劉 宇，高 洋，張詩奇，杜 姍，張生芳，王紫光

（1. 大連交通大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧大連 116028；2. 浙江聯(lián)宜電機有限公司，浙江金華 322118）

在現(xiàn)代化工業(yè)中，復(fù)雜的自動化機械設(shè)備往往需在高溫、高速、重載及相對惡劣的環(huán)境下長期穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)，這對機械設(shè)備及其零部件的表面性能提出更高的要求[1]。 為保證設(shè)備的穩(wěn)定運行，防止零件失效，需采用先進的表面工程技術(shù)，對材料表面進行表面強化與改性處理，以此來提高表面性能[2-3]。電火花沉積技術(shù)是利用儲能電源在電極與工件之間火花放電時釋放的高密度能量，將電極材料熔融后涂覆、熔滲到工件表面，形成合金化的表面沉積層，起到表面修復(fù)與強化的作用[4-5]。 沉積加工處理后，使受損嚴重的工件再次正常工作，并在一定程度上提高了其耐磨性、耐高溫性、耐腐蝕性能[6-7]。電火花沉積技術(shù)憑借其優(yōu)異的表面強化與修復(fù)效果，同時，由于操作簡單、熱輸入小、處理后工件無變形、節(jié)能等特點，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于汽車、軍工、航空航天等領(lǐng)域[8]，成為表面工程及再制造領(lǐng)域中重要的技術(shù)手段。

脈沖電源作為電火花沉積加工設(shè)備的重要組成部分，其性能及放電參數(shù)對沉積效率與涂層質(zhì)量有著極大的影響。 近年來，國內(nèi)外研究人員通過不斷的探索研究，在電火花沉積電源改進方面取得了一定的成果，但改進的電源仍然存在可控性和穩(wěn)定性不夠理想， 致使加工過程中放電能量不均勻，沉積層質(zhì)量差的問題。 此外，現(xiàn)有電源多采用可控硅斬波，通斷頻率低，致使沉積效率低下。 這些問題在某種程度上限制了電火花沉積的發(fā)展。

針對上述問題， 設(shè)計了一種放電參數(shù)可控性高、輸出波形穩(wěn)定的數(shù)字脈沖電火花沉積電源。 采用直接數(shù)字頻率合成 （direct digital frequercy synthesis，DDS）技術(shù)，利用其可全數(shù)字化控制、輸出相位連續(xù)、頻率分辨率高的特性，實現(xiàn)控制脈沖的調(diào)制，并搭配了由功率開關(guān)MOSFET 構(gòu)成的斬波電路，實現(xiàn)了放電參數(shù)的較精確控制，提高了加工過程的穩(wěn)定性。

1 數(shù)字脈沖電火花沉積電源系統(tǒng)設(shè)計

1.1 電火花沉積電源整體方案設(shè)計

電火花沉積電源是電火花沉積加工過程中的核心部件，控制著放電電壓、脈沖寬度、放電頻率等主要放電參數(shù)。 沉積電源的各放電參數(shù)應(yīng)具有高可控性，且能夠在大范圍內(nèi)無極調(diào)節(jié)。 基于以上要求，本文利用DDS 技術(shù)設(shè)計了數(shù)字脈沖電火花沉積電源，整體設(shè)計方案如圖1 所示。

沉積電源主要由控制模塊和功率驅(qū)動模塊組成。 其中，主控單片機、DDS 主振單元、功能按鍵輸入、液晶顯示四部分組成控制模塊，用于產(chǎn)生頻率、占空比等數(shù)字化可調(diào)的控制脈沖信號。 功率驅(qū)動模塊包括光耦隔離電路、功率驅(qū)動放大電路、斬波電路以及直流電源。 主振單元產(chǎn)生的控制脈沖信號經(jīng)過功率驅(qū)動放大電路放大，使其滿足功率開關(guān)管開通與關(guān)斷的要求，最后經(jīng)過斬波電路，將直流電變成加工所需的高壓脈沖。 在控制模塊和功率驅(qū)動電路之間增加了由高速光耦構(gòu)成的光耦隔離電路，避免了后級強電對控制電路的影響，同時對控制模塊起到保護的作用。

