高頻脈沖電源是線切割機(jī)床加工專(zhuān)用電源，它的好壞直接關(guān)系到機(jī)床的加工質(zhì)量。目前部分老式機(jī)床高頻電源的高頻振蕩頻率是由石英晶體產(chǎn)生，由于石英晶體自身存在的缺陷，會(huì)造成高頻脈寬調(diào)節(jié)不穩(wěn)定，使得機(jī)床加工穩(wěn)定性變差，效率降低，損耗增大等現(xiàn)象。基于此現(xiàn)象，采用STC89C52RC單片機(jī)對(duì)高頻電源進(jìn)行控制。

1 石英晶體諧振器存在的問(wèn)題

1.1 石英晶振的工作原理

如果把交變電壓施加于石英晶片兩個(gè)電極之間，當(dāng)交變電壓的頻率與石英晶片固有振動(dòng)頻率一致時(shí)，通過(guò)逆壓電效應(yīng)，晶片便產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。同時(shí)又通過(guò)正壓電效應(yīng)而輸出電信號(hào)。一般石英晶體諧振器的頻率范圍可以從數(shù)百赫茲到幾百兆赫茲。

1.2 影響石英晶體諧振器頻率的原因

影響石英晶體諧振器頻率改變的主要原因是溫度的變化，石英晶體諧振頻率會(huì)隨溫度的改變而變化，我們稱(chēng)作為頻率溫度特性。它的諧振器頻率-溫度特性與石英本身物理特性有關(guān)，還與其加工工藝和切割角度有一定關(guān)系。恒溫型和溫度補(bǔ)償型高穩(wěn)定度晶體振蕩器正是基于頻率溫度特性研制而成的。

石英晶體諧振頻率會(huì)隨著石英的老化而緩慢增大或減小。老化主要是石英晶格不完善導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這種變化對(duì)晶體影響時(shí)間很長(zhǎng)，另外溫度變化和壓力釋放效應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生老化。另外激勵(lì)電平的急劇變化也會(huì)影響到石英晶體的老化性能，從而影響到石英晶體的諧振器的頻率穩(wěn)定度。

同樣負(fù)載的變化、電源電壓的波動(dòng)以及外界輻射等也都會(huì)導(dǎo)致石英晶體諧振器的諧振頻率發(fā)生變化。基于上述原因，我們決定采用STC89C52RC單片機(jī)對(duì)線切割高頻電源控制電路進(jìn)行改造。

2 STC89C52RC單片機(jī)基本功能

STC89C52RC單片機(jī)是宏晶科技推出的超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)。其最高頻率時(shí)鐘為80MHz，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器為8 KB，RAM為512 bit，E2PROM為2 KB，可反復(fù)擦寫(xiě)編程。工作溫度為-40℃～+85℃，內(nèi)置看門(mén)狗電路，內(nèi)部電源供電系統(tǒng)、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路都經(jīng)過(guò)特殊處理。“6時(shí)鐘/機(jī)器周期”和“12時(shí)鐘/機(jī)器周期”可在ISP編程時(shí)反復(fù)設(shè)置。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 STC89C52RC單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

P0端口（P0.0～P0.7）：P0口是一個(gè)漏極開(kāi)路的8位雙向I/O口。作為輸出端口，每個(gè)引腳能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。對(duì)端口P0寫(xiě)入每個(gè)引腳能驅(qū)動(dòng)寫(xiě)入“1”時(shí)，可以作為高阻抗輸入。

P1端口（P1.0～P1.7）：P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向 I/O口。P1的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或者輸出電流方式）4 個(gè)TTL 輸入。對(duì)端口寫(xiě)入1時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。P1口作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。

P2端口（P2.0～P2.7）：P2口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向 I/O端口。P3端口（P3.0～P3.7）：P3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。

VCC（40引腳）：電源電壓；VSS（20引腳）：接地。

圖2 STC89C52RC單片機(jī)管腳示意圖

3 線切割高頻電源主控電路改進(jìn)設(shè)計(jì)

針對(duì)高頻電源存在的實(shí)際問(wèn)題，本文采用STC89C52RC單片機(jī)為主要處理部件，來(lái)改進(jìn)原有的主控電路部分，整個(gè)電路是由單片機(jī)處理器、驅(qū)動(dòng)電路、電源電路、功能參數(shù)及顯示電路組成。

這樣的設(shè)計(jì)可以使電路簡(jiǎn)單，投入極少，控制靈活方便，特別適合小型企業(yè)技術(shù)改造，加工速度提高了百分之二十五。具體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，電路原理圖如圖4所示。

圖3 高頻電源控制電路框圖

3.1 控制信號(hào)產(chǎn)生電路

控制信號(hào)由單片機(jī)程序控制產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，由單片機(jī)P1端口P1.4、P1.5、P1.6輸出脈沖信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行工作。當(dāng)需要較小的輸出功率時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路只有一個(gè)功率輸出管VT1工作，則單片機(jī)只有P1.4端有脈沖輸出，P1.5、P1.6端無(wú)脈沖輸出，即P1.4端口只控制一只功率管工作，若要求輸出功率大一些，則讓P1.5端輸出信號(hào)，P1.5端控制兩只功率管（VT2、VT3）工作。

同樣，P1.6端輸出控制信號(hào)，同時(shí)控制三只功率管（VT4、VT5、VT6）工作。例如，在要求輸出功率較大，要求5只功率管同時(shí)工作，則讓P1.5、P1.6端同時(shí)輸出脈沖信號(hào)也就有5只功率管同時(shí)工作，此項(xiàng)調(diào)整是通過(guò)SA4完成。

