V目錄摘要 I1前言 12電解加工的理論 22.1電解加工原理 22.2電解加工工藝的影響因素 32.3振動脈沖電解方案的提出 52.3.1脈沖電解 52.3.2振動電解 63脈沖振動電源斬波器方案及實現 113.1大電流脈沖電源斬波器的設計要求 113.2振動裝置設計 123.2.1振動機構的伺服電機的選擇 123.2.2開啟角與關閉角 123.2.3振動裝置電機的選型 143.3斬波器控制的方案 153.3.1電源主控制電路 153.3.2主功率開關器件的選擇 153.3.3控制芯片 163.3.4人機界面 163.3.5整體設計方案 163.4控制柜電路設計 183.4.1電氣元器件選型 183.4.2線路設計 184核心控制板硬件設計 214.1核心控制板的硬件設計 214.1.1核心控制板選型 224.1.2核心控制板最小系統 234.1.3板載電源電路設計和下載接口電路 244.1.4核心控制板及最小系統及管腳資源分配 254.2外圍接口的硬件設計 264.2.1伺服驅動的接口電路設計 264.2.2IGBT的硬件接口電路設計 294.2.3觸摸屏的接口電路設計 314.3.4繼電器接口電路設計 324.3檢測電流的硬件設計 344.3.1電流檢測原理 344.3.2電流檢測電路設計 355電源斬波器控制系統的軟件設計 375.1開發環境RVMDK介紹 375.2整體軟件設計 375.2.1伺服電機與編碼器選擇 385.2.2占空比可變程序 385.2.3參數的保存 395.3觸摸屏的軟件設計 405.3.1觸摸屏的界面編程 405.3.2觸摸屏與STM32之間的通訊程序設計 425.4伺服電機控制的軟件設計 445.4.1伺服電機的參數配置 445.4.2伺服電機編碼器的讀取 465.4.2伺服電機的控制程序設計 495.4.2.1回零程序 495.4.2.1調速 515.5IGBT的軟件設計 525.5.1IGBT驅動程序設計 525.5.2IGBT保護程序設計 535.5.2.1GAL16V8硬件程序設計 535.5.2.2STM32的IGBT保護程序設計 556電源斬波器的調試 586.1實驗室調試 586.1.1脈沖發生單元輸出波形 586.1.2GAL16V8邏輯信號 596.1.3伺服電機驅動脈沖波形 606.2觸摸屏通信檢測 606.3整機調試 626.4現場調試 626.5現場調試中出現的問題與解決方案 637總結 64參考文獻 65附錄 672電解加工理論西安交通大學網絡教育學院畢業論文PAGE1前言課題所研制的電源斬波器為電解加工設備中機床、電解液和電源三大實體之一的電源控制系統部分，是電解加工設備的核心部分之一，也是電解加工工藝新技術發展的突破口。為了使電解加工設備滿足多種前瞻性的實驗要求，方便電解加工工藝新技術的研究，特別針對航空發動機葉片上深小孔電解加工，需研制出一種非恒參數控制策略的電源控制系統，即在電解加工過程中加工電壓、占空比、進給速度都并非為某一定值，是可以控制變化的。它能夠實現多種電源輸出參數的調控，多種工作方式和進給方式，既可以直流電解也可以脈沖電電解，既可以直線勻速直線進給也可以振動進給，可以針對電解加工工藝新技術研究很方便地做一些先行試驗，并且能在潮濕且具有腐蝕性氣體的環境中長期穩定工作。國內外學者對電解加工理論的深入研究，提出了很多提高電解加工的精度和應用范圍的新的理論方法：高頻窄脈沖、高頻群脈沖、振動進給電解加工等很多技術方法，對電解加工設備的電源斬波器控制系統提出了更高更新的的性能要求。課題所研制的電源斬波器控制系統是以STM32微控制器作為核心控制單元，威綸通觸摸屏作為人機交互界面，控制三菱伺服電機實現電解加工陰極工具循環往復振動，并控制IGBT模塊根據陰極工具的位置，進行大電流斬波，配合電解加工機床實現脈沖加工、振動進給，以及脈沖加工振動進給復合方式的多種電解加工的前瞻性實驗,針對不同的實驗材料可以很好地進行電解加工參數優化。大電流脈沖振動電源控制系統的成功研制，對電解加工技術的發展起到一定的推動作用。此外該電源斬波器控制系統是單片機與電解加工技術的結合的產物，因此對單片機與電解加工技術的理論研究和實踐推廣具有一定意義。2電解加工的理論2.1電解加工原理電解加工又稱電化學加工(ElectrochemicalMachining),是基于電化學陽極溶解原理，將工件置于導電的電解液中，在一定形狀的陰極工具與陽極工件兩端通過直流電流，利用電化學反應加工成型的工藝方法。VV直流電源陰極工具工件陽極泄壓閥電解液泵過濾器過濾網電解液A圖2-1電解加工原理示意圖Fig.2-1SketchmapoftheoryofECM其加工系統圖如2-1所示，在陽極工件和陰極工具兩端加載一定的外加電壓，陽極工件連接直流電源的正極，陰極工具連接其負極，陽極工件和陰極工具間要保持很小間歇(0.1mm~1mm)，并保持間隙的電解液高速循環，這樣陰極工具和陽極工件之間電流導通，陽極工件的高速溶解產物不斷被帶走，直到工件符合加工要求.(a)電解開始(b)電解過程中(c)電解完成圖2-2電解加工成型過程示意圖Fig.2-2TheformingprocessofECM電解加工就是一種仿形加工工藝，陰極工具與陽極工件要保持一定很小的加工間隙，陰極工具向陽極工件不斷進給，使得陽極工件按照陰極工具的形狀進行溶解去除材料，直到加工至想要的形狀和尺寸。電解加工工件形狀變化示意圖如圖2-2所示。2.2電解加工工藝的影響因素電解加工工藝的基本定律是早在1983年發現的法拉第定律[36]，在法拉第定律的基礎上探尋電解加工過程中工件溶解以及被加工表面質量的變化規律，這樣才能夠定性分析和定量計算工件的尺寸大小和形狀變化。法拉第第一定律：在陰陽電極的兩相界面區域(金屬/溶液界面)發生電化學反應溶解析出的物質的質量與此界面上流過的電量大小呈線性關系[37]。故陽極工件溶解析出的物質的質量為：(2-1)式中:陽極工件溶解的質量，單位為；工件材料的質量電化學當量，單位為或者；兩相界面上通過的電量大小，單位為或者；電解過程中兩相界面流過的電流大小，單位為；電解工程電流加載的時間，單位為或。