；脈沖電解加工電源；數(shù)字PI

電解加工是利用金屬在外電源作用下、在電解液中發(fā)生陽極溶解的原理，將零件加工成形的一種特種加工技術(shù)，具有工具電極無損耗、無加工殘余應(yīng)力、加工不受材料硬度及切削性能的影響、加工表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)［1-2］。與直流電解加工相比，脈沖電解加工的高頻脈沖電源能有效地提高電解加工精度和表面質(zhì)量，且頻率越高、占空比越小，其脈沖效應(yīng)越強(qiáng)，即雜散腐蝕越弱、穩(wěn)定加工的最小間隙越小，加工效果越好［3-4］。

FPGA（field-programmable gate array）即現(xiàn)場可編程門陣列，是作為專用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的。用其芯片取代傳統(tǒng)模擬驅(qū)動型控制芯片，能使控制器電路設(shè)計的集成度大幅提高，進(jìn)而提高電源控制器設(shè)計的靈活性及電源系統(tǒng)的抗干擾能力與控制精度［5］。NiosⅡ系列軟核處理器是第2代FPGA嵌入式處理器，基于其的SOPC系統(tǒng)是一個軟硬件復(fù)合系統(tǒng)，它融合了FPGA的硬件與NiosⅡ的軟核優(yōu)勢，克服了FPGA擴(kuò)展接口有限的缺點(diǎn)。針對電解加工電源穩(wěn)定性與集成性不足的問題，本文設(shè)計了基于SOPC技術(shù)的脈沖電解加工電源。該電源具有較高的穩(wěn)定性與可控性，同時具有豐富的擴(kuò)展接口，提高了電源系統(tǒng)的可拓性。

1 電源的設(shè)計

1.1 電源結(jié)構(gòu)

脈沖電解加工電源系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)見圖1。主電路采用逆變后直流斬波的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其工作過程為：380 V交流電整流濾波后，經(jīng)全橋逆變后，通過高頻變壓器輸出低電壓脈沖交流電，再經(jīng)整流、濾波環(huán)節(jié)輸出低壓直流電，最后，對直流電進(jìn)行斬波輸出不同頻率和占空比的脈沖電流。

圖1 脈沖電解加工電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

控制電路以EP4C15F17C8型FPGA芯片為核心，電源采用恒壓（或恒流）模式進(jìn)行控制，電壓與電流反饋信號經(jīng)過低通濾波、A/D轉(zhuǎn)換和FIR數(shù)字濾波后得到FPGA可處理的數(shù)字信號，并與給定量進(jìn)行比較后進(jìn)行PI運(yùn)算，最后，PI運(yùn)算器向PWM信號發(fā)生電路發(fā)送新的計數(shù)值，在下一個逆變周期刷新占空比，從而實(shí)現(xiàn)電源的全數(shù)字化控制。觸摸屏通過串口與邏輯電路進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)對電源的參數(shù)控制與實(shí)時監(jiān)控等功能。研制的脈沖電解加工電源見圖2，具體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 高頻脈沖電解電源技術(shù)參數(shù)

圖2 脈沖電解加工電源實(shí)物圖

1.2 FPGA硬件邏輯設(shè)計

1.2.1 A/D采樣控制器

A/D芯片轉(zhuǎn)換周期必須小于逆變器的開關(guān)周期。本文設(shè)計的電源逆變器的開關(guān)頻率為20 kHz，為了實(shí)現(xiàn)每個逆變周期對占空比進(jìn)行刷新，要求A/ D轉(zhuǎn)換芯片具有較高的轉(zhuǎn)換速率。本文選用12位TLV2541高性能A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最大轉(zhuǎn)換速率可達(dá)200 KSPS（kilo samples per second），可通過SPI接口實(shí)現(xiàn)對芯片的控制。此外，采用Verilog-HDL硬件描述語言編寫AD采樣控制器的時序邏輯。

