基于STC89C52RC控制的线切割高频电源设计

技术与应用　基于ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ控制的　线切割高频电源设计　李传伟唐镜军　２６４２１０）　（威海职业学院，山东威海摘要传统的电火花线切割机床脉冲电源主控电路利用石英晶体产生控制脉冲信号，其输出　脉宽脉间数字调节范围较小且调节不稳定等缺点　针对这些缺点，选用ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ单片机来设　计脉冲发生器，以此对其主控电路进行改进。这样的改进投入极少，并且能够提高机床的工作效　率和加工质量。　关键词：线切割机床；脉冲电源；单片机　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｗｉｒｅ—ｃｕｔ　Ｈｉｇｈ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｌｉ　Ｃｈｕａｎｗｅｉ　ＴａｎｇＪｉｎｇｆｕｎ　（Ｗｅｉｈａｉ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｗｅｉｈａｉ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　２６４２　１　Ｏ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌ　ｐｕｌｓｅ　ｍａｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｇｅｎｅｒａｔｅｓ　ａ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｕｌｓｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｕｓｉｎｇ　ｑｕａ￣ｚ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｓｐａｒｋ　ｌｉｎｅ　ｃｕｔｔｉｎｇ．Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ，ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ　ｓｃｏｐｅ　ｉｓ　ｓｍａｌｌｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｏｖｅｒｃｏｍｅ　ｔｈｅｓｅ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｕｓｅ　ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ　ＭＣＵ　ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｈｅ　ｐｕｌｓｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｔｏ　ｉｎｖｅｓｔ　ｌｉｔｔｌｅ，ａｎｄ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋ　ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｆｎｇ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ；ｐｕｌｓｅ　ｐｏｗｅｒ：ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　高频脉冲电源是线切割机床加工专用电源，它　度的变化，石英晶体谐振频率会随温度的改变而变　化，我们称作为频率温度特性。它的谐振器频率．　的好坏直接关系到机床的加工质量。目前部分老式　机床高频电源的高频振荡频率是由石英晶体产生，　温度特性与石英本身物理特性有关，还与其加工工　艺和切割角度有一定关系。