那么陽極工件溶解的體積為：(2-2)式中V陽極工件溶解的析出物質體積，單位為；陽極工件的密度，單位為g/；單位電量溶解的元素體積，單位/A*s或者/A*min,顯見。陽極工件溶解的速度為：(2-3)實際電解加工中存在電流效率的問題，則有公式：(2-4)式中陽極工件在其加工法線上溶解速率，單位； 電流密度，單位為。再考慮到陽極工件的極化電位和陰極工具電位之和，以及陰極和陽極之間流動的電解液歐姆電壓差，可得陽極工件法向的溶解速度：(2-5)式中電解液電導率；陽極工件電極電位；陰極工具的電極電位； 脈沖電源的占空比；陽極和陰極之間的間隙。，，如圖2-3所示:陽極工件陽極工件陰極工件ψaURψb圖2-3陰陽兩級間的電位分布示意圖Fig.2-3Potentialdistributionbetweencathodeandanode由上式可知，陰極工具與陽極工件以及之間的間隙高速流過的電解液流場，在外加電源的作用形成一個電流場，其兩極的電極電位、電流密度、電場空間分布(包括陰極工具的外形、進給的速度、電解液流廠特性)對電解加工的表面質量和外形尺寸起著至關重要的作用，因此外加電源的電壓、占空比、頻率等參數直接影響電解加工的速度和成型質量。2.3振動脈沖電解方案的提出2.3.1脈沖電解溫度場均勻電導率均勻溫度場均勻電導率均勻間隙散熱散蝕能力電導率均勻腐蝕能力微火花間隙壓力波流場均勻反向電流復制性復制精度（陰陽極一致性）加工間隙遺傳誤差整平比成型精度間隙散熱，電流密度表面質量去極化均勻電流有效利用率電流密度加工效率圖2-4脈沖參數對電解加工間隙理、化特性的影響規律Fig.2-4Theinfluenceofpulseonthephysicalandchemicalpropertiesinclearance脈沖電流電解加工的主要思想是使用周期性間歇式供電取代以往常用的持續供電，這樣陽極工件在不斷流動的電解液中進行周期性間斷式的陽極電化學溶解，它的瞬間通電和斷電間隙使得電解加工間隙理、化特性與傳統電解加工大為不同。脈沖參數(脈寬、頻率以及占空比)對電解加工間隙理、化特性有明顯的改善作用，使得加工間隙的電場、流場以及其理、化特性更加均勻穩定，電解加工的精度得到提高，表面質量得到改善。脈沖電解加工過程中發熱僅在通電時間段內發生，即脈沖寬度，然后就在斷電間隙時間段內散發，較連續直流電解加工，極間熱平衡溫度降低，使得發熱最嚴重的小間隙處的電解液溫度的問題得以緩解，溫度場更加均勻，從而減小了空穴、蒸發、沸騰的現象的發生?？s短脈寬，提高占空比，間隙溫度場會得到進一步改善。脈沖瞬間通電電解和斷電間隙會在加工間隙產生一定的壓力波，壓力波會對電解液的產生一定擾動，相當于電解液得到“攪拌”，使得電解液的流場進一步均勻，同時，濃差極化和極化鈍化效應進一步減弱，電導率更加均勻，并且間隙處的電解液能更好地更換，使得溶解析出的物質更加容易地擴散。隨著脈沖頻率變大，脈沖前沿上升變陡，壓力波的強度相應變大，效果更加明顯。如下圖2-4所示，間隙溫度場，壓力場以及產生的反向電流，從不同方向使得小間隙處的電解加工環境得到改善，提高了腐蝕能力，削弱了散蝕能力，實現了小間隙微加工()，而加工間隙的減小，對電解加工的表面質量、成型精度、加工效率都有大幅提升。2.3.2振動電解2.3.2.1振動電解加工原理振動電解加工就是，陰極工具直線進給過程中，外加振動裝置的驅動下，以某一位置作為平衡零點，同時高速周期性往復運動，所以陰極工具的絕對運動是由直線進給運動和周期性往復運動兩部分復合而成。圖2-5為振動電解加工過程示意圖，圖2-5為陰極工具絕對運動的復合與分解。圖2-5振動電解過程示意圖Fig.2-5Theprocessofvibrationelectrochemicalmachining特別在深小孔的電解加工中，加工間隙小，電解液沿程壓力耗散快，外屆電解液對孔深處底面加工間隙中電解液的擾動變小和更換變慢，造成陽極工件溶解析出的物質難以被帶走，在間隙處堆積，造成小孔深處電解液電導率下降，小孔入口出的材料的去除量大于小孔底部，加工的深小孔形成較大錐度的側壁，加工效果大幅下降。加工間隙處電解產物堆積嚴重時，會造成短路頻發，致使深小孔電解加工無法進行下去。振動電解加工，陰極工具在做往復運動，當陰極工具快速回退時，刀具與工件之間的加工間隙壓力會瞬間減小，會出現強烈的抽吸作用，加工間隙陽極工件溶解析出的產物會吸附在陰極工具表面，便于電解析出的產物脫離工件和加工間隙，同時強大的壓力差迫使外面的電解液涌入加工間隙，從而加工間隙處電解液更好地循環更新，能夠很好地解決深小孔電解加工間隙處析出產物難以排出、電解液更新的問題[40]。2.3.2.1脈沖振動電解加工的提出在深小孔電解振動加工中，如果采用直流電源，即在電解加工過程中一直進行直流電解加工，一般受到振動裝置的限制，振動幅度較小，通常采用低電壓進行電解加工，這樣電解加工效率降低；小孔深處電解液循環更新能力別小孔入口端處差，所以也能使用小的電壓加工。若將脈沖電解加工和振動電解加工整合在一起，將會集成兩者的優點，既改善了深小孔深處，電解液沖洗更新的工況，而且使用較高電壓大電流進行加工，加工效率提高，加工復制度更好。圖2-6一個振動周期電流通斷的示意圖Fig.2-6Theon-offofelectricalcurrentinaperiod圖2-6為一個振動周期電流通斷的示意圖，圖2-7為一個振動周期內的電解加工產物散出示意圖：圖2-7一個振動周期內的電解加工產物散出示意圖Fig.2-7TheproductionofECMdiffusinginaperiod(A)陰極工具在持續向工件進給中，陰極工具振動進給，通電電解加工，陽極工件溶解析出產物，隨著通電時長而變多堆積。(B)陰極工具振動退刀，退刀至一定位置，斷電停止電解加工，此時電解溶解析出產物最多，并依附在刀具表面遠離工件。(C)陰極工具的快速回退至工件表面，造成間隙處壓力瞬間減小，形成強烈抽吸效果，這樣電解析出產物也被抽離間隙帶至工件表面，間隙處的低壓迫使外界的干凈的電解液涌入至間隙，實現間隙處電解液的更換(D)陰極工具快速往復振動進給所產生的沖擊擾動會使依附在工件表面的溶解析出物質向周圍的電解液擴散，而不會存在溶解產物繼續在刀具表面再次被帶入加工間隙中去。綜上所述，針對深孔電解加工，采用工頻級脈沖振動電解加工的方式，深孔的電解加工精度能顯著提高。為了進一步提高深孔電解加工的成型精度，進一步減小深孔的側壁的錐度，在深孔加工的入口處較小的脈沖電流的占空比，在深孔的底部脈沖電流占空比較大，即提高了深孔電解加工的速度，同時振動進給及時將產物排出，電解液更新[44]。

