微細(xì)電火花加工脈沖電源及智能控制器設(shè)計(jì)

尚繼良，陳強(qiáng)

(青島科技大學(xué)，山東 青島 266042)

Design of Pulse Generator and Intelligent Controller for Micro EDM

SHANG Jiliang，CHEN Qiang

(Qingdao University of Science and Technology，Qingdao 266042，China)

摘要：設(shè)計(jì)了以DSP和CPLD為控制單元的微細(xì)電火花脈沖電源，滿足微細(xì)電火花加工單個(gè)脈沖能量小而可控的要求。針對(duì)加工過(guò)程難以用數(shù)學(xué)模型描述的問(wèn)題，利用智能控制不依賴數(shù)學(xué)模型的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，根據(jù)間隙放電狀態(tài)，對(duì)在線參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整。通過(guò)微小孔加工實(shí)驗(yàn)表明，采用智能控制的加工方式可以提高加工速度，有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：微細(xì)電火花加工；脈沖電源；模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TG661

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-2257(2015)04-0065-04

收稿日期：2014-11-24

作者簡(jiǎn)介：尚繼良(1956-)，男，山東青島人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣I(yè)過(guò)程建模與計(jì)算機(jī)控制；陳強(qiáng)(1989-)，男，山東淄博人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄芸刂评碚摷皯?yīng)用。

Abstract：This paper designed a micro EDM pulse generator used DSP and CPLD as the control unit,which can satisfy the requirements that the micro EDM single pulse energy must be small and controllable.According to the problem that mathematical model of machining process is difficult to build，we designed a fuzzy neural network controller，because intelligent control has the advantages that it does not depend on the mathematical model，so we can adjust the online parameters in real time according to the gap state.The micro hole machining experiment shows that the processing method of intelligent control can improve the processing speed，which has a good apply prospect.

Key words：micro EDM；pulse generator；fuzzy neural network

0引言

微能脈沖電源是微細(xì)電火花加工能量的核心。它的單次脈沖放電的性能直接影響著電火花加工速度，加工質(zhì)量、穩(wěn)定性等加工指標(biāo)。因此，脈沖控制是電火花加工過(guò)程控制的一個(gè)重要方面。從加工時(shí)單個(gè)脈沖能量小而可控的設(shè)計(jì)思路出發(fā)，設(shè)計(jì)了基于CPLD的可控式RC脈沖電源，具有頻率高、脈寬、脈間可調(diào)的特點(diǎn)。針對(duì)電火花在線加工參數(shù)難以控制的問(wèn)題，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制不依賴數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制和分布式數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于DSP的加工過(guò)程模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，根據(jù)放電狀態(tài)實(shí)時(shí)在線調(diào)節(jié)加工參數(shù)，提高了加工穩(wěn)定性和加工速度。

1微能脈沖電源硬件設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

微細(xì)電火花加工過(guò)程總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

脈沖電源由主控制模塊、脈沖發(fā)生模塊、隔離驅(qū)動(dòng)模塊、放電狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊和主電源模塊等幾個(gè)部分組成。以DSP為核心的主控制模塊通過(guò)串口接收上位機(jī)的離線參數(shù)設(shè)置，發(fā)給以CPLD為核心的脈沖發(fā)生模塊，產(chǎn)生相應(yīng)脈沖經(jīng)高速光耦隔離后放大驅(qū)動(dòng)功率MOSFET，產(chǎn)生電加工所需的高電壓脈沖。為了對(duì)放電狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，放電檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)放電狀態(tài)并反饋給主控模塊，主控制模塊的核心是模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，對(duì)放電檢測(cè)狀態(tài)經(jīng)模糊運(yùn)算處理后實(shí)現(xiàn)對(duì)在線加工參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整，以確保加工過(guò)程的穩(wěn)定進(jìn)行。

1.2主放電回路模塊設(shè)計(jì)

微細(xì)電火花加工過(guò)程其實(shí)是單脈沖放電的累積過(guò)程，要得到較高的加工精度和表面質(zhì)量，就必須控制單脈沖放電能量，一般要求將單脈沖放電的能量控制在10-7～10-6J。設(shè)計(jì)的主放電回路如圖2所示。為保證單脈沖放電能量有較寬的調(diào)節(jié)范圍，實(shí)現(xiàn)不同精度的加工能力，設(shè)計(jì)了不同精度下的限流電阻值和加工電容，加工前上位機(jī)通過(guò)DSP發(fā)送指令給CPLD，由CPLD控制繼電器實(shí)現(xiàn)不同精度下K1、K2的選擇。脈沖間隔和脈沖寬度時(shí)段，Q2和Q1交替導(dǎo)通，從而使電容的充放電過(guò)程相分離，產(chǎn)生可控的單脈沖放電能量。

圖2　主放電回路結(jié)構(gòu)

