基于FPGA電火花加工脈沖電源的設(shè)計(jì)
發(fā)布日期:2011-11-25 蘭生客服中心 瀏覽:2946
0 引 言
構(gòu)成過程是在SOPC Builder中添加NIOS II、pulse_generator、uart_jatg等模塊,然后在SOPCBuilder中g(shù)enerate生成自定制的NIOS II內(nèi)核,并在工程文件.bdf文件中加入前面生成的NIOSII內(nèi)核、系統(tǒng)時(shí)鐘引腳、延時(shí)復(fù)位、PLL等模塊,并將PWM的輸出引腳指定到FPGA的I/O口,編譯綜合后就會生成硬件系統(tǒng)描述的.ptf文件。以上硬件電路全部在FPGA芯片中實(shí)現(xiàn),對用戶是不可見的,所以其保密性好,用戶外部可見的僅僅是電路的I/O。由于硬件電路是用HDL實(shí)現(xiàn)的,因此可以進(jìn)行系統(tǒng)升級。
數(shù)控電火花(electrical discharge machining,EDM)機(jī)床是一種實(shí)現(xiàn)工件精密加工的特種加工工具。早期的電火花成型加工機(jī)床的脈沖電源電路是用分立元件組成,或者是用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。分立元件電路設(shè)計(jì)復(fù)雜,電路調(diào)試?yán)щy,基于單片機(jī)或者是32位的嵌入式CPU的脈沖電源性能有了很大的提高,也具有了很高的智能性,但對于不同的處理器,其移植性不太好,而且如果硬件電路一旦完成就不能進(jìn)行更改與升級。而采用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA在很好的繼承單片機(jī)或者是嵌入式CPU設(shè)計(jì)的電源的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),還擁有一些新的特點(diǎn)。本文提出的方案采用的是Altera公司的cylone II芯片,將Altera提供的NIOS II處理器配置到芯片上,并在NIOS II中加入用戶自己用HDL語言編寫的可以產(chǎn)生PWM的用戶IP模塊后就可以產(chǎn)生參數(shù)化的脈沖波,即提出了一種新型的智能脈沖電源。
1 脈沖電源的原理設(shè)計(jì)
數(shù)控機(jī)床的脈沖電源電路主要由脈沖發(fā)生器,隔離放大電路,直流電源電路,功率放大電路,開關(guān)電路5部分。放電脈沖的產(chǎn)生過程如下,首先是脈沖發(fā)生器產(chǎn)生高頻參數(shù)化的脈沖信號,經(jīng)過光耦的隔離后,由功率推動電路進(jìn)行功率放大,從而控制高頻開關(guān)管的通斷。高頻開關(guān)管的另一端接的是直流電源,該直流電經(jīng)過開關(guān)管的通斷而產(chǎn)生高頻的放電加工脈沖電源。其核心部分即是脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)。 2嵌入式脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)
只有設(shè)計(jì)出了高頻率的、參數(shù)化的脈沖發(fā)生器,脈沖加工電源的精度、參數(shù)化才可以實(shí)現(xiàn)。該電源系統(tǒng)中采用的是性價(jià)比較好的Altera公司的Cyclone II序列的FPGA芯片EP2C8Q208C7。其邏輯資源足夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的功能。