3脈沖振動電源斬波器方案及實現常州大學碩士學位論文3脈沖振動電源斬波器方案及實現第二章已經提出了振動電解與脈沖電解相結合的振動脈沖電解加工的方式，尤其是對深小孔電解加工間隙電解液循環更新狀況有顯著改善，加工效率也有所提高。對于深小孔的電解加工，通常采用恒參數控制策略，就是在整個加工過程中，極間電壓、進給速度、電解液的溫度和流速、占空比等參數保持不變，難以保證在孔深全長上半徑尺度一致，總是孔的入口處孔徑大于孔的底部，總會存在一定的錐度。為提高深小孔電解加工精度，深小孔全長尺寸上孔徑錐度減小，避免出現“喇叭”型小孔，為滿足深小孔電解加工的前瞻性實驗的要求，提出了一種非恒定參數的振動脈沖斬波器的方案，即陰極工具采用振動進給的方式，在加工過程中脈沖電源電壓、占空比、頻率等參數配合振動位置可以進行調整的控制方案，即在深小孔入口端占空比小，而在底端的占空比大。3.1大電流脈沖電源斬波器的設計要求1)電解加工設備具備兩邊陰極工具同時振動進給的能力，也能選擇某一單邊陰極工具單獨振動進給。2)電機轉動要精確，轉矩不能低于12，速度可調范圍最為0~2000。3)及時反饋電機旋轉的絕對位置，確定軟件設定的電解加工的開啟角和關閉角。4)斬波器既能進行傳統的直流電解加工，也可進行脈沖電解加工，并且可以隨時進行相互切換。5)斬波器中功率開關元器件要能實現對10000A直流進行穩定迅速的通斷斬波。6)IGBT遇電解加工意外短路時，能及時切斷電流，避免自己被燒毀，保護斬波器。7)友好地人機交互界面，方便操作人員對多種參數的設定與監控，修改及保存。及時遇斷電后重啟后，無需再次設定關鍵參數。8)做好IGBT模塊以及斬波器電氣控制柜的散熱工作。主要技術參數：1)脈沖頻率范圍：0~2KHz；2)電壓范圍：5V~50V；3)峰值電流：10000A；4)占空比范圍：0.1~1；3.2振動裝置設計3.2.1振動機構的伺服電機的選擇目前，電解加工設備上線性往復振動裝置可分為三大類：機械式、壓電陶瓷式和電磁式振動裝置。機械式振動裝置主要由旋轉電機和能將旋轉運動變為線性往復運動的機構組成，特點是負載大，精度一般，振幅較大，頻率不易過高，過程沖擊大，噪音大，波形比較單一。后兩種整動裝置振幅小，可任意波形，頻率在0-1000Hz，但是驅動力小。考慮到有些葉片需要一次電解加工多個不同角度的深小孔，這樣陰極工具設計比較復雜，負載較大，所以選擇機械式振動裝置。機械式振動裝置由旋轉電機和偏心輪滑塊組成，因為偏心輪滑塊機構無需急回特性，故對心放置，不存在極位角，這樣也有利于后面需要講解的斬波器開啟角和關閉角的劃分，如圖3-1所示。1-曲柄；2-連桿；3-滑塊；4-陰極工具；5-陽極工件；r-曲柄轉速；a、b-曲柄極限位；2e-滑塊極限振幅圖3-1機械偏心輪滑塊振動機構Fig.3-1Vibrationmechanismofmechanicaleccentricrollerblock3.2.2開啟角與關閉角脈沖振動電源斬波器需要陰極工具的振動位置的反饋，來劃分確定上文所提及的電解加工開啟角和關閉角。由于采用機械式偏心輪滑塊機構振動裝置，只需要知道電機的旋轉的絕對位置即可確定陰極工具的確切位置，設想了兩種方案：遮光片方案。簡單地說就是，現將扇形的遮光片安裝在偏心輪的外側邊緣處，如圖3-2所示，用光電開關來檢測。當遮光片擋住了光電開關時，光電開關發出信號，斬波器開始進行電解加工，此時的角度為開啟角；當遮光片駛離光電開關，光電再次發出信號，斬波器停止電解加工，故為關閉角。該方案的優點定位原理簡單，缺點是開啟角與關閉角的大小是固定的，如果開啟角與關閉角改變，則需要停機更換遮光片，非常麻煩。且關電開關的響應誤差為毫秒級，電機速度越快，則誤差越大，在實驗中，當電機速度達2000r/min，斬波器的開啟角與關閉角的誤差可達10度。圖3-2遮光片方案示意圖Fig.3-2Schemeofanti-dazzlingscreen編碼器方案。選用帶編碼器反饋的電機，編碼器的分辨率很高，由編碼器的反饋信號可以計算出電機的瞬時角度。該方案的優點是電源斬波器的開啟角與關閉角可以任意設置，且角度精準，缺點是需要微機處理器高速處理支持，對反饋的信號進行編程計算。由于所做的電源斬波器為前瞻性試驗設備，開啟角與關閉角將根據實驗不同需要不斷地進行調整，故選擇編碼器方案。脈沖振動電解斬波器一次振動周期的過程分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個階段。規定滑塊到達下限時為電機的回零位置，與編碼器上的C相機械零點對應，若電機逆時針旋轉，曲柄帶動滑塊向下運動，陰極工具靠近陽極工件，由位置a變為位置b時，電源斬波器開始電解加工，此時曲柄與機械零點位置之間的夾角記為開啟角(簡記為開啟角)，當陰極工具到達最低點(即C位置)，越過機械零點，刀具開始駛離工件，當曲柄到達d位置時，電解加工停止，同理記為關閉角。然后陰極工具到達最高點，一次陰極工具振動完成，并以此不斷循環。a-上極限位；b-斬波開啟位；c-下極限位，機械零點；d-斬波關閉位；α-開啟夾角；β-關閉夾角；圖3-3振動電解斬波器過程原理圖Fig.3-3TheProcessschematicdiagramofchopperofvibratingECM3.2.3振動裝置電機的選型機電控制設備中常用的控制電動機有步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機、力矩電機等。