恒温型和温度补偿型高　由于石英晶体自身存在的缺陷，会造成高频脉宽调　节不稳定，使得机床加工稳定性变差，效率降低，　损耗增大等现象。基于此现象，采用ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ　单片机对高频电源进行控制。　稳定度晶体振荡器正是基于频率温度特性研制而　成的。　石英晶体谐振频率会随着石英的老化而缓慢增　大或减小。老化主要是石英晶格不完善导致晶体结　构发生变化，这种变化对晶体影响时间很长，另外　１　石英晶体谐振器存在的问题　１．１　石英晶振的工作原理　如果把交变电压施加于石英晶片两个电极之间，　当交变电压的频率与石英晶片固有振动频率一致时，　通过逆压电效应，晶片便产生机械振动。同时又通过　温度变化和压力释放效应也会产生老化。另外激励　电平的急剧变化也会影响到石英晶体的老化性能，　从而影响到石英晶体的谐振器的频率稳定度。同样　负载的变化、电源电压的波动以及外界辐射等也都　正压电效应而输出电信号。一般石英晶体谐振器的频　率范围可以从数百赫兹到几百兆赫兹。　１．２　影响石英晶体谐振器频率的原因　影响石英晶体谐振器频率改变的主要原因是温　会导致石英晶体谐振器的谐振频率发生变化。基于　上述原因，我们决定采用ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ单片机对线　切割高频电源控制电路进行改造。　ｆ　２０１３年第８期嘲ｌ＿Ｉ藏贰ｌ　４３　技术与应用　２　ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ单片机基本功能　ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ单片机是宏晶科技推出的超强抗　可反复擦写编程。工作温度为一４０￣Ｃ～＋８５℃，内置　看门狗电路，内部电源供电系统、时钟电路和复位　电路都经过特殊处理。“６时钟／机器周期”和“ｌ２　干扰、高速、低功耗单片机，指令代码完全兼容传　时钟／机器周期”可在ＩＳＰ编程时反复设置。具体结　统８０５１单片机。其最高频率时钟为８０ＭＨｚ，Ｆｌａｓｈ　存储器为８ＫＢ，ＲＡＭ为５１２ｂｉｔ，Ｅ２ＰＲＯＭ为２ＫＢ，　构如图１所示。　一一¨ＰＯ，Ｐｌ，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４　图１　ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ单片机内部结构示意图　Ｐ０端口（Ｐ０．０～Ｐ０．７）：ＰＯ口是一个漏极开路　Ｕ　肿叭叭Ｊｒ　姒的８位双向Ｉ／０口。作为输出端口，每个引脚能驱　１　４０　动８个ＴＴＬ负载。对端口Ｐ０写入每个引脚能驱动　２　３９　３　３８　写入“１”时，可以作为高阻抗输入。　４　３７　５　３６　Ｐ１端口（Ｐ１．０～Ｐ１．７）：Ｐ１口是一个带内部上　６　３５　拉电阻的８位双向Ｉ／０口。Ｐ１的输出缓冲器可驱动　７　３４　８　３３　（吸收或者输出电流方式）４个ＴＴＬ输入。对端口　９　ｏ　３２　写入１时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，　１０　３１　１１　３０　这是可用作输入口。Ｐ１口作输入口使用时，因为有　１２　２９　内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个　ｌ３　２８　１４　２７　电流。　１５　２６　Ｐ２端口（Ｐ２．０～Ｐ２．７）：Ｐ２口是一个带内部上　１６　２５　１７　２４　拉电阻的８位双向Ｉ／Ｏ端口。Ｐ３端口（Ｐ３．０～Ｐ３．７）：　１８　２３　Ｐ３是一个带内部上拉电阻的８位双向Ｉ／０端口。　１９　２２　２Ｏ　２ｌ　ＶＣＣ（４０引脚）：电源电压；ＶＳＳ（２０引脚）：　接地。　