PIC单片机控制的μs级PWM脉冲电源的研究

皮 定,张永俊,唐勇军

(广东工业大学机电工程学院,广东广州 510006)

电火花线切割机床高频脉冲电源是机床的一个重要组成部分,主要作用是把工频交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流,以提供电极放电间隙蚀除金属需要的能量。脉冲电源对加工的生产率、表面质量、加工精度和加工过程的稳定性都有很大的影响。目前多数电源采用555脉冲发生器或MCS-51和可编程定时/计数器作为脉冲发生电路,其电源电路复杂,频率和占空比进行分档调节,这种设计制约了零件加工精度的提高,同时加工系统可操作性和实时性不够好。

为满足多槽线切割机床加工时多工位加工的特点,防止多回路放电电流过大导致的断丝现象产生,利用PIC18F458单片机为核心的脉冲电源,产生μs级别的PWM脉冲波形。能根据加工工件的厚度和工艺的不同,选择相应的频率、幅度和占空比进行加工。电源频率调制范围为3.9～40 kHz,脉宽调制范围3～128μs,占空比调制范围0.1～0.5,参数调制范围广,调节简单方便。相对于普通电源具有很大的优势,同时能将相应电源的工作参数、电流和电压等在触摸液晶屏上进行显示,通过触摸屏进行控制,减少了按键和开关,整个系统简洁直观。

1 脉冲电源的组成

脉冲电源一般由直流电源、斩波器、脉冲发生器、功率驱动和显示控制等部分组成[1]。其电源电路框图见图1。

图1 脉冲电源系统框图

脉冲电源的工作原理为:电源接通后,通过上位工控机、人机界面或按键输入来设定输出脉冲参数,脉宽、占空比均可根据加工工艺要求事先设定。脉冲发生器采用 PIC18F458单片机的CCP模块中PWM工作模式,产生出预先设定的方波脉冲信号。由于单片机发出的脉冲信号不能直接控制场效应管,必须经光耦隔离后进入功率场效应晶体管的驱动芯片中,功率放大后控制功率场效应晶体管的高速开通和关闭,对直流电源进行斩波,实现斩波器的功能[4]。同时传感器对电压和电流进行检测,反馈回来的数值经单片机A/D模块转换后,与脉宽、占空比一起在LCD屏上显示出来。

2 脉冲电源的硬件电路

2.1 PIC单片机脉冲发生控制

PIC18F458单片机是由美国某公司生产的一种CMOS单片机,采用16位的类RISC指令系统、哈佛总线结构、流水线取指令方式,具有10位的A/D转换器、内部EEPROM 存储器、比较输出、捕捉输入、PWM 输出、I2C总线和SPI总线接口电路、异步串行通信(USART)接口电路、CAN总线接口电路、模拟电压比较器等许多功能[3]。

脉冲电源的PWM脉冲发生由CCP模块工作在脉宽调制PWM方式下产生。CCP1引脚上可输出分辨率高达10位的脉宽调制波形,PWM的输出有一个时基(周期)和一个保持为高电平的时间(占空比),PWM的频率极为周期的倒数。PWM的周期可通过向TMR2的周期寄存器PR2写入来设定,由式(1)来计算:

其中PR2是一个8位寄存器,写入范围为00H～FFH。当TMR2计数增量至与PR2值相等时,在下一个增量周期里发生以下3种情况:TMR2被清 0;CCP1引脚被置 1;PWM占空因数从CCPR1L被锁到CCPR1H中。Tosc为单片机晶振起振周期时间,这里采用4 MHz的晶振 Tosc=0.25μs。TMR2前分频值在T2CON寄存器中设定。

PWM脉冲的占空因数通过写入8位的CCPR1L寄存器及CCP1CON控制寄存器的bit5、bit4两位来设定,可由式(2)来计算:

CCPR1L寄存器和CCP1CON的bit5、bit4位在任何时候都可写入的。在给定的PWM频率情况下,最大的PWM分辨率为:

2.2 直流电源

直流电源的作用是将外部电网中220 V或380 V交流电经变压器降压后转换成直流电。常用的整流电流采用单相或者三相桥式整流电路,也可采用带电源反馈的全控或者半控的整流桥直接得到所需的电压,再经电容滤波后得到70～110 V的直流电。本文中采用的电路由整流桥堆构成,整流滤波后得到70～90 V的直流电源。如需改变直流电压值,可由电压式(4)和式(5)求出相应变压器输出电压U1值[2]。

2.3 斩波器电路

斩波器电路中开关元件选用的是大功率场效应晶体管MOSFET(IRFP260),其专用驱动芯片为UCC27321.此场效应管的最大源漏极电压为200 V,工作温度范围为0～175℃。在25℃时,允许通过最大持续电流为50 A,最大脉冲电流为200 A。由单片机发出的PWM脉冲信号经过光电光耦隔离后进入驱动芯片,驱动芯片对MOSFET管进行开通和关闭控制,完成功率放大作用。斩波器部分功率驱动和保护电路见图2。