2.1 嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)中使用的是一種軟核式的Nios II處理器,并選擇其類型為Nios/f型。Nios II處理器是Altera的第二代FPGA嵌入式處理器,其性能超過200DMIPS。嵌入式CPU定制的過程是在Quartus II中實(shí)現(xiàn)的。Quartus II是Altera提供的FPGA/CPLD開發(fā)集成環(huán)境,它可以完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。整個(gè)設(shè)計(jì)過程是:圖形或HDL編譯、分析與綜合(analysis&synthesis)、適配器件(filter)、仿真、編程文件匯編(assembler)、下載配置到FPGA。 該系統(tǒng)中除了采用NIOS II和一些常用的外設(shè)IP,還有一個(gè)用戶IP。用戶IP用于產(chǎn)生PWM的模塊pulse_generator是用VHDL編寫狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。其中一個(gè)模塊用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)3種狀態(tài):分別空閑、脈寬和脈間。并由時(shí)鐘輸入、狀態(tài)控制信號以及計(jì)數(shù)器狀態(tài)來確定3種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換,一般情況是在系統(tǒng)啟動后,由空閑狀態(tài)進(jìn)入脈寬狀態(tài)后便會在脈寬、脈間2種狀態(tài)之間切換,實(shí)現(xiàn)連續(xù)的PWM。Pulse_generatot的另一個(gè)模塊就是Pulse_generator與Avalon總線的接口,通過該接口,可以讀寫Pulse_generator模塊中個(gè)寄存器的狀態(tài),控制PWM脈寬與脈間的大小。在HDL編寫好用戶模塊后,用Quartus進(jìn)行編譯綜合正確后,可以進(jìn)行下一步的寄存器頭文件
2.2軟件編程實(shí)現(xiàn)
軟件編程采用Altera提供的軟件編譯環(huán)境NIOS II IDE。Nios II IDE基于開放和可擴(kuò)展的Eclipse平臺,不僅可以將通用用戶界面和業(yè)界最好的開發(fā)環(huán)境完美結(jié)合,還能夠與第三方工具無縫地集成在一起。Nios II IDE提供了完整的C/C++軟件開發(fā)套件,包括編輯器、項(xiàng)目管理器和構(gòu)建工具、調(diào)試器和兼容CFI(common flash interface)的Flash編程器。Altera提供含有支持Micrium的MicroC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。該系統(tǒng)不用用戶修改任何代碼即可進(jìn)行系統(tǒng)移植。使Nios II開發(fā)者能很容易地在Nios II IDE中實(shí)現(xiàn)多任務(wù)軟件開發(fā)。
軟件的開發(fā)過程是在IDE中創(chuàng)建一個(gè)工程文件,工程所指定的硬件系統(tǒng)即是在Quartus中生成的.ptf文件。新的工程將包括2個(gè)庫,一個(gè)是用戶的API庫,另一個(gè)是系統(tǒng)庫,系統(tǒng)的庫中包含了用戶進(jìn)行軟件編程時(shí)需要的各種頭文件、驅(qū)動程序等。在用戶庫中可以使用C/++或者是匯編語言編寫脈沖參數(shù)的實(shí)現(xiàn)功能,在寫好后就可以對軟件工程進(jìn)行編譯、調(diào)試得到希望的結(jié)果后就可以軟件的工程文件.elf下載到開發(fā)器件上。如果需要調(diào)整脈沖、脈間的參數(shù),則可以在NIOS IDE中對脈寬與脈間的比例以及周期長度進(jìn)行修改。同時(shí)通過對I/O口輸出的高低電平,可以控制每一路大功率管的關(guān)斷與否,從而做到了電流大小的控制,具有非常高的靈活性。這樣可以得到新的適合進(jìn)行粗、中精、精加工的脈沖序列。用戶程序中對脈沖控制及參數(shù)控制的代碼如下:
我們可以用Quartus對設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的功能進(jìn)行仿真,以驗(yàn)證功能是否滿足要求。軟件文件下載到開發(fā)板后對電路進(jìn)行仿真的結(jié)果,如圖2所示。從圖中可以看到脈寬pulse_duration_time與脈間pulse_interval_time的比例參數(shù),以及控制寄存器的值,同時(shí)還可以看到該系統(tǒng)的輸入時(shí)鐘的周期長度,放電脈沖的周期長度等信息。
