张建华 葛红宇 李宏胜 方 力

（南京工程学院自动化学院，江苏南京 211167）

利用纳秒及以下级持续时间的超短脉冲电流去除材料时，电化学加工能够将电化学蚀除局限在电极顶尖部位的微－纳尺寸范围，极大限制蚀除中的杂散腐蚀，成功实现微米级尺寸的微细工件的加工，精度可达几百纳米［1］。随着脉冲宽度的减小，精度明显提高。

相较于其他微细加工方法，微细电化学加工具有非接触、无切削力、无热熔除等特点，已经在某些特殊的微细加工场合获得较好效果［2－3］。利用这种工艺，德国 Friz_Haber研究所［4］、美国的 IBM［5］以及国内的南京航空航天大学［6－8］、上海交通大学［9］等机构先后制作了微米量级的微孔、槽、坑与其他微细结构。

电源及其品质是微细电化学加工的关键影响因素，高频、窄脉宽脉冲电源是微细电化学加工的重要研究内容［1，10］。目前，微细电化学加工电源尚处在实验室阶段，尚存在参数调节范围有限、功能较为单一等问题。针对上述问题，结合微细电化学加工的发展，本文采用大规模可编程逻辑器件，从调整方便性、易于系统集成等角度出发，开发适于电化学微细加工的可编程数字脉冲电源。

1 工作原理与总体结构

1．1 工作原理

纳秒脉冲电源的直流部分电路结构如图1所示，220 V工频交流电经降压变压后进入全桥整流与电容滤波电路，得到直流电压。而后，经过R2、C2与功率三极管VT1构成的调节电路，在输出端经过电容C3再次滤波，形成直流电压VDC。电路存在外部干扰时，若VDC升高，VT1基－发射级电压VBE下降，基级电流随之减小，引起发射极电流下降，拉低输出直流电压VDC;反之，VDC下降→VBE上升→基极电流增大→VDC上升。因此，输出电压VDC较为稳定。

电源主电路如图2所示，脉冲控制信号Sig由系统逻辑控制电路产生，需电压与电流放大才能用于实际加工，直流电压VDC由电源的直流电路提供。Sig输出低电平，开关管Q1截止，Q2饱和导通，电流经开关管Q2由工件流向工具电极，经过工具电极到达电源阴极，形成脉冲电流脉宽;反之，控制信号Sig为高电平，开关管Q1饱和导通，Q2截止，得到加工电流脉间。电路中的Q1、Q2选用2N2369系列高频开关管，最高开关速度小于20 ns;D1选用BYV26系列快恢复二极管，反向恢复时间30 ns。

图中的PEN为电源开关控制信号，由系统计算机直接控制，通过固态继电器SSR实现电源的开关。通过适当的控制逻辑，动态地改变控制信号Sig的高低电平状态，实现开关管Q1与Q2的通断时序，即在工具电极与工件之间得到加工要求的脉冲电流。

1．2 系统结构

电源的系统结构如图3所示，受运算速度限制，系统中的单片机只负责参数的显示与读写、串行通讯，键盘输入及处理等实时性要求较低的任务。高频控制信号由控制逻辑实现。由于输出电压与电流的限制，控制逻辑的输出信号不能直接用于加工，需要电压放大电路把输出的低压信号转换为加工需要的加工电压，同时需要电流放大电路提供足够大的加工电流，如图2所示的两级放大电路。图2的信号Sig即为逻辑控制输出的高频控制信号，通过R4、Q1与R5构成的电压放大电路，Sig被放大至加工电压;通过R6、Q2与R7构成的电流放大，电极－工具之间得到实际加工电流。

系统提供两种模式对电源输出的脉冲信号进行设置与编程:通讯模式与键盘模式。由于通讯数据量较少，同时微细加工对电源的控制实时性要求不高，加之串口通讯简洁可靠，在工业现场应用较为广泛，因而系统选用串行通讯实现电源与主控计算机的数据交互。通过串行通讯接口RS232，微细加工系统主控计算机可以直接对脉冲的脉宽、脉间等参数进行设定，通讯波特率选择115 200 B/S;考虑到实际应用，系统按键较少，故而采用独立式键盘，直接送单片机P1口供检索。

这里的单片机系统指单片机最小系统，包括时钟电路与复位电路等。

2 逻辑控制电路设计

2．1 电路原理

逻辑控制电路接收串行通讯或键盘输入的脉冲参数，产生高频脉冲控制信号。结构如图4，主要由单片机及外围电路、CPLD及控制逻辑、总线驱动及极间脉冲采样与转换电路构成。

电路中的单片机选用深圳宏晶科技的STC12C5A60S2系列的8位高速单片机，内部集成64 K的FLASH、1 280字节的RAM以及8路10位的AD转换器。由于电源运行中要处理、存储的数据量不大，系统无外扩的数据存储器，只使用单片机内部RAM作为数据存储。实现高频脉冲信号控制逻辑的可编程逻辑器件采用Altra公司的EPM7160STC100系列的CPLD，基准时钟为100 M有源晶振，通过对基准时钟计数，CPLD实现高频脉冲的脉宽、脉间等控制。

电源工作过程中，单片机接收串口传输或键盘输入的脉冲参数，根据基准时钟计算与脉宽、脉间等对应的计数值，并将得到的相应计数值送入实现逻辑控制的CPLD，由CPLD实现对基准脉冲的计数，定时输出相应的控制信号，经总线驱动器得到图2所示主电路中的高频控制信号Sig。