1.2.2 FIR數(shù)字濾波

本文設(shè)計的電源主電路采用的是逆變后直流斬波的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。逆變器的高頻干擾與大電流換流產(chǎn)生的電磁干擾嚴(yán)重，因此，電壓與電流信號通過低通濾波電路后，再經(jīng)數(shù)字濾波處理，能有效提高采樣數(shù)據(jù)的可靠性。FIR（Finite Impulse Response）濾波器為有限長單位沖激響應(yīng)濾波器，它可采用十分簡單的算法實(shí)現(xiàn)，見式（1）。DSP builder是一個DSP開發(fā)工具，它能極大地縮短DSP開發(fā)的周期。本文設(shè)計的電源采用16階的I型FIR濾波器，其中共存在（n-1）個延時，不可能在一個指令周期內(nèi)完成，而FPGA采用并行運(yùn)算模式，在一個時鐘周期內(nèi)得到一個FIR濾波器的輸出。因此，大大減少了數(shù)字濾波的計算時間。

FIR濾波器的數(shù)學(xué)表達(dá)式可用差分方程表示：

式中：y（n）為濾波器的輸出序列；x（n）為輸入采樣序列；h（i）為濾波器系數(shù)；L為濾波器的系數(shù)長度。

1.2.3 數(shù)字PI控制算法

本文設(shè)計的電源采用數(shù)字PI控制器來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓與穩(wěn)流（圖3）。PI控制器的參數(shù)設(shè)定直接影響電源輸出波形的穩(wěn)定性，其輸入?yún)?shù)Kp與Ki的設(shè)定需根據(jù)電源的特性進(jìn)行調(diào)節(jié)。本文采用增量式PI控制器，為保證電源在恒壓與恒流模式下能穩(wěn)定工作，電壓環(huán)與電流環(huán)的Kp與Ki參數(shù)需分別調(diào)定。

圖3 數(shù)字PI控制器框圖

1.2.4 數(shù)字PWM（DPWM）控制

新政府致力于推動國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為津巴布韋種植種子供應(yīng)商和農(nóng)業(yè)化學(xué)品制造商帶來了新商機(jī)。埃默森·姆南加古瓦總統(tǒng)還要求國家財政部與農(nóng)業(yè)部合作，改組和精簡總統(tǒng)投入計劃。奇納馬薩說，津巴布韋新政府將“加強(qiáng)農(nóng)業(yè)投入控制和分配系統(tǒng)管理、供應(yīng)和分配鏈每個階段的規(guī)劃監(jiān)測，以填補(bǔ)漏洞”。這個系統(tǒng)的改進(jìn)涉及到政府補(bǔ)貼計劃下的農(nóng)業(yè)投入，不僅用于玉米，還用于其他食品和經(jīng)濟(jì)作物。

逆變器的工作頻率由周期寄存器給定。如圖4所示，周期計數(shù)器采用連續(xù)增/復(fù)位模式，產(chǎn)生三角載波，并由狀態(tài)寄存器Sign來控制PWM1/PWM4與PWM2/PWM3的順序激活。利用三角載波與調(diào)節(jié)值比較來控制PWM1～PWM4的輸出，產(chǎn)生兩路同相和反相的PWM信號，控制開關(guān)功率管的開通和關(guān)斷。此外，為避免逆變器的上下橋臂同時導(dǎo)通，在程序里加入1μs的死區(qū)控制。

圖4 數(shù)字PI控制器框圖

1.2.5 NiosⅡ軟核設(shè)計

可編程片上系統(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，它結(jié)合了片上系統(tǒng)（SOC）和FPGA各自的優(yōu)點(diǎn)，具有靈活的設(shè)計方式，實(shí)現(xiàn)了可裁減、可升級、可擴(kuò)充、且具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。其特征是單芯片及至少包含一個嵌入式處理器內(nèi)核。本文設(shè)計的電源采用NiosⅡ系列32位RSIC嵌入式軟核。

電解加工電源是電解加工系統(tǒng)的一個重要組成部分。為了提高電解加工系統(tǒng)的自動化程度，電解加工電源需具有和上位機(jī)實(shí)時通訊的功能，同時，為便于操作，電源需具有簡便的人機(jī)交互。NiosⅡ系列軟核具有豐富的擴(kuò)展接口，Avalon總線在軟核處理器與外圍設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接，從而實(shí)現(xiàn)了電源與電解機(jī)床控制系統(tǒng)的實(shí)時通信。

