基于Atmega16的电火花穿孔机加工脉冲电源的设计

刘雨兰

摘要

针对现有电火花穿孔机加工脉冲电源的问题，设计了一种新型的数字式加工脉冲电源，采用Atmegal6单片机实现脉冲电源的核心控制，详细介绍了整体设计要求，硬件电路设计和软件设计。实际应用结果表明，该加工脉冲电源参数设置范围宽，操作简便且显示直观，波形稳定，加工效率高，实现了加工脉冲电源的先进控制。

【关键词】电火花穿孔机 加工脉冲电源 数字式 单片机 Atmega16

1 引言

电火花穿孔机由机床本体、加工脉冲电源、主轴旋转头、高压水泵等构成，其中，加工脉冲电源的性能直接影响着孔加工的精度、效率及其稳定性。目前大多数电火花穿孔机加工脉冲电源有着诸多缺陷，其一仍采用RC振荡电路和74系列的数字芯片作为核心电路实现信号输出，其输出波形的参数不够理想，致使加工精度低，其二脉宽、脉间、电流等参数设定仍然是码盘式和波段开关结构，大小无法直观显示，只能凭经验判断，其三由于采用码盘操作，此开关容易坏，故障率非常高。鉴于此，本文利用Atmegal6单片机优势，设计了一种新型的数字式加工脉冲电源，可满足不同材质、不同厚度的孔加工工艺要求，实现了孔加工的优良性能控制。

2 整体设计要求

为适应各种材料的高速电火花穿孔加工，本文设计的加工脉冲电源具体技术要求为：

（1）脉冲参数大范围可调：脉冲频率：500Hz-50KHz，无级可调;占空比：10%-50%，无级可调。

（2）具有大的脉冲加工能量，加工电流大小：0A-40A可调。

（3）加工波形稳定，负载运行无失真。

3 硬件设计

3.1 结构框图

加工脉冲电源由高频脉冲控制板、高频功率驱动板、供电模块组成，如图1所示。供电模块具有较强的稳压，分别提供5V、15V、80V可靠的直流电源，使用安全，可靠性高，在损坏时也不会对负载造成危害。

高频脉冲控制板主要包括单片机最小系统、参数显示电路、按键控制电路、PWM脉冲波形输出电路、功率管开通信号输出电路。操作者可通过按键控制电路进行参数设定，设定合适的脉冲频率、占空比、加工电流，单片机根据接收到的设定，运算后产生相应PWM波形输出，并同时输出功率管开通信号。

高频功率驱动板接受到这些信号后，经过前置驱动电路、功率放大电路，形成具有一定能量的脉冲波，加到电极与工件两端，从而进行电火花穿孔加工。

3.2 高频脉冲控制板的电路设计

高频脉冲控制板电路图如图2所示，核心控制芯片采用AVR单片机Atmega16，配置外部晶振16MHz，可实现脉冲参数的精准控制。参数显示电路选用3个2位LED数码显示器，74HC573的输入端连接单片机的PBO-PB7口，输出使能端分别连接PA3、PA4，進行数码管的位选与段选，可实现高频脉冲频率、占空比、功率管开通3个参数的实际值显示。按键控制电路设置6个按键，连接单片机的PCO-PC5口，分别进行参数的设定控制。利用Atmega16单片机的PWM功能，PD4口直接输出符合设定要求的脉冲波形。功率管开通信号输出电路中，6路开关量输出分别是PDO-PD3，PD5-PD6，以满足加工电流的多种选择。

3.3 高频功率驱动板的电路设计

前置驱动电路选用TLP250芯片，TLP250适用于栅极驱动的IGBT管和大功率MOSFET管。功率放大电路选用绝缘栅VMOS大功率场效应管IRF250，该类管高频区线性好、开关速度快、输出电流大、耐压高。电路如图3所示，TLP250输入端回路均由单片机端口控制，直接连接P"控制信号和功率管开通信号，输出端直接控制两只MOS功率管，驱动板中共设计6组这样的电路，控制12只功率管，最大电流为40A。通过这种控制方法可满足控制功率管管数的通断和电流调整要求。

4 软件设计

在硬件的基础上高频脉冲模块需进行软件设计，软件设计工具选用ImageCraft的ICCAVR软件，整体采用模块化设计方法，整个软件部分由初始化模块、参数设定及存储模块、高频脉冲波控制计算模块、输出模块、显示模块组成。

软件设计流程图如图4所示，上电后单片机1/0口初始化，定时器1初始化，参数读取。在主循环中，判断按键是否按下，如果是，进行参数设定及存储，显示，高频脉冲波控制计算，参数输出;如果否，进行电参数显示。

脉冲波控制是利用Atmega16单片机中具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器1，通过改变输出比较寄存器OCR1A、OCR1B设定值来精确实现的。工作模式选择相频修正PWM模式，输出的PV/M频率计算公式为：

式中f——输出PWM波的频率（KHz），f_clk——外部晶振的频率（16MHz），N——分频因子（8分频），TOP——设定计数上限值。

由此可见，改变设定的TOP值（即输出比较寄存器OCR1A设定值），可进行PWM波的频率调节：

改变OCR1B的设定值，可进行PWM波的占空比调节。

OCR1B=OCR1A×A%=（10×A）/f（3），式中A——占空比。

则高频脉冲波控制计算程序如下：

unsigned char Fre_ZKB（unsigned char f，unsigned char A）

{DDRD|=BIT（4）|BIT（5）;

TCCR1A=0x63;

TCCR1B=0x12;

OCR1A=1000/f，

OCR1B=（10*A）/f;

}

5 运行测试结果

设计的加工脉冲电源应用于电火花穿孔机，进行实际孔加工测试，所测加工脉冲波形如图5（a）脉冲频率500Hz、占空比10%，图5（b）脉冲频率500Hz、占空比50%。图6（a）脉冲频率10KHz、占空比10%，图6（b）脉冲频率10KHz、占空比50%。图7（a）脉冲频率50KHz、占空比10%，图7（b）脉冲频率50KHz、占空比50%。结果表明，该加工脉冲电源调节控制性能好，可满足不同材质、不同厚度的孔加工工艺要求。

6 结束语

本文设计了一种数字式电火花穿孔机加工脉冲电源，运行结果表明该加工脉冲电源控制先进，能够实现脉冲参数、电流大小的宽范围设定，实时显示，自动保存，上电后参数自动调用恢复，加工波形的精准控制，以及加工时的稳定输出，整体智能化程度高，不易出故障，设备加工效率得到了充分发挥和提升，应用前景广阔。

参考文献

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