步進電機能夠接受脈沖信號轉動，不需要位移傳感器就能獲得高精度定位，定位的精度取決于電機的步數和拍數，相數和拍數越高則精度越高。步進電機屬于開環控制，在負載過大或者頻繁啟動時就會出現丟步或者堵轉現象，快速停止時也會過沖。伺服電機的精度取決自帶的編碼器精度，編碼器的刻度越多，精確度越高，交流伺服電機數據閉環控制，響應速度更快，一般不會出現丟步和過沖的現象，而且負載較大。電解振動裝置需要帶動曲柄、滑塊和陰極工具做曲柄滑塊運動，電解加工工件不同，陰極工具形狀尺寸重量也不同，負載相對較大，并且振動裝置的開啟角和關閉角的精確劃分直接影響電解加工的質量，所以選擇負載大，閉環控制的三菱伺服交流電動機,相應的伺服驅動器選用，其技術參數詳見附表1。伺服電動機額定輸出功率為3KW,額定轉速為2000，額定轉矩為13，滿足振動裝置所需電機的機械特性。驅動器MR-JE-300A的接口電源為24V，輸入電源為三相AC200V~240V[46]。3.3斬波器控制的方案3.3.1電源主控制電路電解加工的電源控制電路主要有兩種拓撲結構：斬波式和逆變式拓撲結構，如圖3-4所示。斬波式電源拓撲電路具有快速動態響應、高可靠性和穩定性、結構簡單的優點，適用于電流容量不大的設備。但其不足是所需要適用的工頻變壓器電能利用率低、銅、鐵耗損大，并且體積比較大。逆變式電源拓撲電路雖然用高頻的電壓器取代原先的工頻級變壓器，電能的利用率提高很多，也不存在工頻變壓器銅、鐵耗損大等缺點，但電路相對復雜的多，電磁抗干擾能力差，設計研發成本較高。綜上所述，本課題研制的電源控制電路采用斬波方式拓撲結構[47]。交流電壓交流電壓低壓直流直流脈沖直流工頻變壓器整流、濾波穩壓斬波器a)斬波式交流電壓交流電壓交流直流脈沖直流整流、濾波高頻逆變PWM調壓斬波器整流、濾波直流b)逆變式圖3-4電解加工電源電路拓撲結構Fig.3-4ThetoplogyofECMpowersupplycircuit一般情況下，實際電解加工過程中的電流密度大小為，所需電流大小與加工面積成正比，正常中小型零件的所需電源容量在1000~3000A左右，若電解加工葉片或者大型復雜型面以及群孔時，電源容量可高達6000A。該電源斬波器的斬波頻率要求為2000Hz,電流容量為10000A，采用結構簡單頻率穩定的斬波式主電路，利用功率開關器件的并聯特性，將電流容量提高使其符合設計要求，完全能夠滿足前瞻性實驗的要求。3.3.2主功率開關器件的選擇功率型開關器件是電源斬波器的關鍵元器件，決定脈沖電源的性能好壞，輸出波形的品質。目前市面可供選擇的功率開關器件有巨型電力晶體GTR、門極可關斷晶體管GTO、場效應管MOSFET和絕緣柵極晶體管IGBT等。綜合功率開關器件的開關速度、可靠性、電流容量和耐壓值，決定選用IGBT，集MOSFET驅動功率低、開關頻率高和BJT通態壓降小、載流能力大的特點于一身。IGBT模塊電流容量大，最高可達3600A，并且可實現并聯工作，若使用四個IGBT模塊并聯，完全能符合該電源斬波器10000A電流容量的設計要求。3.3.3控制芯片該電源斬波器控制系統要求核心控制芯片要擁有微秒級的工作頻率，這樣才能快速地響應系統的狀態變化，控制系統要識別電解加工的開啟角與關閉角，并能高速控制IGBT并聯模塊通斷進行脈沖斬波。方案采用ARM單片機作為電源斬波器的核心控制單元，其具備豐富的內部資源、中斷源和外設接口。通過其內部定時器配置矩形波的頻率傳送給伺服驅動器，來控制伺服電機的轉速，即控制電解加工振動裝置的振動頻率。同時內部的特殊定時器/計數器還可配置為編碼器反饋信號的計數器，因而計算出電機旋轉的絕對位置，就可以設定電解加工的開啟與關閉角。ARM單片機的定時器還具備脈寬調制能力(PWM調制)，通過編程可以輸出既定的頻率和占空比的矩形波，用來控制功率開關器件IGBT對直流電斬波輸出想要的脈沖電流[51]。3.3.4人機界面需要設定電解加工的電源輸出參數占空比和脈沖頻率、振動裝置的頻率、開啟角、關閉角，還需要直流電解加工和脈沖電解加工兩種模式進行切換，振動裝置單邊電機工作，雙邊電機工作相互切換，同時又需要對電源斬波器的實時狀態進行監控，包括實時占空比的數值、振動裝置電機旋轉的位置等，如果采用顯示屏加按鍵的方式，必將占用單片機大量的IO口，而且操作也變得相當復雜。若采用工控領域常用的觸摸屏做為該電解加工電流斬波器的人機交互界面，圖形化的界面既直觀明了，又能方面操作人員實際操作，觸摸屏與單片機通訊只需要用到幾個IO口，節省單片機IO資源[52~53]。3.3.5整體設計方案大電流振動脈沖電解加工斬波器的整體設計結構如圖3-4所示，主要有三部分組成，第一部分為電源部分，第二部分為控制電路，第三部分為保護電路。電源部分。主要有兩塊組成，大容量專用電解電源和三相交流電供電部分。大容量專用電解電源，專門為斬波器提供直流放電回路，可提供設計要求的10000A，輸出需要的脈沖直流電。三相交流電流供電部分，一是給振動裝置的旋轉電機提供220V交流電，二是經過整流調壓后提供多種電壓的直流電，供ARM單片機、觸摸屏、IGBT驅動器、伺服放大器多個模塊使用。1123編碼器380V三相交流電變壓與整流裝置ARM單片機脈沖信號1隔離模塊脈沖信號2隔離模塊伺服驅動器驅動放大器振動裝置旋轉電機IGBT斬波器觸摸屏分流器電壓、電流、溫度采樣信號過流信號檢測保護電路穩壓調壓電解加工電源圖3-5振動電解電源斬波器整體設計方案Fig.3-5OveralldesignschemeofchopperforpowersupplyofvibrationpluseECM控制電路。主要有ARM單片機，IGBT斬波模塊、伺服電機驅動塊和觸摸屏組成。ARM單片機通過PWM脈寬調制輸出兩路矩形脈沖信號，一路用于控制IGBT并聯模塊的通斷，實現對直流電進行斬波控制；另一路為伺服驅動器提供伺服電機控制的脈沖信號，實現伺服電機的轉速、方向的控制，即電解振動裝置頻率的控制。