1.3 電源波形

對于電解加工工藝，陡峭的脈沖上升沿導(dǎo)致的快速極化過程會使塔菲爾斜率下降，有利于電解加工集中蝕除能力的加強(qiáng)，提高電解加工的精度。圖5是電源輸出波形，可見，波形的上升沿達(dá)到了微秒級。

圖5 電源輸出波形

2 工藝試驗(yàn)

2.1 工藝原理

脈沖電解加工平面微細(xì)平行溝槽的加工示意圖見圖6。陰極安裝在機(jī)床Z軸滑臺上，并以一定速度垂直向下進(jìn)給。脈沖電解電源的正、負(fù)極分別接工件和工具電極。通過控制陰極的進(jìn)給量，實(shí)現(xiàn)不同深度的平行溝槽加工。

圖6 電解加工微細(xì)溝槽加工示意圖

2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

工藝試驗(yàn)在自行研制的數(shù)控電解加工機(jī)床上進(jìn)行（圖7a），機(jī)床定位精度達(dá)1μm，電解液溫度控制誤差為±1℃，過濾精度達(dá)微米級。工具電極采用黃銅材料，電極側(cè)面微絕緣（圖7b）。電極上的單個凸臺尺寸為：寬0.25 mm、長20 mm、高2.5 mm，凸臺間距為1mm。其他加工參數(shù)如下：電解液選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%NaNO3+2%NaClO3的溶液，其壓力為0.2 MPa，溫度25℃；脈沖頻率為10 kHz，占空比為50%，電極進(jìn)給速度為0.2mm/min。

圖7 電解加工試驗(yàn)裝備

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

電解加工得到的微細(xì)平行溝槽見圖8。在不同電壓下，電解蝕除速度不同；在大電壓下，蝕除速度快，溝槽的過切量大。因此，對于微細(xì)溝槽的電解加工，采用小電壓可得到較好的加工精度。

3 結(jié)語

本文研制了全數(shù)字化控制的高頻脈沖電解電源，具有集成度高、可拓性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。通過使用數(shù)字PI實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓與穩(wěn)流，使電源的抗干擾性得到了提高。同時，電源設(shè)計結(jié)合了電解加工的工藝特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了與電解加工系統(tǒng)的實(shí)時通信。實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計的脈沖電解電源達(dá)到設(shè)計要求，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高精度、高表面質(zhì)量的加工。

圖8 電解加工的平行溝槽

［1］Qu Ningsong，Xu Zhengyang.Improving machining accuracy of electrochemical machining blade by optimization of cathode feeding directions［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2013，68（5）：1565-1572.

［2］朱永偉，徐家文，胡平旺．?dāng)?shù)控展成電解加工整體葉輪的研究與應(yīng)用［J］.航空學(xué)報，2001，22（4）：376-378.

［3］李兆龍，狄士春．基于脈沖電解加工小孔的試驗(yàn)研究［J］.電加工與模具，2010（5）：34-36.

［4］高嵩，史政記，何寧.高頻脈沖電解加工電源控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2005，25（4）：353-355．

［5］劉嘉，盧振洋，殷樹言，等.電焊機(jī)的數(shù)字化［J］.焊接學(xué)報，2002，23（1）：88-92.

Study on Electrochem ical M achining Pulse Power Supp ly Based on SOPC Technology

Liu Guixian，Zhang Yongjun，Luo Hongping，Wang Yanan，Zhou Chao
（School of Electro-mechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

Compared with direct current electrochemical machining，pulse electrochemical machining（PECM）can get higher accuracy and stability.Aim at the problem of stability and integration of the electrochemical machining pulse power supply，a power supply of PECM based on SOPC technology is designed.Digital PI is used to control of voltage and current，and the full digital control of power supply is realized.The human-computer interaction interface is developed，and the real time communication of the power supply and themachine tool control system is realized.The designed power supply is verified by the process test，the test results show that the power supply has high stability and controllability.

SOPC；electrochemicalmachining pulse power supply；digital PI

TG662

A

1009－279X（2015）05－0027-04

2015-04-01

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（51105080，51205137）

劉桂賢，男，1987年生，博士研究生。