图２　ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ单片机管脚示意图　４４　Ｉ　ｔａｌｔｌ／Ｉｔ　２０１３年第８期　　　嘶　¨　Ｈ　Ｈ　吣　∞阱　　Ｊｒ　帆３线切割高频电源主控电路改进设计　针对高频电源存在的实际问题，本文采用　ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ单片机为主要处理部件，来改进原有　的主控电路部分，整个电路是由单片机处理器、驱　动电路、电源电路、功能参数及显示电路组成。这　样的设计可以使电路简单，投入极少，控制灵活方　便，特别适合小型企业技术改造，加工速度提高了　２５％。具体设计框图如图３所示，电路原理图如图４　所示。　图３高频电源控制电路框图　３．１控制信号产生电路　控制信号由单片机程序控制产生的脉冲信号，　由单片机Ｐ１端口Ｐ１．４、Ｐ１．５、Ｐ１．６输出脉冲信号，　控制驱动电路进行工作。当需要较小的输出功率时，　驱动电路只有一个功率输出管ＶＴ１工作，则单片机　只有Ｐ１．４端有脉冲输出，ｐ１．５、Ｐ１．６端无脉冲输出，　即Ｐ１．４端口只控制一只功率管工作，若要求输出功　率大一些，则让Ｐ１．５端输出信号，Ｐ１．５端控制两只　功率管（ＶＴ２、ＶＴ３）工作。同样，Ｐ１．６端输出控　制信号，同时控制三只功率管（ＶＴ４、ＶＴ５、ＶＴ６）　工作。例如，在要求输出功率较大，要求５只功率　管同时工作，则让Ｐ１．５、Ｐ１．６端同时输出脉冲信号　也就有５只功率管同时工作，此项调整是通过ＳＡ４　完成。　３．２功放驱动电路设计　功放电路由三块ＴＬＰ２５０光耦合集成电路完成，　由单片机Ｐ１．４、Ｐ１．５或Ｐ１．６输出脉冲信号（低电平　有效），分别加到三块ＴＬＰ２５０功率驱动模块的３脚。　当ＴＬＰ２５０光耦驱动模块的３脚有低电平脉冲信号　时（无信号时为高电平），其６、７脚就有高电平脉　冲输出，直接驱动功率场效应管ＩＲＦＰ４５０的栅极，　ＴＬＰ２５０的５脚接地，８脚接１２Ｖ电源。其中ＩＣ２　技术与应用　（ＴＬＰ２５０）的输出（６、７脚）接到ＶＴ１的栅极，　驱动一只功率场效应管。ＩＣ３（ＴＬＰ２５０）的输出（６、　７脚）同时接到ＶＴ２和ＶＴ３的栅极，驱动两只功率　场效应管工作。ＩＣ４（ＴＬＰ２５０）的输出（６、７脚）　同时接到ＶＴ４、ＶＴ５和ＶＴ６的栅极，同时驱动三只　功率场效应管工作。　由ＶＴ１、ＶＴ２、ＶＴ３、ＶＴ４、ＶＴ５、ＶＴ６六只功　率场效应管组成功率输出电路，由单片机的Ｐ１．４、　Ｐ１．５和Ｐ１．６端输出的脉冲信号来控制光耦ＩＣ２、ＩＣ３、　ＩＣ４的输出，进一步驱动６只功率场效应管，以控　制相应的功率管工作。　３．３　功能参数及显示电路设计　控制系统相关参数的显示用了５只ＬＥＤ数码管　进行显示，第一位数码管显示功率管的电源电压，　该电压档位分高、低两个档位，是由变压器抽头的　改变而获得的，再通过桥式整流电路获得两个高低　不同的直流电压，整流供给功率管工作。当选择高　电压供给功率管工作时，第一位ＬＥＤ数码管显示为　“Ｈ”，当选择低电压供给功率管工作时，ＬＥＤ数码　管显示为“Ｌ”，电压的高低由电压选择开关控制，　由操作者根据工作要求来选定。第二位、第三位显　示输出脉冲的宽度（大约几十微秒），脉冲有九个级　别，可以通过选择开关Ｓ２进行选定。第四位显示脉　间的时问长短，脉间也有九个级别，由脉间选择开　关Ｓ３进行选定。第五位显示功率输出管工作的数　量，该电路共有６只功率管，操作者可根据输出功　率的大小，由选择开关Ｓ４进行选定需要几只功率管　进行工作。　以上４个参数的初始值，系统自动设定一组常　用值。在需要改变时，操作者可通过相应的选择开　关自行设定。参数显示电路，由单片机的Ｐ０口输　出控制ＬＥＤ数码管的段码信号，即确定相应的数　码管显示的内容。Ｐ２口输出的是位码信号，即控　制由哪一个数码管进行显示。单片机的Ｐ０端口与　Ｐ２端口输出信号组合控制ＬＥＤ数码管的动态显　不。　本设计通过在威海荣铭金属设备有限公司进　行实验，达到了预期目的。选取了不同周期的波　形，对改进的控制电路进行测试。测得数据显示　其脉冲宽度可以达到１～１２０ｇｓ，脉冲间隔比可以　达到，满足机床的本身加工要求。