保護電路。保護電路主要由電流分流器，電流信號檢測模塊、溫度檢測模塊，IGBT模塊的保護電路組成。對電流、溫度進行監測，一旦電解加工過程中出現短路，立即要切斷IGBT驅動電路，防止IGBT驅動電路燒毀，長時間的電解加工，IGBT不斷地開通關閉，IGBT模塊會產生大量的熱量，一旦沒有及時散熱，就會造成IGBT過熱，大大影響IGBT的性能，嚴重時燒毀IGBT模塊。3.4控制柜電路設計3.4.1電氣元器件選型電源斬波器的電氣電路主要是電源供電部分，給伺服電動機，伺服驅動器以及風扇空調系統提供強電，給ARM單片機、IGBT驅動電路、觸摸屏供以低壓電，需要變壓器、低壓斷路器、接觸器、電源濾波器、直流開關電源等電氣元器件，其部分關鍵電氣元器件選型如表3-1所示。表3-1電氣元器件選型Tab.3-1Selectionofelectricalcomponents電氣元器件型號變壓器NDK(BK)-400(正泰)接觸器IC65N(Schneider)低壓斷路器LC1E3210M5(Schneider)電源濾波器SQ410-10(上祁)直流開關電源DR-120-24(明緯)觸摸屏TK6100i(威綸通)溫度、電流儀表AI-500/501(宇電)控制柜空調QREA-1000(控制柜)控制柜警示燈塔TB50-T-D-J(臺邦)3.4.2線路設計外部電解專用電源啟?；芈罚瑢㈦娊饧庸た刂乒竦木o急停止按鈕的常閉觸點(SB02)、啟動按鈕的常開觸點(SB01)和外部專用電源啟動單片機觸發的繼電器(KA)串聯在一個回路中，一旦遇到緊急情況，按下急停按鈕，不僅切斷電解加工控制柜中總電源，并一同切斷外部專用電源，如圖3-6。圖3-6外部電解專用電源啟動回路Fig.3-6Start-upcircuitofexternalspecializedpowerforECM伺服電機控制回路采用自鎖結構，如圖3-7所示，按鈕SB03的常開觸點與常閉觸點在同一回路中，起到因外部振動或其他意外因素造成電路接觸不良，從而保護伺服驅動器的作用?？刂乒癫捎谜㎞DK(BK)-400控制變壓器，將380V降壓至220V，供其他供電回路使用。電氣電路設計中，導線是根據導線其流過的電流大小決定，一般準則為。該電氣線路中，伺服電機干線流經的電流最大為22A，故選擇6規格的導線；其單個伺服回路選用4規格的線。控制回路中的信號導線0.5即可，其流過的電流很小。圖3-7伺服回路主接觸器自鎖回路Fig.3-7Slef-holdcircuitofcontactorinservoreturncircuit電解加工控制柜的走線在指定的線槽中，用標號來表示不同走線，這樣不會混淆接錯，也便于后期檢修。控制柜主電路圖詳見附圖1。圖3-8電解加工電源斬波器控制柜Fig.3-8ControlcabinetofChopperofvibratingECM如上圖3-8所示為控制柜的三維設計圖.控制柜是全封閉的，柜體上端采用冷凝散熱片和風扇組合對控制柜內部進行散熱和氣體循環，柜門邊一圈都是黑色塑膠，需要與外部鏈接的部分都用玻璃膠在控制柜內部接口處封死，這樣避免潮濕電解加工環境中具有腐蝕性的電解液氣體揮發到柜內，提高柜內電氣元器件的使用壽命。4核心控制板硬件設計常州大學碩士學位論文

4核心控制板硬件設計4.1核心控制板的硬件設計核心控制電路選用STM32系列單片機作為核心控制芯片，整個控制電路分為7個功能電路模塊，電源電路、STM32最小系統電路、伺服控制電路、觸摸屏通信電路、電流檢測電路、繼電器執行電路。這7個模塊之間的硬件連接關系如圖4-1所示，各模塊電路的功能如下：1)電源模塊電路為整個控制電路板提供電源。2)STM32最小系統電路，作為核心控制單元，負責全部的數據處理、通訊和邏輯控制，接收伺服電機的角度的數據和檢測電流的數據，和觸摸屏通訊，實現伺服電機和IGBT模塊斬波之間的聯合控制。3)伺服控制電路，將伺服電機旋轉的角度信息傳輸給STM32，接收STM32的脈沖控制信號，實現電解加工兩邊振動裝置的伺服電機的同步或者獨立控制。4)IGBT控制電路，接收STM32發來的通斷控制信號，實現電解加工的電源斬波控制，IGBT控制電路同時也實現對IGBT狀態的監測，一旦發現IGBT模塊短路或者過流超限等意外工作狀態，立即向STM32報告。5)觸摸屏電路，實現觸摸屏與STM32的通訊。6)電流檢測電路，實現對主電路電流的檢測。7)繼電器執行電路，實現對外圍大電流執行器件的動作控制。STM32STM32IGBT控制電路伺服控制電路觸摸屏接口電路電流檢測電路繼電器執行電路電源電路圖4-1控制電路板的硬件結構Fig.4-1Thehardwarestructureofcontrolcircuitboard核心控制電路硬件設計開發是基于AltiumDesigner16軟件開發的，該軟件涵蓋原理圖繪制、元件原理圖庫繪制、元件PCB圖庫繪制和PCB圖繪制、電氣規則檢查以及信號仿真等功能，是一款主流的電路硬件開發軟件。圖3-2即為控制電路板PCB三維設計圖。圖4-2控制電路板PCB三維圖Fig.4-2Three-dimensionalviewofPCBofcontrolboard斬波器核心控制電路板實物如圖4-3圖所示。圖4-3控制電路板實物圖Fig.4-3Controlcircuitboardinreality4.1.1核心控制板選型本大電流振動脈沖電解加工控制系統核心控制芯片選用STM32系列單片機，是基于大電流電解加工系統要求核心控制系統數據處理速度在微妙級，準確地輸出特定頻率的PWM，實現振動裝置伺服電機轉速(最高達2000r/min)以及旋轉角度的控制和IGBT對直流斬波(最高達2000Hz)。STM32系列單片機是意大利半導體公司生產的基于Cortex-M3內核的高性能低功耗32位單片機，數據運算處理快，中斷事件響應及時，擁有非常豐富的外設和接口。STM32單片機家族有很多系列，本系統選用F1系列中的STM32F103RCT6單片機。