图2 MOSFET驱动电路及保护电路

MOSFET正常工作时,用TEK示波器测得空载时放电间隙波形如图3所示。通过图片可发现,电压波形的上升沿和下降沿都相当陡峭,波形质量较好。

图3 MOSFET工作时放电间隙空载电压波形图

2.4 外部输入控制和显示

电源参数需通过外部输入设备进行设定和修改。PIC18F458单片机自带一个RS232串口通信接口 USART,通过此端口可与外部工控机利用RS232串口进行通信。在上位机上用VB编写一个控制界面,修改界面中相应项目的数值,就可改变电源的各项参数。触摸屏是现在工控中使用非常广泛的一种人机交互工具,具有界面直观清楚、编程简单的优点,通常与PLC配合使用。与PIC单片机进行配合使用时,须事先在PIC单片机写入编写的MODBUS相关协议,定义相应动作指令数据。键盘是最为常用的一种控制方式。在PIC18F458单片机中,利用其PORTB端口RB4～RB7电平变化中断的特征,可设计一个4×4=16的键盘,能输入数据和控制命令。采用电平变化中断,可减少键盘模块对单片机资源的占用;只有当有按键按下时,键盘电路模块才会向单片机发出中断信号。在本文中,由于采用了触摸屏控制技术,不再需要外部的按键控制,有效地降低了电路的复杂程度,节省了单片机的片内资源,且调节控制更加方便简单。

显示模块采用 8寸的并口液晶显示模块TFT8060BS-8,它是专门针对单片机用户而设计的液晶显示器(带触摸屏),采用8英寸、分辨率为800×600的真彩TFT屏,提供一个简单的高速8位总线与单片机连接,支持256色,可直观地显示电源的电压、电流、频率和占空比等参数。电路连接如图4所示,采用并口连接方式,利用单片机自带10位A/D转换模块,将霍尔传感器检测的数据进行处理后显示。

在图4中,触摸液晶屏的工作原理如下:PORTD端口为与触摸液晶屏并口通信I/O口,电源接入外部电网后,PIC将初始化显示画面通过并口输入液晶屏显示,并在程序设定的时间内,不断地把外部传感器检测的电源参数进行显示。当用手或触摸笔接触触摸屏后,其内部的触摸屏数字转换芯片ADS7843将通过TIRQ端口发出一个低电平,启动PIC内部的电平变化中断程序;PIC以SPI方式同ADS7843进行通信,向ADS7843的DIN口发出读取X、Y轴坐标的命令;触摸屏接收到命令后,通过DOUT发出12位的X、Y轴坐标数据。DCLK为SPI通信的时钟信号与PIC的RC3进行连接,一次通信需要24个时钟周期。

图4 TFT8060BS和PIC单片机接线图

2.5 其他模块设计

上述几部分是该电源的基本模块,还有一些其他模块(如电压电流传感器检测)为单片机、MOSFET驱动和光耦提供电源的供电电路。单片机和上位机进行通信的RS232接口电路等,这里不再赘述。

3 软件程序

系统控制程序流程如图5所示。软件程序包括主程序、PWM 脉冲发生程序、A/D转换程序、RS232通信程序、键盘控制程序、液晶显示程序等。单片机程序采用MPLAD IDE V 7.51软件进行编写,这是一种在PC上运行的软件,用来为Microchip单片机开发应用程序。用C语言编写程序简洁明了,相比汇编来说,在阅读和后续程序改动上具有明显的优势。采用PICC18编译器,用于在PIC单片机编程中对C语言程序进行编译。程序写入使用一种在线调试的开发工具MPLAB PRO ICD2仿真器。

图5 系统程序流程图

4 结束语

本电源是用于多槽电火花线切割机床的脉冲电源,采用PIC18F458的PWM发生模块。可根据加工工件厚度的不同设置脉宽、占空比,通过设置CCP模块的参数,产生精确可调的μs级脉冲电流,利用触摸液晶屏进行显示和控制,具有结构简单、精度高、调节方便、参数调制范围大、参数显示直观等特点,实际加工中波形上升沿和下降沿均较陡峭,反向脉冲小,加工效果较好,能很好地满足实际加工的需要。

[1] 刘承帅,贾志新.基于C8051单片机的电火花线切割自适应电源研究[J].机械制造与自动化,2007(4):126-128.

[2] 徐祖华,苏泽光,李劲松,等.基于FPGA控制的线切割机床脉冲电源[J].制造技术与机床,2005(4):45-46.

[3] 刘和平.PIC18FXXX单片机程序设计及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

[4] 侯振义.直流开关电源技术及应用[M].北京:电子工业出版社,2006.

[5] 杜威,慕春棣.基于μClinux的触摸屏软硬件设计与关键技术分析[J].计算机工程与设计,2005(4):914-917.