基于CPLD的高頻窄脈寬脈沖電源的設(shè)計(jì)

徐揚(yáng)帆 李彬 譚明波

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司七一二研究所，武漢 430064）

0 引言

脈沖電源是微細(xì)電解加工中最為重要的環(huán)節(jié)之一，高頻、窄脈寬的脈沖電源已經(jīng)成為精密微細(xì)電解加工領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明：?jiǎn)蝹€(gè)脈沖的放電能量和脈寬的大小對(duì)微加工的精度有著重要的影響。國(guó)內(nèi)外研制的脈沖電源存在著很大的差距：國(guó)外納秒級(jí)脈寬的脈沖電源已經(jīng)大量生產(chǎn)，而國(guó)內(nèi)的脈沖電源普遍停留在微秒級(jí)。所以研制出穩(wěn)定性好、加工效率高、除去能力強(qiáng)的微細(xì)電解加工窄脈寬脈沖電源對(duì)提高加工精度具有重要的意義。

1 脈沖電源的總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的脈沖電源原理框圖如圖1所示，它主要由放電回路、控制回路和反饋控制回路組成。放電回路主要為電解加工提供放電通道；控制回路主要是為 MOSFET開關(guān)管提供高頻的脈沖信號(hào)；反饋控制回路主要是對(duì)微加工的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并將結(jié)果上傳給上位機(jī)。控制回路主要是由單片機(jī)控制單元、CPLD控制單元、隔離模塊、驅(qū)動(dòng)放大電路、高頻脈沖產(chǎn)生單元和電流控制模塊組成。反饋控制回路是由電壓比較模塊和放電間隙檢測(cè)模塊組成，主要是對(duì)微加工過程中的放電電壓和加工狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果上傳遞給上位機(jī)從而控制微動(dòng)工作臺(tái)的三維運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

2 高頻脈沖產(chǎn)生單元的設(shè)計(jì)

該電源選用ALTERA公司生產(chǎn)的84管腳的EPM7128芯片，利用CPLD的定時(shí)與計(jì)數(shù)功能來實(shí)現(xiàn)高頻脈沖信號(hào)。高頻脈沖產(chǎn)生單元主要由數(shù)據(jù)鎖存子模塊、脈沖發(fā)生子模塊和脈沖切斷子模塊組成。下文將對(duì)高頻脈沖產(chǎn)生單元主要模塊設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖1 脈沖電源原理框圖

2.1 脈沖發(fā)生子模塊的設(shè)計(jì)

脈沖發(fā)生子模塊是由脈寬計(jì)數(shù)器、脈間計(jì)數(shù)器和具有使能功能的 RS觸發(fā)器組成，各模塊的功能是通過硬件描述語言Verilog HDL編程實(shí)現(xiàn)的。脈沖發(fā)生子模塊原理圖如圖 2所示，其中off_width counter是脈間計(jì)數(shù)器，on_width counter是脈寬計(jì)數(shù)器，U1、U2、U3和 U4組成具有使能功能的RS觸發(fā)器，clk是外接時(shí)鐘信號(hào)輸入端、enable為使能輸入端，off_width[0:15]是脈間計(jì)數(shù)輸入端，on_width[0:15]是脈寬計(jì)數(shù)輸入端，pusle1和pusle2為脈沖發(fā)生模塊的輸出端。

圖2 脈沖發(fā)生模塊原理圖

2.2 脈沖切斷模塊的設(shè)計(jì)

脈沖發(fā)生子模塊輸出的脈沖信號(hào)被切斷可分為兩種形式：(1)在切斷脈沖信號(hào)的高電平期間使脈寬信號(hào)變?yōu)榈碗娖剑?2)在切斷脈沖信號(hào)的上升沿期間，將脈寬信號(hào)全部變?yōu)榈碗娖?。由于產(chǎn)生的脈寬信號(hào)一般都在100 ns左右，如果使用第(1)種方案切斷脈沖信號(hào)，則要求MOSFET由開通到關(guān)斷在幾十個(gè)納秒內(nèi)完成，這對(duì)硬件電路和開關(guān)器件提出了很高的要求，實(shí)現(xiàn)起來有些困難； 如果使用第(2)種方案切斷脈沖信號(hào)，會(huì)使得電源的加工效率受到響。通過權(quán)衡比較后，本文設(shè)計(jì)中選用第(2)中方案設(shè)計(jì)硬件電路。脈沖切斷子模塊電路圖如圖所示。圖中pulse_cut是電壓比較模塊的輸出信號(hào)，cut_pulse_reg是帶使能端(E)和置位端(S)的邊沿D觸發(fā)器。

圖3 脈沖切斷模塊原理圖

2.3 高頻脈沖產(chǎn)生單元的電路仿真

利用Quartus對(duì)脈沖發(fā)生模塊整體進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖 4所示。仿真過程中，信號(hào)源選用 50 MHz，設(shè)定脈寬計(jì)數(shù)器和脈間計(jì)數(shù)器的設(shè)定值分別為2和3，設(shè)定chsel[7:0]為02，由仿真圖可知脈寬為40 ns，脈間為60 ns；電流支路選擇為2；只要 pulse_cut脈沖一出現(xiàn)，就能使脈寬信號(hào)在pulse_cut的下降沿后全部被拉低變?yōu)槊}間信號(hào)，因此仿真圖形和預(yù)期設(shè)計(jì)的功能一致。

圖4 脈沖發(fā)生模塊仿真波形圖

3 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的高頻窄脈寬脈沖電源的主要性能指標(biāo)，首先利用泰克示波器對(duì)脈沖電源的各級(jí)脈沖信號(hào)進(jìn)行觀察，并對(duì)輸出波形進(jìn)行仔細(xì)分析；接著在微細(xì)電解加工裝置上進(jìn)行加工試驗(yàn)，通過加工實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證脈沖電源的性能，為設(shè)計(jì)出優(yōu)質(zhì)性能的脈沖電源奠定基礎(chǔ)。

3.1 波形分析

圖5 驅(qū)動(dòng)放大電路輸出波形

本文設(shè)計(jì)的脈沖電源CPLD采用50 MHz的外部時(shí)鐘。本節(jié)中通過兩次對(duì)比試驗(yàn)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過上位機(jī)軟件設(shè)置本電源的電源技術(shù)參數(shù)：脈寬為120 n和脈寬為140 ns，脈間都為220 ns。利用示波器觀察驅(qū)動(dòng)放大電路輸出波形和MOSFET管輸出波形分別如圖 5，6所示，由圖可知：波形較好，滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)的窄脈寬要求。

圖6 MOSFET輸出波形

3.2 加工實(shí)驗(yàn)

微細(xì)電解加工脈沖電源的加工平臺(tái)的原理圖和加工實(shí)例圖，如圖7所示。在加工條件為電壓調(diào)節(jié)模塊輸出的直流電壓為10 V，加工電流為0.8 A，脈寬為120 ns/140 ns，脈間為220 ns的條件下，利用本文設(shè)計(jì)的微細(xì)電解加工窄脈寬脈沖電源對(duì)鎳片加工出來的微細(xì)孔，在電子顯微鏡下放大后的圖形。

圖7 微細(xì)電解加工原理圖及加工實(shí)例

4 結(jié)論

基于微細(xì)電解加工脈沖電源的現(xiàn)狀，本文給出了基于CPLD的高頻窄脈寬脈沖電源的設(shè)計(jì)方案，通過對(duì)波形的觀察和加工實(shí)驗(yàn)分析可知，該電源基本滿足微加工技術(shù)要求。

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