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电火花电源的FPGA设计 |
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日期:2009-6-10 9:33:34 |
本文在EDM机理与嵌入式技术领域最新研究成果的基础上,针对目前微细EDM加工中电源的研究现状,提出了一种新型的智能型EDM脉冲电源,该电源的脉间精度可以达到0.2μs,是一般的分立软件和集成电路所不能达到的,脉宽,脉间的大小可参数话,这种新型的脉冲电源,由于高电火花脉冲放电频率,从而提高加工精度。 一、脉冲电源的原理设计 数控机床的脉冲电源电路主要由脉冲发生器,隔离放大电路,直流电源电路,功率放大电路,开关电路5部分。放电脉冲的产生过程如下,首先是脉冲发生器产生高频参数化的脉冲信号,经过光耦的隔离后,由功率推动电路进行功率放大,从而控制高频开关管的通断。高频开关管的另一端接的是直流电源,该直流电经过开关管的通断而产生高频的放电加工脉冲电源。其核心部分即是脉冲发生器的设计。 二、嵌入式脉冲发生器的设计 只有设计出了高频率的、参数化的脉冲发生器,脉冲加工电源的精度、参数化才可以实现。该电源系统中采用的是性价比较好的Altera公司的Cyclone II序列的FPGA芯片EP2C8Q208C7。其逻辑资源足够实现系统的功能。 三、嵌入式系统硬件设计 系统中使用的是一种软核式的Nios II处理器,并选择其类型为Nios/f型。整个设计过程是:图形或HDL编译、分析与综合、适配器件、仿真、编程文件汇编、下载配置到FPGA。 该系统中除了采用NIOS II和一些常用的外设IP,还有一个用户IP。用户IP用于产生PWM的模块pulse_generator是用VHDL编写状态机来实现的。其中一个模块用状态机实现3种状态:分别空闲、脉宽和脉间。并由时钟输入、状态控制信号以及计数器状态来确定3种状态之间的转换,一般情况是在系统启动后,由空闲状态进入脉宽状态后便会在脉宽、脉间2种状态之间切换,实现连续的PWM。将用户IP与Altera的IP结合起来就可以生成硬件的脉冲发生器。 四、软件编程实现 软件编程采用Altera提供的软件编译环境NIOS II IDE。软件的开发过程是在IDE中创建一个工程文件,工程所指定的硬件系统即是在Quartus中生成的.ptf文件。新的工程将包括2个库,一个是用户的API库,另一个是系统库,系统的库中包含了用户进行软件编程时需要的各种头文件、驱动程序等。在用户库中可以使用C/ 或者是汇编语言编写脉冲参数的实现功能,在写好后就可以对软件工程进行编译、调试得到希望的结果后就可以软件的工程文件.elf下载到开发器件上。如果需要调整脉冲、脉间的参数,则可以在NIOS IDE中对脉宽与脉间的比例以及周期长度进行修改。同时通过对I/O口输出的高低电平,可以控制每一路大功率管的关断与否,从而做到了电流大小的控制,具有非常高的灵活性。这样可以得到新的适合进行粗、中精、精加工的脉冲序列。 五、外部电路设计 外部电路主要包括直流电源、隔离放大电路、高速开关电路、保护电路。直流电源电路是市电经过变压器、整流桥路电路、电容滤波电路输出的,输出的电压有 80 V和120 V两种,分别用于粗加工和精加工。脉冲发生器的PWM用来控制高频开关管,为了防止脉冲发生器的烧坏,要将FPGA开发板与开关管电路隔离开来,而电源的频率很高,普通光耦的会产生波形畸变,所以采用的是25M的高速光耦PC412S。开关管采用的是VMOS,使用它的好处是开关的频率高,能够承受的电流和电压都比较大,但要使用输入电容较小的VMOS,否则会影响电源关断的速度。
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