主頻最高達72MHz，用戶存儲塊高達256KB,RAM存儲塊為48KB，擁有多達8個16位定時器、多個DMA通道和USART通道等其他外設，完全能夠勝任本控制系統的控制任務。4.1.2核心控制板最小系統STM32最小系統是STM32芯片正常運行的最小規模的電路，再加上各種外圍接口電路就組成了核心控制板。最小系統硬件電路一般由三個部分電路組成，電源電路、晶振電路和復位電路三部分組成。STM32的工作電壓為2.0V~3.6V，通常選用3.3V作為STM32最小系統的供電電壓。STM32芯片共有四組引腳接外部電源，分別為VDD1~VDD4接電源正極，VSS1~VSS4接地，在芯片內部并聯給芯片內部電路供電。STM32復位方式有三類，系統復位、電源復位和備份域復位。選用電源復位中的上電/掉電復位，當NRST引腳被拉低，將產生復位脈沖，發生外部復位，并且此脈沖信號必須保持至少20us。圖4-4STM32典型復位電路Fig4-4ThetypicalcircuitforSTM32reset晶振電路。采用外部晶體/陶瓷諧振器(HSE)方式為系統提供精確的時鐘。選用8MHz的晶振，負載電容選用20PF，使它們盡可能地靠近STM32芯片的OSC_IN和OSC_OUT引腳，以提高時鐘輸出的精度，縮短晶振啟動穩定的時間。圖4-5STM32核心控制板晶振電路Fig.4-5CrystaloscillatorcircuitforSTM32CorecontrolboardSTM32最小系統硬件設計詳見附圖2。4.1.3板載電源電路設計和下載接口電路整個控制電路板需要提供兩路不同壓降的電源，一路是給控制電路板核心單元STM32芯片正常運行所需的3.3V電壓，另一路是控制電路板上其他外圍電路芯片所需的5V電壓。而整個電路板的電源是由外部220V轉5V的直流開關電源提供，電路板內部需要一個轉換電路，實現5V到3.3V的轉換，考慮到輸入電壓5V與輸出電壓3.3V的電壓差比較低，故采用低壓差線性穩壓器(LDO)調壓電路實現，而且噪音小，靜態電流小，功耗低，轉換效率高，其中低壓差線性穩壓器(LDO)選用LM117-3.3芯片?？刂齐娐钒宓碾娫措娐吩O計如圖4-6所示。圖4-6STM32核心控制板電源電路Fig.4-6ThepowersupplycircuitforSTM32corecontrolboard電路中LM117-3.3芯片左端電容是防止斷電后電壓倒置，右端的電容起到濾波作用，抑制自激振蕩，穩定輸出波形。STM32程序燒錄的方式有三種：ISP、JTAG和SWD。而這三種程序燒錄的方式與BOOT0和BOOT1的配置方式有關，其關系如表4-1所示。表4-1STM32啟動方式Tab.4-1STM32startmodeBOOT0BOOT1啟動方式程序燒錄0任意用戶主存儲JTAG/SWD10BootloaderISP11SRAMJTAG/SWDISP燒錄的程序是從內置的SRAM中特定的bootlader區域啟動，該模式一般由廠家設置。SRAM掉電后數據丟失，從SRAM區域啟動通常只作調試用。選用JTAG/SWD仿真器燒錄程序，BOOT1=x,BOOT1=0,從用戶主存儲區域啟動。JTAG下載標準接口為20針，需用STM32芯片6個引腳。而SWD在高速模式下比JTAG更穩定，只需芯片PA13/SWDIO、PA14/SWCLK和RESET三個引腳，更好地節省STM32的GPIO口資源。SWD下載接口如圖4-7所示。圖4-7STM32的SWD下載接口Fig.4-7SWDdownloadInterfaceforSTM324.1.4核心控制板及最小系統及管腳資源分配本控制系統主要用到STM32芯片定時器(定時器)、通用異步串口通信(USART)、嵌套向量中斷控制器(NVIC)，通用輸入輸出(GPIO)資源。STM32總共有八個定時器，每一個定時器十六位，其中高級定時器TIM1和TM8兩個，通用定時器四個TIM2~TIM5個，基本定時器兩個TIM6~TIM7，需要使用定時器輸出PWM來控制電機旋轉和IGBT斬波，共用了其中的5個定時器，內部定時器具體分配及功用如表4-2所示STM32F103RCT6共有64個管腳，分為四組：PAx~PCx，PDx。其中PAx~PCx引腳除了復用為定時器，USART等功能外，還有僅作為通用的I/O口輸出，具體管腳分配詳見附表2。本方案核心控制電路的外設資源詳見附圖3。表4-2STM32定時器資源分配Tab.4-2STM32timer’sresource定時器功用TIM1TIM2管腳被USART1占用，未使用定時器中斷查詢電機是否回零TIM3TIM4讀取左伺服電機的編碼器值讀取右伺服電機的編碼器值TIM5TIM6輸出PWM脈沖用于IGBT斬波用于IGBT短路狀態的中斷查詢TIM7未使用TIM8輸出占空比50%的PWM脈沖用于伺服電機控制其中USART1用于觸摸屏通信用的端口。4.2外圍接口的硬件設計4.2.1伺服驅動的接口電路設計伺服電機的控制方式：位置、速度和轉矩控制三種模式。由于斬波器控制系統要求嚴格控制伺服電機的轉速和旋轉角度位置，選用位置控制，速度和轉矩控制都是由模擬量來控制，相對復雜，而位置控制方式只需要發送脈沖信號即可控制[x2]，對控制器運算速度不是很高，STM32F103RCT6完全能夠勝任。伺服驅動器CN1端口功用50個引腳，根據控制方式使用相應的引腳。查閱三菱電機MR-JE-_A伺服硬件手冊，位置控制模式所使用的信號引腳對應關系如圖4-9所示。CN1端口需要輸入信號：PP(脈沖信號)、NP(方向信號)、CR(清空信號)和EM2(強制信號)；輸出信號：ALM(故障報警信號)、編碼器A、B、C相信號(電機位置信號)。DICOMDICOM20OPC12DOCOM46PP10NP35CR41EM242DOCOM47DICOM21ALM48LZR9LA4LAR5LB6LBR7SDPLATELZ8輸入信號輸出信號圖4-8伺服驅動器CN1位置模式所用引腳Fig.4-8ThepinsusedintheCN1positionpatternofservo伺服電機驅動系統與STM32F103RCT6核心控制芯片的連接示意圖如圖4-9所示,硬件原理圖如4-10所示。