通过用示波器　观察脉宽的调节范围为ｌ～１２０￣ｓ，脉间脉宽之比　２０１３￣８　ｑｉｌ＝ｌａ：＃ｔ　Ｉ　４５　技术与应用　４６　Ｉ电ｌ＿Ｉ麓贰２囤剐　龉脚磊　寒　卅　脚　怩丽　０１３￣８　寸囤　技术与应用　为ｔｉ：ｔｊ＝ｌ：ｌ～１：１５。这对于电火花加工来说，基　本满足了其普通加工要求。从实验测得的数据可知，　从周期调试过程中，占空比则控制在７１７％～　２４１８％。　参考文献　［１］　张建民，张红琴．单片机在线切割机控制系统中的　应用［Ｊ］．电脑学习，２００４（１）：７－８．　［２］　高毅，周立迎，秦晓波．基于电火花线切割机床脉　４　结论　改进电路所测得的脉冲宽度、脉冲间隔均能在　冲电源的主控电路改进研究［Ｊ］．贵阳学院学报（自然　科学版），２００９（４）：２６．２９．　较宽的范围内调节，能满足不同的加工工艺要求。　［３】彭丰年．电火花线切割机床高频电源的使用［Ｊ］．金　通过观察输出的电流波形，输出的控制信号稳定、　属加工，２００９（１６）：６７—６８．　波形振动小，前后沿陡峭，并可以实现对脉问脉宽　［４］徐健，叶汉民，蒋存波，职燕．电火花加工中数控脉　进行数字调节，这对于提高机床的加工效率和加工　冲电源的设计［Ｊ］．制造技术与机床，２ｏｏ６（１０）：３９—４１．　质量起到了重要的作用。另外，由于改进的控制电　路采用数码显示，大大的提高了电火花线切割机床　作者简介　的智能化水平。本设计特别适合中小型企业，资金　李传伟（１９６９一），男，山东威海人，硕士，威海职业学院教授，维　投入极少，并且机床加工也能满足工艺要求。　修电工技师。从事电气自动控制研究与教学。　（上接第４２贝）　所示。档位调节对补偿变保护无影响，不同的档位不　参考文献　会影响ＴＡ６、ＴＡ４、ＴＡ７绕组电流极性。当加入三　侧不同极性电流时，装置显示调压变差流几乎为零，　［１］　郭慧浩，付锡年．特高压变压器调压方式的探讨［Ｊ］．　可以证明装置差动保护极性完全能够满足补偿变差　高电压技术，２００６，３２（１２）：１　１２．１１４．　［２］　杨宝祥，吴峡．关于特高压变压器的一点思考【Ｊ】．　流平衡式（２）。　高电压技术，２００５，３１（１２）：２１－２２．　４　结论　［３］舒印彪，张文亮．特高压输电若干关键技术研究［Ｊ］．　中国电机工程学报，２００７，２７（３１）：１．６．　１）特高压变压器采用中性点无励磁调压方式，　［４】　张双平，曾麟钧．特高压变压器保护的研究［Ｊ］．江　并且独立设置调压补偿变，具有结构优越性和运行　西电力，２００９，３３（６）：３４．３６．　可靠性。　［５］　张立群，齐金定，等．５００ｋＶ变压器保护配置与应用　２）特高压变压器由主体变、调压补偿变两部分　中的若干问题［Ｊ］．继电器，２００６，３４（１６）：７９—８１．　［６］　田庆．特高压交流试验示范工程主变保护配置探讨　组成，由于结构的独特性，特高压变压器保护也具　［Ｊ】．高电压技术，２００９，３５（７）：１５４０—１５４５．　有特殊性，单独配置的调压补偿变差动保护主要是　［７］　文继峰，程骁，等．特高压变压器差动保护研究［Ｊ】．　用来提高小故障情况下的灵敏度。　中国电机工程学报，２００９，２９（２２）：５８　６２．　３）为了使二次接线简单化，ＴＡ４、ＴＡ５、ＴＡ６、　［８】　包云峰．继电保护调试中电流极性的考虑［Ｊ］．电力　建设，２００６，２７（５）：５８—６１．　ＴＡ７均以Ｓ１出线，可保护装置软件来修改ＴＡ极　［９］　侯斌，舒良．变压器纵差保护ＣＴ二次接线及正确性　性。　检查［Ｊ］．湖北电力，２００６，３０（１）：４３－４５．　４）当特高压变压器处于６—９档时，保护装置　［１０］胡汉梅，李琳．论继电保护的极性［Ｊ］＿电力建设，　通过软件修改调压变角侧ＴＡ７电流的极性，匹配　２００４，２５（６）：５９－６　１．　ＴＡ５、ＴＡ６的极性变化，确保调压变差动保护正确　作者简介　性，但是补偿变各绕组在调压档位变化时电流大小、　苏陈云（１９８２一），男，汉族，湖北天门人，硕士，助理工程师，主　极性都不发生变化。　要从事高压电气和继电保护调试工作。　２０１３年第８期噍．｜ｌ蕉礅Ｉ　４７