3 外部電路設(shè)計(jì)
外部電路主要包括直流電源、隔離放大電路、高速開關(guān)電路、保護(hù)電路。直流電源電路是市電經(jīng)過變壓器、整流橋路電路、電容濾波電路輸出的,輸出的電壓有+80 V和120 V兩種,分別用于粗加工和精加工。脈沖發(fā)生器的PWM用來控制高頻開關(guān)管,為了防止脈沖發(fā)生器的燒壞,要將FPGA開發(fā)板與開關(guān)管電路隔離開來,而電源的頻率很高,普通光耦的會產(chǎn)生波形畸變,所以采用的是25M的高速光耦PC412S。開關(guān)管采用的是VMOS,使用它的好處是開關(guān)的頻率高,能夠承受的電流和電壓都比較大,但要使用輸入電容較小的VMOS,否則會影響電源關(guān)斷的速度。開關(guān)管的驅(qū)動電電路如圖3所示。
Q1的基極是從FPGA開發(fā)板經(jīng)過光耦輸出的PWM脈沖信號,通過后面的驅(qū)動電路來驅(qū)動Q5,從而實(shí)現(xiàn)放電加工電路中采用正負(fù)電源,這樣可以提高Q5的關(guān)斷速度。Q2是小功率的VMOS管,Q3和Q是用來驅(qū)動大功率的VMOS,所以功率不能選太小,R3與R4是用來減小系統(tǒng)波形的振蕩,其阻值不能太大,可選取100 Ω。
4 結(jié) 論
本文在EDM機(jī)理與嵌入式技術(shù)領(lǐng)域最新研究成果的基礎(chǔ)上,針對目前微細(xì)EDM加工中電源的研究現(xiàn)狀,提出了一種新型的智能型EDM脈沖電源,該電源的脈間精度可以達(dá)到0.2μs,是一般的分立軟件和集成電路所不能達(dá)到的,脈寬,脈間的大小可參數(shù)話,這些設(shè)置都是在軟件中進(jìn)行,并且采用FPGA設(shè)計(jì)具有可進(jìn)行更新,保密性好。這種新型的脈沖電源,由于高電火花脈沖放電頻率,從而提高加工精度。又因?yàn)镠DL語言和FPGA技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛,所以這種智能的脈沖電源具有很好的通用性。
上一篇:高品質(zhì)電火花對汽車模具加工方案
下一篇:提高線切割模具壽命的方法
-
空調(diào)壓縮機(jī)閥板的加工工藝和精沖技術(shù)
一.引言 圖1所示為某型空調(diào)壓縮機(jī)剖視圖,閥板是其中一項(xiàng)重要的功能件,它被廣泛應(yīng)用于轎車、磕磣人和貨車等各種類型車輛、已經(jīng)其他工業(yè)領(lǐng)域的制冷裝置中?照{(diào)壓縮機(jī)閥板大致有3種分類方法,按形狀可分為圓形、方形和異性;按閥線可分為無閥線、單面閥
2016-07-19 -
淺談汽車齒輪加工工藝發(fā)展動向
一、前言: 隨著我國汽車制造業(yè)的發(fā)展,汽車齒輪加工行業(yè)也取得了長足的進(jìn)步,汽車齒輪是汽車傳動系統(tǒng)中極其重要的零部件,又是傳動系統(tǒng)中的核心部件,所以說齒輪的品質(zhì)直接關(guān)系到傳動系統(tǒng)的品質(zhì),也是影響整車的性能和噪音的重要因素。因此,必須要更加深
2016-06-15 -
汽車覆蓋件模具CAM工藝技術(shù)的研究
一、引言 在汽車制造中,汽車覆蓋件與一般的機(jī)械產(chǎn)品從結(jié)構(gòu)到制造工藝都有很大的區(qū)別,它具有曲面多、光順性高、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、尺寸較大、精度要求高等特點(diǎn),其模具制造技術(shù)難度大,成本高,開發(fā)周期和質(zhì)量均難以控制。汽車大型覆蓋件沖模CAD/CAE/
2016-06-15 -
淺談加工數(shù)控機(jī)床本身大型結(jié)構(gòu)件的工藝
一、前言 作為機(jī)械制造業(yè)的母機(jī),機(jī)床的設(shè)計(jì)制造水平一定程度上代表了一個(gè)國家的機(jī)械制造業(yè)水平。我國工業(yè)起步晚、基礎(chǔ)較薄弱,造成中國當(dāng)前的機(jī)床行業(yè)制造水平跟國際頂尖水平還存在一定的差距。機(jī)床的設(shè)計(jì)、部件制造、整體裝配對機(jī)床的工作精度起著決定性
2016-04-29