1.2 控制模塊設(shè)計

1.2.1 主振控制電路設(shè)計

控制模塊選用STC89C52RC 作為控制電路的主控芯片， 其具有8 KB 的內(nèi)部可編程閃存，512 B的隨機存取存儲器（RAM）[9]，可通過編寫不同的程序?qū)崿F(xiàn)對DDS 芯片的控制。主控模塊外圍電路設(shè)計原理如圖2 所示，包括單片機最小系統(tǒng)、開關(guān)電路、液晶顯示電路、DDS 主振單元接口等。 按鍵信息通過開關(guān)電路輸入到主控芯片， 經(jīng)主控芯片處理后，通過液晶1602A 顯示，主控芯片通過外部接口完成對DDS 芯片的控制，使其產(chǎn)生控制脈沖信號。

圖2 主控模塊外圍電路設(shè)計原理圖

為提高參數(shù)的可控性及輸出信號的穩(wěn)定性，本設(shè)計利用了DDS 技術(shù)， 突破了模擬合成法的限制，應(yīng)用數(shù)字技術(shù)和高速D/A 轉(zhuǎn)換技術(shù)來產(chǎn)生信號，可實現(xiàn)不同頻率、相位的任意波形輸出，具有頻率穩(wěn)定性及分辨率高、相位噪聲低、可全數(shù)字式調(diào)制等優(yōu)點[10-11]。 采用美國AD 公司生產(chǎn)的AD9850，其先進的CMOS 技術(shù)工藝， 主要由可編程DDS 系統(tǒng)、高性能數(shù)模變換器和高速比較器三部分構(gòu)成，可實現(xiàn)全數(shù)字編程控制，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示。 最大支持的時鐘頻率為125 MHz。

圖3 DDS 基本結(jié)構(gòu)原理圖

當(dāng)有頻率控制字輸入相位累加器時，在參考時鐘作用下，相位累加器進行累加操作，輸出與相位控制字相加作為波形ROM 的查詢地址， 讀取存儲在ROM 中的幅值信息， 經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號，經(jīng)過低通濾波器濾波，最后經(jīng)過高速比較器，輸出符合要求的控制脈沖。

控制脈沖的輸出頻率為：

式中：N為相位器累加位數(shù)；fs為參考時鐘頻率；K為頻率控制字。

輸出信號的頻率分辨率為：

AD9850 有串行和并行兩種通信方式， 并行寫入方式的優(yōu)點是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣瓤?，能夠提升整個系統(tǒng)的處理速度，本設(shè)計采用并行接口實現(xiàn)主控芯片和AD9850 的通信控制，其連接原理如圖4 所示。

圖4 主控芯片與DDS 連接原理圖

主控芯片的P1.0-P1.7 引腳與AD9850 的并行通信接口D0-D7 相連接，向AD9850 傳輸相應(yīng)用于產(chǎn)生信號所需的頻率及相位控制字信息。 P2.0 引腳與AD9850 的RESET 引腳相連接，P2.1 引腳與AD9850 的頻率更新引腳FQ_UD 相連接，向其傳輸控制更新信號，完成對寄存控制字的更新，從而實現(xiàn)頻率信號更新并輸出。 P2.2 引腳與AD9850 的時鐘控制引腳W_CLK 相連接，處于上升沿時，將數(shù)據(jù)寫入并傳輸?shù)郊拇嫫髦屑拇妗?每當(dāng)在W_CLK 時鐘上升沿時發(fā)送控制字， 連續(xù)5 個W_CLK 時鐘上升沿后，40 位控制字全部加載完成，通過FQ_UD 的上升沿完成對控制信號的更新，把地址指針復(fù)位到第一個寄存器，實現(xiàn)對輸出信號頻率及相位的一次更新，由輸出引腳完成最終控制脈沖波形的輸出。 最終設(shè)計完成的主振模塊電路原理圖如圖5 所示。