1.3脈沖發(fā)生控制模塊設(shè)計(jì)

脈沖發(fā)生單元主控器件選用了ALTERA公司的EPM7128SQC100型CPLD。CPLD是一種運(yùn)行速度快、集成度高、系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活和可靠性高的可編程邏輯器件，它接收DSP傳送來(lái)的脈沖調(diào)節(jié)參數(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)脈沖寬度和脈沖間隔，并且能及時(shí)處理反饋的部分放電狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)。為保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，采用雙口RAM的方式實(shí)現(xiàn)CPLD與DSP之間的數(shù)據(jù)交換。CPLD選擇50 MHz的晶振，時(shí)鐘周期20 ns，可實(shí)現(xiàn)最小100 ns的脈沖寬度。采用 QuartusII軟件對(duì)程序進(jìn)行編程、編譯、仿真和下載?；谀K化設(shè)計(jì)思想，將脈沖發(fā)生模塊內(nèi)部邏輯劃分為若干個(gè)子模塊，并在底層用 VHDL 來(lái)實(shí)現(xiàn)。各子模塊主要包括數(shù)據(jù)鎖存模塊、脈沖發(fā)生模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和輸入輸出控制模塊等。

1.4隔離驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

目前，在中小功率的電火花加工用脈沖電源中，普遍采用功率MOSFET作為功率開(kāi)關(guān)，而要實(shí)現(xiàn)MOSFET的高速通斷，必須要滿足幾個(gè)條件：驅(qū)動(dòng)電路的延時(shí)要??；驅(qū)動(dòng)電路提供的驅(qū)動(dòng)電流要大；輸出負(fù)載要盡量小。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)不可以直接驅(qū)動(dòng)MOSFET，本設(shè)計(jì)選用IR公司的專用芯片IR2117和IR2118，來(lái)驅(qū)動(dòng)2個(gè)功率MOSFET，它們輸入信號(hào)相同時(shí)輸出電平相反，其部分驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。為防止強(qiáng)電信號(hào)對(duì)數(shù)字系統(tǒng)的干擾，采用高速光耦HCPL2631對(duì)脈沖發(fā)生電路和驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行隔離。

圖3　功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路部分原理

1.5放電狀態(tài)檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

電火花加工過(guò)程實(shí)質(zhì)上一個(gè)放電間隙維護(hù)的過(guò)程，放電間隙狀態(tài)直接反映了加工質(zhì)量的好壞，因此，放電間隙的狀態(tài)檢測(cè)是脈沖電源和伺服系統(tǒng)參數(shù)控制的重要依據(jù)。本設(shè)計(jì)采用平均電壓檢測(cè)法和單脈沖放電狀態(tài)檢測(cè)法。在脈寬和脈間較小時(shí)，很難對(duì)每個(gè)脈沖檢測(cè)，因此采用平均電壓檢測(cè)，將檢測(cè)電壓經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后送入DSP主控制器；當(dāng)脈寬和脈間較大時(shí)，采用高速比較器對(duì)分壓后的極間電壓和各個(gè)狀態(tài)的參考閾值比較，輸出到CPLD進(jìn)行邏輯判斷得出放電狀態(tài)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)一定時(shí)段內(nèi)正常放電、開(kāi)路和短路的脈沖所占的比率，可以得出該時(shí)段內(nèi)放電間隙的狀態(tài)好壞。

1.6主控制模塊設(shè)計(jì)

主控制模塊從功能上可以劃分為：上位機(jī)通信單元、放電狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理單元、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制單元和CPLD通信單元。其核心是模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，由于放電狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器需要大量的數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，普通MCU很難勝任，因此，采用數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大的TMS320F335芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)初始化后，DSP通過(guò)串口接收上位機(jī)發(fā)送的離線參數(shù)，并通過(guò)雙口RAM傳達(dá)給CPLD脈沖發(fā)生模塊。加工過(guò)程中，DSP接收A/D轉(zhuǎn)換和CPLD發(fā)送來(lái)的放電狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器運(yùn)算后輸出加工參數(shù)的調(diào)整量。

2智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1控制方案設(shè)計(jì)

電火花加工是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，其加工效果和工藝參數(shù)的關(guān)系很難通過(guò)數(shù)學(xué)模型來(lái)描述。模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是當(dāng)前重要的智能控制算法，模糊控制不依賴被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型，以人工經(jīng)驗(yàn)的知識(shí)表示和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有很強(qiáng)的的自學(xué)習(xí)能力。在此，將兩者結(jié)合設(shè)計(jì)了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程在線參數(shù)的調(diào)整。

電火花放電時(shí)間極短，不可能對(duì)每個(gè)放電脈沖實(shí)時(shí)調(diào)整，因此將一定周期內(nèi)的放電狀態(tài)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為控制系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)。放電狀態(tài)以一定時(shí)間間隔內(nèi)的空載率φd、正常放電率φe、短路率φs來(lái)表示，其滿足如下關(guān)系：