3.2 功放驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

功放電路由三塊TLP250光耦合集成電路完成，由單片機(jī)P1.4、P1.5或P1.6輸出脈沖信號(hào)（低電平有效），分別加到三塊TLP250功率驅(qū)動(dòng)模塊的3腳。當(dāng)TLP250光耦驅(qū)動(dòng)模塊的3腳有低電平脈沖信號(hào)時(shí)（無(wú)信號(hào)時(shí)為高電平），其6、7腳就有高電平脈沖輸出，直接驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)管IRFP450的柵極，TLP250的5腳接地，8腳接12V電源。

其中IC2（TLP250）的輸出（6、7腳）接到VT1的柵極，驅(qū)動(dòng)一只功率場(chǎng)效應(yīng)管。IC3（TLP250）的輸出（6、7腳）同時(shí)接到VT2 和VT3的柵極，驅(qū)動(dòng)兩只功率場(chǎng)效應(yīng)管工作。IC4（TLP250）的輸出（6、7腳）同時(shí)接到VT4 、VT5和VT6的柵極，同時(shí)驅(qū)動(dòng)三只功率場(chǎng)效應(yīng)管工作。

由VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6六只功率場(chǎng)效應(yīng)管組成功率輸出電路，由單片機(jī)的P1.4、P1.5和P1.6端輸出的脈沖信號(hào)來(lái)控制光耦I(lǐng)C2、IC3、IC4的輸出，進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)6只功率場(chǎng)效應(yīng)管，以控制相應(yīng)的功率管工作。

3.3 功能參數(shù)及顯示電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的顯示用了5只LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示，第一位數(shù)碼管顯示功率管的電源電壓，該電壓檔位分高、低兩個(gè)檔位，是由變壓器抽頭的改變而獲得的，再通過(guò)橋式整流電路獲得兩個(gè)高低不同的直流電壓，整流供給功率管工作。

當(dāng)選擇高電壓供給功率管工作時(shí)，第一位LED數(shù)碼管顯示為“H”，當(dāng)選擇低電壓供給功率管工作時(shí)，LED數(shù)碼管顯示為“L”，電壓的高低由電壓選擇開(kāi)關(guān)控制，由操作者根據(jù)工作要求來(lái)選定。第二位、第三位顯示輸出脈沖的寬度（大約幾十微秒），脈沖有九個(gè)級(jí)別，可以通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)S2進(jìn)行選定。

第四位顯示脈間的時(shí)間長(zhǎng)短，脈間也有九個(gè)級(jí)別，由脈間選擇開(kāi)關(guān)S3進(jìn)行選定。第五位顯示功率輸出管工作的數(shù)量，該電路共有6只功率管，操作者可根據(jù)輸出功率的大小，由選擇開(kāi)關(guān)S4進(jìn)行選定需要幾只功率管進(jìn)行工作。

以上四個(gè)參數(shù)的初始值，系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定一組常用值。在需要改變時(shí)，操作者可通過(guò)相應(yīng)的選擇開(kāi)關(guān)自行設(shè)定。參數(shù)顯示電路，由單片機(jī)的P0口輸出控制LED數(shù)碼管的段碼信號(hào)，即確定相應(yīng)的數(shù)碼管顯示的內(nèi)容。P2口輸出的是位碼信號(hào)，即控制由哪一個(gè)數(shù)碼管進(jìn)行顯示。單片機(jī)的P0端口與P2端口輸出信號(hào)組合控制LED數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示。

圖4 線切割高頻電源單片機(jī)控制電路原理圖

本設(shè)計(jì)通過(guò)在威海榮銘金屬設(shè)備有限公司進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期目的。選取了不同周期的波形，對(duì)改進(jìn)的控制電路進(jìn)行測(cè)試。測(cè)得數(shù)據(jù)顯示其脈沖寬度可以達(dá)到1-120us，脈沖間隔比可以達(dá)到，滿足機(jī)床的本身加工要求。

通過(guò)用示波器觀察脈寬的調(diào)節(jié)范圍為1us ~120us，脈間脈寬之比為ti: tj=1:1~1:15。這對(duì)于電火花加工來(lái)說(shuō)，基本滿足了其普通加工要求。從實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)可知，從周期調(diào)試過(guò)程中，占空比則控制在717%至2418%。

4 結(jié)束語(yǔ)

改進(jìn)電路所測(cè)得的脈沖寬度、脈沖間隔均能在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，能滿足不同的加工工藝要求。通過(guò)觀察輸出的電流波形，輸出的控制信號(hào)穩(wěn)定、波形振動(dòng)小，前后沿陡峭，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)脈間脈寬進(jìn)行數(shù)字調(diào)節(jié)，這對(duì)于提高機(jī)床的加工效率和加工質(zhì)量起到了重要的作用。

另外，由于改進(jìn)的控制電路采用數(shù)碼顯示，大大地提高了電火花線切割機(jī)床的智能化水平。本設(shè)計(jì)特別適合中小型企業(yè)，資金投入極少，并且機(jī)床加工也能滿足工藝要求。

本文編自《電氣技術(shù)》，標(biāo)題為“基于STC89C52RC控制的線切割高頻電源設(shè)計(jì)”，作者為李傳偉、唐鏡。