圖5 主振模塊電路原理圖

1.2.2 主振控制軟件設(shè)計

主振控制軟件部分包括主程序模塊、脈沖控制模塊、 功能按鍵模塊及顯示模塊等。 所選用的AD9850 芯片的控制字有40 位， 其中32 位是頻率控制位，5 位是相位控制位，1 位是電源休眠控制位，2 位是工作方式選擇控制位。 在AD9850 中含有N位相位寄存器，N為32，根據(jù)式（2）計算得到輸出的頻率分辨率可達0.029 1 Hz，主控芯片通過式（1）計算頻率控制字。 主程序流程圖如圖6a 所示，AD9850 控制程序流程圖如圖6b 所示。

程序開始時，主控芯片調(diào)用初始化程序，完成系統(tǒng)的初始化、AD9850 的初始設(shè)定及LCD 液晶的初始化。 當(dāng)檢測到設(shè)定值發(fā)生變更，主控芯片讀取開關(guān)電路輸入的按鍵信息計算控制字，根據(jù)時鐘設(shè)定，通過數(shù)據(jù)總線以并行傳輸方式將控制字信息寫入AD9850 寄存器，數(shù)據(jù)傳輸完成后，對頻率及相位進行更新、顯示，完成相應(yīng)控制脈沖信號的輸出。

1.3 功率驅(qū)動模塊設(shè)計

由主振控制單元產(chǎn)生的控制脈沖信號須經(jīng)過功率放大電路驅(qū)動放大才能驅(qū)動斬波電路進行斬波，最終形成沉積加工所使用的脈沖波形。 斬波電路選取MOSFET 作為功率開關(guān)器件，其常用在中小功率電源中作開關(guān)器件， 相比其他功率開關(guān)器件，如大功率的GTR、IGBT，MOSFET 具有輸入阻抗高、開關(guān)損耗低、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快等優(yōu)點。

1.3.1 隔離方案選擇

主振控制模塊若與功率驅(qū)動放大電路直接進行硬件連接，后級放電回路的強電系統(tǒng)會對主振模塊產(chǎn)生干擾甚至造成芯片損壞。 因此，需要二者之間電器隔離。 目前，常見的隔離方式有脈沖變壓器隔離方式和光電隔離方式[12]。 脈沖變壓器隔離方式采用無源驅(qū)動，但其在工作中對脈沖寬度有一定的限制，若超過要求的脈寬范圍，磁芯飽和會使一次繞組電流激增，嚴重情況下會使其燒毀。 而光電隔離方式是利用光電耦合器進行電氣隔離，其外圍電路相對簡單且沒有脈沖寬度的限制。 所以本文設(shè)計采用高速光耦進行主振控制模塊與功率驅(qū)動放大之間的電氣隔離，高速光耦相對于傳統(tǒng)的普通光耦擁有速度高、延時小的特點，且具有溫度、電流、電壓補償功能。 高速光耦芯片選用6N137， 其轉(zhuǎn)換速率為10 Mb/s，能夠滿足我們電源設(shè)計的要求。

1.3.2 功率驅(qū)動放大電路

脈沖電源設(shè)計中，斬波電路中的功率開關(guān)管作為電源關(guān)鍵部分，其性能的優(yōu)劣將直接影響整個電源的工作效果，結(jié)合加工參數(shù)的要求，最終選取的MOSFET 為IRFP250N。 其等效結(jié)構(gòu)如圖7 所示，在MOSFET 的各極之間存在極間電容， 驅(qū)動MOSFET本質(zhì)上是對極間電容進行充放電。

圖7 MOSFET 等效結(jié)構(gòu)圖

為了不影響MOSFET 的開關(guān)速度，更好的完成對功率MOSFET 的驅(qū)動，需要功率驅(qū)動部分提供一定的柵-源驅(qū)動電壓和電荷泄放通道， 加快其開通與關(guān)斷。 同時，要降低在驅(qū)動過程中所產(chǎn)生的功耗，選用的驅(qū)動芯片為UCC37322。