(1)

(2)

∑td、∑te和∑ts分別為某個(gè)時(shí)間段內(nèi)各狀態(tài)脈沖之和；∑t 為脈沖個(gè)數(shù)總和。由式(2)可知，已知三者中的任意2個(gè)放電狀態(tài)率即可確定第3種狀態(tài)率。

以微細(xì)電火花加工過(guò)程為控制對(duì)象，將放電狀態(tài)統(tǒng)計(jì)參數(shù)做為系統(tǒng)輸入，將對(duì)加工速度、加工過(guò)程穩(wěn)定性和電極損耗影響最大的伺服參考電壓、脈沖間隔、抬刀周期的調(diào)整倍數(shù)Δsv，Δto，Δtr作為被控量，以電加工過(guò)程的穩(wěn)定性衡量在線參數(shù)的合理性?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)原理

2.2模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的實(shí)現(xiàn)

2.2.1　模糊控制器的結(jié)構(gòu)解耦

參考文獻(xiàn)根據(jù)介紹的方法，利用模糊控制器的解耦性，通過(guò)模糊關(guān)系方程分解，在控制器結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)解耦。將一個(gè)多輸入多輸出結(jié)構(gòu)的模糊控制器，解耦成為多個(gè)兩輸入單輸出的模糊控制器，簡(jiǎn)化了控制器設(shè)計(jì)。模糊控制器的結(jié)構(gòu)解耦過(guò)程如圖5所示。

圖5　模糊控制器解耦

2.2.2　輸入輸出參數(shù)的模糊化

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，正常火花放電率基本上呈正態(tài)分布，實(shí)際加工過(guò)程穩(wěn)定后，正?；鸹室话阍?5%～85%之間，空載率和非正?；鸹试?0%～35%之間。因此，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，可設(shè)置輸入輸出變量的論域范圍如下：φe∈[0.6,0.8]；φd,φs∈[0.05,0.35] ； Δsv，Δto，Δtr∈[5,2]。

考慮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，盡量減少計(jì)算量，采用三角形隸屬度函數(shù)。輸入變量φd,φe,φs可以表示為{VS，S，M，L，VL}；輸出變量 Δsv，Δto，Δtr可以為{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。

2.2.3　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)模糊控制規(guī)則

模糊控制中的規(guī)則庫(kù)主要包含了最佳放電狀態(tài)的專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，控制規(guī)則就是這些知識(shí)的描述。以脈沖間隔模糊控制器為例，由于輸入?yún)?shù)的模糊子集均為5，并且要滿足條件φd+φe≤1，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí),得到具體模糊規(guī)則如表1所示。

將根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到的模糊規(guī)則作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用3層BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將輸入變量的模糊集合作為系統(tǒng)輸入層，隱含層的每1個(gè)節(jié)點(diǎn)表示1條模糊推理規(guī)則，輸出層為輸出參數(shù)的語(yǔ)言變量。以脈沖間隔模糊控制規(guī)則的訓(xùn)練為例，其算法設(shè)計(jì)如下所述。

表1　脈沖間隔模糊控制規(guī)則表

2.2.4　輸出量的反模糊化

控制器的輸出結(jié)果是模糊量不能直接用作實(shí)際的控制，需要處理后求取一個(gè)能恰當(dāng)反映模糊量的精確值。為此，采用重心法對(duì)模糊輸出量進(jìn)行反模糊化，得到可以實(shí)際應(yīng)用的清晰量。

3加工實(shí)驗(yàn)

圖6　微小孔加工實(shí)驗(yàn)加工速度對(duì)比

將該智能脈沖電源用于微小孔加工實(shí)驗(yàn)，設(shè)定脈沖寬度為5 μs，占空比為50%，峰值電流為1.2 A，開(kāi)路電壓為40 V，采用直徑為0.5 mm紫銅電極，工件為不銹鋼。在其他加工條件都相同的情況下，分別采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)控制方式和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式，進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，加工速度的比較情況如圖6所示。實(shí)驗(yàn)表明，采用智能控制技術(shù)的加工方式有著更快的加工速度，而且加工時(shí)間越長(zhǎng)，差距越明顯。

4結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)微細(xì)電火花脈沖電源放電能量小、脈沖頻率高的要求，設(shè)計(jì)了基于DSP和CPLD的微能脈沖電源，并針對(duì)電火花加工參數(shù)控制復(fù)雜的問(wèn)題，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)在線參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和調(diào)整，以保證加工過(guò)程的穩(wěn)定性。加工實(shí)驗(yàn)表明，采用智能控制的加工方式具有明顯的速度優(yōu)勢(shì)。

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