STM32F103RCT6向伺服驅動器發送脈沖信號、方向信號和清空信號，接收伺服驅動器的編碼器A、B、C相脈沖反饋信號。高速光耦高速光耦HCPL2630高速光耦HCPL2630STM32F103控制電路板PP、NP、CR等伺服系統伺服驅動器MR-JE-300A伺服電動機SN302J-S100A、B、C等A、B、C等圖4-9單片機與伺服系統信號傳輸示意圖Fig4-9sketchmapofSignaltransmissionbetweensinglechipandservosystem圖4-10PP、CR信號硬件電路圖Fig.4-10ThehardwarecircuitofPPandCRsignals因為伺服驅動器的使用的電源為24V，而STM32F103RCT6的芯片的供電電壓為3.3V，硬件電路選用HCPL2630高速光耦來電氣隔離，完成電平的轉換，單片機和伺服系統信號互不干擾。如圖4-11所示，STM32F103RCT6芯片的TIM8_CH1的脈沖信號和脈沖清空信號通過HCPL2630輸給伺服驅動器。HCPL2630高速光耦芯片供電電壓為5V，引腳的輸入電流最好不過于15mA，故接入430Ω電阻限流。圖4-11電機選擇硬件電路圖Fig.4-11ThehardwarecircuitofchosingservoPC6、PC7為高級定時器8的通道1和2，發送PWM信號給驅動器驅動伺服電機，但該兩個引腳配置為復用開漏輸出，但PC8為高電平時，PC6/TIM8_CH1的PWM信號才有效，否則無效，所以PC8端口的高低電平為伺服電機的開啟和關閉信號，同理，PC9端口也是伺服電機2的開啟和關閉信號控制。STM32F103RCT6芯片的TIM1~8內部都有輸入濾波和邊沿檢測功能，可作為接收伺服驅動器編碼器信號的接口，STM32通用定時器框圖如4-12所示。伺服驅動器中編碼器A相、B相、C相的信號經過TI1,TI2輸入濾波，邊沿檢測器產生TI1FP1、TI2FP2，通過SMCR模式控制器配置，即可編碼器的信號進行計數。圖4-12STM32通用定時器框圖Fig.4-12STM32universialtimerblockdiagram本控制系統選用TIM3和TIM4作為伺服驅動器的編碼器信號計數所用的定時器，編碼器的A、B、C相的三路信號為差分信號，進過高速光耦HCPL260轉換輸送給STM32定時器通道的引腳，由于STM32通用I/O口的灌電流最大為20mA,故接入10K限流電阻。如圖4-13所示，為左邊伺服驅動器中A、B、C相信號與STM32的硬件接口電路圖，其中(a)圖為A、B相限號，(b)圖為C相和清零信號。(a)(b)圖4-13編碼器與STM32硬件接口電路圖Fig.4-13ThecircuitofinterfacebetweenencoderandSTM324.2.2IGBT的硬件接口電路設計本控制系統是要實現脈沖電解加工，外部的專用供電裝置為直流電，則需IGBT對其斬波，控制直流電的導通和關閉的切換，輸出不同頻率和不同占空比的脈沖電流。根據斬波器設計要求，具備10000A大電流的通斷能力，單個IGBT模塊的通斷電流的大小是達不到的，因此要采用IGBT并聯分流的拓撲結構來實現?？刂葡到y采用英飛凌公司(Infineon)生產的型號為FZ3600R12HP4的IGBT模塊，額定的通斷電流最大為3600A。采用英飛凌公司生產的IGBT配套的ISP0635V主驅動板，和相應的3個從驅動板，即可實現四個IGBT模塊的并聯，整個IGBT模塊的額定通斷電流達14400A，這種并聯方式簡單可靠。單個IGBT模塊和配套驅動板如圖4-14所示。(a)IGBT模塊(b)IGBT主驅動板圖4-14IGBT及其驅動板Fig.4-14IGBTwithitsdrivecircuit如圖4-15示，為IGBT驅動板信號輸出輸入示意圖。IGBT驅動板采用光纖來接收外部IGBT驅動信號，發送IBGT狀態信號。相比較線纜傳輸，這樣信號更加快速穩定，電氣隔離效果好。其中圖中的外部光纖接口選用HFBR1522接收STM32F103R8T6信號的定時器5通道1發送的IGBT驅動PWM信號，外部光纖接口HFBR2522發射器將Vstat發送給STM32的IO口。其中HFBR-1522外部光纖發送器電路圖如圖4-16所示。圖4-15IGBT驅動板信號傳輸示意圖Fig.4-15SketchMapofsignalsinIGBTdrivebroad圖4-16IGBT驅動板外部光纖發送器HFBR-1522電路圖Fig.4-16ThecircuitofHFBR-15222inIGBTdriveboradIGBT反饋的狀態信號Vstat與Vin、Vge有嚴格時序對應關系，短路狀態下的Vstat反饋信號是不同的，因此通過Vstat與Vin、Vge進行邏輯運算即可判斷IGBT模塊工作是否異常，IGBT模塊組是否繼續工作。STM32系列單片機非實時控制芯片，若通過STM32軟件進行三者信號采樣進行邏輯運算，會占用緊張的CPU資源和I/O資源。增加主循環程序的時間，影響IGBT工作狀態的判斷，嚴重時IGBT短路燒毀。故選用德州儀器公司的可編程邏輯控制器GAL16V8，用硬件來完成邏輯運算，速度快可靠，減輕了STM32的運算負擔，提高了Vstat信號響應速度。IGBT主驅動板與STM32F103RCT6的硬件接口電路如圖4-16所示。圖4-17IGBT主驅動板接口硬件電路圖Fig.4-17theinterfacescircuitinIGBTdriveborad4.2.3觸摸屏的接口電路設計觸摸屏根據其傳輸信息的介質可以歸納為四類：電容感應式、紅外感應式、表面波感應式、電阻感應式。表面波式觸摸屏雖然克服了電容式觸摸屏圖像易失真和電阻式觸摸屏易刮損的問題，但如果觸摸屏表面有水滴或者塵埃，觸摸屏將會反應遲鈍，甚至無法工作。