最終設(shè)計的功率驅(qū)動放大電路原理如圖8 所示。 功率驅(qū)動電路主要由6N137、UCC37322 及其外圍電路構(gòu)成，R1為限流電阻， 對電路進行限流并起保護作用，6N137 采用5 V 供電，R2為集電極開路輸出端上拉電阻，用于減少沖擊，保持電路的穩(wěn)定性和可靠性，C1為高頻特性良好的電容， 用來吸收電源線上的紋波。 在驅(qū)動電路中，采用12 V 供電，C2、C3組成旁路電容，用于驅(qū)動部分的電源穩(wěn)壓。

圖8 功率驅(qū)動模塊電路原理圖

2 測試與結(jié)果

所設(shè)計的沉積電源電壓在20～150 V， 頻率在50～500 Hz 之間連續(xù)可調(diào)， 并在電源各模塊設(shè)計完成后對控制模塊、功率驅(qū)動模塊及電源整體進行了測試。

2.1 電源輸出測試

控制模塊直接影響著整個沉積電源系統(tǒng)的性能， 對控制模塊輸出的控制脈沖頻率進行了測試。頻率測試結(jié)果見表1?？梢钥闯?，控制脈沖頻率的給定值與實測值誤差很小，在1 Hz 以內(nèi)，有較為精確的頻率，能滿足對參數(shù)可控的要求。

表1 頻率測試結(jié)果

在輸出波形測試中，設(shè)控制脈沖頻率為200 Hz，控制脈沖輸出波形測試的結(jié)果如圖9a 所示， 可以看出輸出波形準(zhǔn)確且穩(wěn)定， 滿足控制脈沖的要求。圖9b 為相同頻率下的功率驅(qū)動模塊輸出波形測試結(jié)果，其輸出波形與控制脈沖時一致，幅值穩(wěn)定在12 V 左右，具有陡峭的上升沿與下降沿，能夠確保功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷， 滿足斬波電路的要求。圖9c 為相同頻率下、電壓為36 V 時的放電波形測試結(jié)果，可見放電電壓波形準(zhǔn)確且穩(wěn)定，并且電壓、頻率等參數(shù)可在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，滿足了電火花沉積加工的要求。

圖9 電源測試波形

2.2 電源加工測試

接下來進行了沉積加工試驗，以測試電源加工的有效性。 首先是進行沉積加工效果測試，沉積加工試驗參數(shù)如下：基體為45 鋼，電極為鎳電極，電壓為50 V，頻率為200 Hz。其中，圖10a 為加工前基體表面形貌，圖10b 為加工后涂層表面形貌。 可以看出，電源有很好的加工效果，具有較強的可控性，放電能量均勻。

圖10 沉積加工效果

同等試驗條件下，進行了放電頻率為200 Hz 和300 Hz 的沉積加工測試。 其中，圖11（a）為200 Hz沉積層表面形貌，圖11（b）為300 Hz 沉積層表面形貌，可以看出，隨著頻率的增加，沉積層更加致密。

圖11 沉積層表面形貌

3 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)電火花沉積電源放電參數(shù)可控性差的問題，設(shè)計了一種基于DDS 的數(shù)字脈沖電火花沉積電源，測試了電源的性能，得到以下結(jié)論：

（1）在電源設(shè)計中，基于DDS 技術(shù)完成了控制模塊的設(shè)計，提高了電源的可控性。 利用高速光耦解決了控制模塊與功率驅(qū)動模塊電路之間的干擾問題，提高了電源整體的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

（2）對沉積電源各個模塊的輸出波形及電源整體進行測試。 各部分輸出波形穩(wěn)定、準(zhǔn)確，脈沖波形良好且頻率誤差在1 Hz 以內(nèi)，實現(xiàn)對放電參數(shù)的較精確控制，滿足電火花沉積設(shè)備的參數(shù)可控要求。

（3）電源可實現(xiàn)電壓在20～150 V、頻率在50～500 Hz 之間連續(xù)調(diào)整， 并且有很好的沉積加工效果，可用于電火花沉積加工基礎(chǔ)研究。