极间脉冲检测与转换电路原理如图5，Q3仍然采用高频开关管2N2369。电源正常运行时，极间脉冲电压同时施加到Q3的基级，Q3定时开通、关断，CP输出与极间脉冲同频的5 V检测脉冲到实现系统逻辑控制的CPLD，CPLD采样检测信号CP，对CP进行1 ms定时计数并将计数值写入片内寄存器，供CPU查询。发生极间短路时，Q3基级电压为0，CP持续输出高电平，短路时间超过1 ms，脉冲计数寄存器清零。控制计算机定时查询CPLD内的脉冲计数寄存器，发现为零后，禁止图2中的使能信号PEN，电源停止工作，起到保护电路的作用。

2．2 控制逻辑设计

逻辑控制电路完成的功能包括:（1）响应单片机读写时序，接收脉冲参数，输出1 ms定时的脉冲计数值;（2）完成逻辑运算，输出高频控制信号;（3）实现极间脉冲的1 ms定时计数并将计数值送输出寄存器。电路具有较高的逻辑复杂性与实时性要求，通过CPLD器件EPM7160STC100实现。

读写逻辑控制通过双向口原理实现，逻辑控制芯片占用3个地址。端口“00”为脉冲参数计数值输入口;“01”为1 ms脉冲计数值寄存器，只读;“10”为键盘输入寄存器，也为只读寄存器。

根据波形特点，将电源输出分为脉宽（状态①）与脉间（状态②）状态，对应逻辑控制电路的2个相应工作状态。完成控制逻辑的EPM7160响应100 M的基准时钟上升沿，通过16位计数器实现脉冲的脉宽、脉间控制，控制逻辑的状态转换及条件如下:

（1）脉宽计数结束，则状态①转②;

（2）脉间计数结束，则状态②转为状态①;

以100 M的基准时钟作为敏感量，设计VHDL进程PROCESS实现上述状态转换。状态①时，逻辑控制电路对基准时钟计数，图2中的输出Sig送出低电平，Q1截止，Q2饱和导通，电极－工件对之间输出加工脉冲脉宽;在状态②，Sig送出高电平，Q1饱和导通，Q2截止，电源输出加工脉冲脉间;正常工作时，电源检测到1 ms内电极－工件间脉冲输出个数为“0”，表明极间发生短路，控制计算机拉低图2中的使能端PEN，电源停止工作。图6为逻辑控制电路高频信号输出仿真。

其中:CK为基准时钟，pWidth与pIntvl为脉宽计数值与脉间计数值。CS为低，经第1、2个写操作，在WR信号的第2个升沿，脉宽计数值设置为02H;经第3、4个写操作，在WR信号的第4个升沿，脉间计数值设置为05H。在状态①，高频逻辑控制信号Sig输出2周期的低电平，经过图2中的两级放大，电源输出脉宽并保持2个基准时钟周期;状态②，Sig输出5周期的高电平，电源输出脉间并保持5个时钟周期;控制信号状态符合上述的波形分析及图中设定值。

3 软件设计

脉冲电源软件的主程序流程如图7所示。电源运行开始，单片机执行初始化程序，设置串行通讯，调入并显示脉冲各参数缺省值。图中的定时用于键盘消抖，单片机采用轮询方式读取键盘，检测定时中断标志TF与串行中断标志SF;有键按下，系统存储键值并设定20 ms延时。20 ms定时到，再次读取键盘，读到的键值相同，转入键盘处理;键值不同，不处理。串行中断标志置位，读接收缓冲区，计算串口送入的各脉冲参数并更新显示。

系统共设置5个键:上下左右4个箭头键与开始键。箭头键用于参数调整，左右箭头选择参数位，上下箭头键调整该位的数值。程序中，各脉冲参数以字符串方式存储，每次参数调整结束，系统重算脉冲各参数并更新显示;开始键启动电源，单片机根据脉冲参数，计算控制逻辑需要的各计数值并写入逻辑控制电路，而后，使能信号PEN，系统输出所需脉冲。

4 实验

改变电源脉冲参数，测试所设计的电源，图8所示为初步测试实验中得到的脉冲电压波形。图8a为测试实验得到的10 M脉冲波形，其中脉冲峰值电压12 V，周期100 ns，脉宽25 ns，占空比1∶3;图8b为得到的占空比为1∶1的10 M脉冲电压波形，脉冲峰值电压13 V，周期100 ns，脉宽脉间均为50 ns。考虑实际加工，调整电源参数，在南京航空航天大学自行研制的微细电化学铣削机床上进行了初步的试切实验，图9为试切实验中得到的电源输出电压波形与测试设备。

5 结语

根据微细加工技术的发展，全面分析了微细电化学加工的工艺特点，结合微细加工系统，提出适于微细电化学加工的脉冲纳秒电源框架结构，先后完成了主电路、控制逻辑电路、控制逻辑芯片等的设计与控制系统软件设计。由于电路中设计了专用逻辑控制芯片，运算速度快，脉冲频率高。同时，系统提供专用键盘与RS232串行接口，参数设置方便，易于接入微细电化学加工系统。参数显示采用液晶显示，一目了然，人机界面友好。试切实验表明，信号脉宽、脉间能够控制在20 ns以下，峰值电压0～16 V连续可调。参数调节范围宽且方便，易于加工系统的计算机控制。

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