一种智能电火花脉冲电源核心控制系统设计＊

肖菊兰，陈 涛，陈 英，刘洪利

（成都工业学院电子工程学院，四川 成都 611730）

1 引言

电火花加工技术是利用工具和工件之间的脉冲放电对工件表面进行电腐蚀，从而达到对工件进行加工的技术，主要用于导电材料加工，具有可加工难切削材料、可加工小孔、深孔和畸形孔、加工精度高等优点。电加工系统包含脉冲电源、工具电极、工作液和工件电极等，如图1所示[1]。脉冲电源是系统关键部件之一，其技术指标直接关系着工件加工性能。随着社会智能化水平提升，零部件加工朝着高精度、智能化方向发展，需要对脉冲电源进行智能化深入研究和设计[2]。

图1 电火花加工系统主要部件

2 核心控制系统设计

设计采用自顶向下的方式，使用Quartus II软件，采用Verilog语言进行代码编写实现[5-6]。本控制系统包含数据通信部分、放电状态判别部分和脉冲产生控制部分，如图2所示。

图2 控制系统基本框图

国内传统电加工脉冲电源，大多以基本触发器和定时器作为核心电路实现对输出信号的控制，存在其输出波形频率不高、输出信号稳定性差、指标不理想的缺点[3]。FPGA是在一系列可编程器件的基础上发展的产物，具有软件成熟、支持在线设计、系统稳定、集成度高，速度快、功耗低等优点[4]。基于以上优点，本文基于FPGA技术，设计的电火花脉冲电源核心控制系统，可产生脉冲宽度、间隔、频率可调的脉冲信号，能够控制后级电路实现可用以电加工机床工件加工的较大功率、较大电流的电信号。设计采用FPGA技术，根据神经网络对放电状态进行判断，自动调整脉冲电源的输出，实现脉冲电源智能化输出。

数据通信部分主要实现上位机对脉冲电源参数的设置；放电状态判别部分通过对脉冲放电检测反馈数据模糊神经网络数据判别实现脉冲放电检测状态的判别；脉冲产生控制部分根据放电状态和使用脉冲参数，对输出脉冲进行参数调整并输出[7]。

2.1 数据通信模块设计

设计与上位机通信采用UART，使用Verilog语言进行设计实现，主要分为波特率选择模块（图3中U1）、数据接收模块（图3中U2）和数据缓存模块（图3中U3），其RTL图如图3所示。

图3 数据通信模块RTL图

2.2 放电状态检测模块识别设计

脉冲电源控制输出依据为工具电极与工件电极之间的放电状态，分为开路、正常放电、电弧放电和短路。目前放电状态识别方式有平均电压检测法、峰值电压法、峰值电流法和高频分量法等。考虑单指标方式具有一定局限性，采用双指标识别方式[8]。系统可模糊神经网络对峰值电压和峰值电流进行判断放电状态识别。设计使用梯度隶属度函数，计算各类放电的隶属度值，公式为：

将隶属度值作为模糊神经网络的输入，模糊神经网络根据输入得到输出隶属度，并进行放电状态判断，结构如图4所示。

图4 模糊神经网络结构图

对峰值电流进行放电状态决策时采用基于规则的决策法[7]，其程序流程如图5所示。

图5 放电状态决策流程图

2.3 脉冲输出部分设计

本模块根据低电平复位信号、上位机设置信号和脉冲放电状态检测结果进行脉冲信号参数智能调节，其中低电平复位信号优先于高于上位机设置信号，上位机设置信号优先级高于脉冲状态检测的调整信号。

3 软件仿真与测试

模块设计完成后，编写测试文件，用Quartus II和Modelsim进行联调仿真。

3.1 数据通信仿真

串口通信速率为9 600 bps时，接收标志到来后，系统每隔104 180 ns进行串口信号读入，如图6所示。

图6 波特率为9 600 bps时数据接收

串口通信速率为19 200 bps时，接收标志到来后，系统每隔50 280 ns进行串口信号读入，如图7所示。

图7 波特率为19 200 bps时数据接收

3.2 放电状态检测模块仿真

用模糊神经网络进行预判断后进行混合指标判断，得到4种放电状态的隶属度，最终进行放电状态的决策。设计中用8位存储器存储4种放电状态的隶属度值，放电状态决策仿真如图8所示。其中隶属值为0～1，用8位存储器进行存储，判断用3位二进制表示。从图8中可以看出某一种状态的隶属值比较大，且大于其他状态的隶属值达一定阈值后，可以判断出脉冲放电状态为最大值所属状态。

图8 放电状态决策仿真图

3.3 脉冲输出仿真

编写测试代码，对脉冲输出模块进行仿真，测试逻辑为：复位、上位机设置、脉冲自动调整。脉冲输出如图9所示。设计中，FPGA系统时钟为50 MHz，图9（a）中设置脉宽和脉间都为2 500个时钟，故而输出信号为10 kHz，占空比为50%；图9（b）中设置脉宽和脉间分别2 500和7 500个时钟，故而输出信号为5 kHz，占空比为25%；图9（c）在输出信号为5 kHz，占空比为25%的基础上，根据放电反馈数值对输出信号进行脉宽或脉间的调整。从图9可以看出，脉冲电源能够根据脉宽、脉间设置调整输出信号，同时可以根据脉冲放电检测反馈信号自动调整脉宽或脉间，从而改变频率和占空比，智能输出新的脉冲电源信号。

图9 脉冲输出

4 结论

随着国家智能制造水平提升，逐步对电火花加工脉冲电源进行智能化研究。本脉冲电源控制系统采用FPGA设计，在Quartus II中使用Verilog语言编写设计代码和测试文件，Quartus II与Modelsim进行仿真验证，实现了上位机通过串口对脉冲电源脉宽和脉间参数进行设置，实现了根据模糊神经网络放电状态检测法判断放电状态对脉冲电源输出进行自动调节，实现脉冲电源实时智能调节。