在有腐蝕性氣體的潮濕的電解加工環境中，選用電阻式觸摸屏，觸摸定位準確，穩定性高。觸摸屏最終確定使用威綸通公司生產的工業電阻式TK600i觸摸屏，內部集成了顯示驅動，配備專用的軟件進行界面圖形設計，只需要做好STM32與TK6100i之間的通訊，大大縮短了觸摸屏軟硬件的開發周期。工控觸摸屏通常會有三種通訊接口：RS-232、RS-485、以太網。若與PLC組合使用，只需將通訊電路連接好即可使用。因為RS-232是負邏輯電平，高電平為-5V~-12V,低電平為+5V~+12V，而STM32的所有引腳是兼容TTL/COMS電平,TTL電平無法與RS-232電平兼容，因此無法直接與RS232接口的器件直接通信，選用美信公司的MAX232芯片設計的RS232硬件接口就可以實現觸摸屏與STM32串口通信，芯片內部的電荷泵能夠產生所需的正負12V電壓，滿足RS-232所需的電平標準。STM32與TK6100i觸摸屏的之間的硬件電路圖如4-18所示。RS-232通常只需要三根線即可，TXD、RXD和GND，TXD將STM32的USART_TX相連，通過MAX232的T1_IN和T1OUT數據通道將數據信息發送觸摸屏，STM32的USART_RX引腳，通過R1OUT和R1IN數據通道接收觸摸屏發來的數據，完成觸摸屏與STM32之間的串口通信。圖4-18STM32與觸摸屏通信硬件電路圖Fig.4-18thecommunicationcircuitofRS-2324.3.4繼電器接口電路設計本電解加工電源斬波器核心STM32控制電路與電源斬波主電路都在控制柜內部，一旦發生故障或異常，操作人員不能迅速得知并做出相應措施，因此需要在控制柜頂部安裝LED多層式警示燈，顯示控制柜的工作狀態。根據控制柜的工作狀態情況，選用兩層紅綠燈帶警報器的警示燈塔，綠色燈表明電解加工電源斬波器系統工作正常，紅色燈表示電解加工出現故障，蜂鳴器發聲。LED多層警示燈的供電源為220V，STM32F103RCT6的供電電壓為3.3V，需要繼電器電路，實現STM32核心控制板回路對大電流LED警示燈輸出回路的控制。繼電器電路選用型號為SDR-24VDC-SL-C繼電器，作為LED多層警示燈輸出回路的控制開關，當繼電器里面銜鐵吸合，LED多層警示燈輸出回路閉合，LED燈亮或者蜂鳴器發聲報警。該型號的繼電器線圈的額定電壓為24V，額定電流為30mA,常開常閉觸點的額定電壓最大為250VAC，此時額定電流最大為10A，符合LED多層警示燈的輸出回路的要求。為了防止繼電器通斷對STM32核心控制芯片產生電磁干擾，選用6Pin雙列的通用光耦4N35，起到很好的電氣絕緣作用。4N35內部原理圖如圖4-19所示，內部含有一個砷化鎵紅外發光二極管和一個硅光電晶體管。砷化鎵紅外發光二極管的典型導通電流為10mA，承受的最大電流為60mA。繼電器控制電路中4N35的采用5V供電，根據歐姆定律可計算出紅外二極管正極外接的電阻的大小范圍，計算過程如下：(4-1)(4-2)由(4-1)式和(4-2)式可知電阻不得小于84Ω，也不得大于500Ω，故選用470Ω的限流電阻。6三極管基極空腳36三極管基極空腳3發光二極管負極2發光二極管正極15三極管集電極4三極管發射集圖4-194N35內部原理圖Fig.4-19Theinternalschematicdiagramof4N354N35不足以驅動繼電器，選用NPN型三極管FZT651來驅動繼電器。當STM32的PB15引腳開漏輸出低電平，內部紅外二極管導通發光，使其內部三極管導通，24V電源與FZT651和繼電器構成的回路導通，繼電器的觸點閉合。4N35內部硅光電晶體管典型值為0.3V。FZT651三極管飽和導通時，其典型壓降范圍為0.9~1.25V，典型放大倍數，FZT651三極管的基極電阻取值計算如下：(4-3)(4-4)(4-5)由(4-3)、(4-3)和(4-5)三式可算出Rb阻值大小范圍，故選用略小于3.48KΩ的3.3KΩ的常用電阻作為三極管基極電阻。如圖4-19所示為STM32繼電器控制電路的硬件設計。圖4-20繼電器控制電路Fig.4-20Thecontrolcircuitofelectricrelay4.3檢測電流的硬件設計4.3.1電流檢測原理常用的測量電流傳感器有很多種類，如分流器、直流電流互感器、交流電流互感器以及空芯線圈和霍爾電流傳感器。電流傳感器的選用是根據電流傳感器所使用的場合、所測量電流參數(電流的幅值和頻率)選定。閉環霍爾傳感器性能比開環霍爾傳感器更好，并且與傳統的分流器和互感器比較，具備更多的優勢，其能夠任意波形的電流進行測量、主副線圈之間能夠完全隔離、電氣測量寬度大、響應迅速等優點，故本文研制的電解加工斬波器的電流測量選用閉環霍爾傳感器?；魻栃前５聹亍ず詹亍せ魻?EdwinHerbertHall)1987年實驗發現，置于磁場中的載流體，在其垂直于電流和磁場的方向上產生電壓。通常情況下，霍爾電流傳感器由霍爾元件、聚磁環和放大調理電路三個主要部分組成。閉環霍爾電流傳感器的原理示意圖如下圖4-21所示,原邊電流產生的磁通與副邊電流通過的副邊補償線圈所產生的磁通在聚磁環處平衡，即有：(4-6)(4-6)式中為聚磁環處原邊導線的匝數，為副邊補償線圈導線的匝數，通常，故輸出電流有：(4-7)圖4-21閉環霍爾電流傳感器工作原理示意圖Fig.4-21TheschematicdiagramofClosedloopHolzercurrentsensor4.3.2電流檢測電路設計閉環霍爾傳感器選用睿感12000A大電流霍爾直流開口電流傳感器，額定輸出5V，精度。STM32F103RCT6內含12位逼近型模擬數字轉換器ADC，多達10個通道，將閉環霍爾電流傳感器測量輸出的電壓通過一定的電路連接ADC道，便可計算出所測量的實際電壓值了。如圖4-22所示，閉環霍爾電流傳感器的輸出電流經過電阻R208和R209分壓減半后連接ADC通道4。二極管D20和D21為一對鉗位二極管，將傳感器的輸出給ADC通道4的電壓鉗位在0~3.3V范圍內，起著保護STM32的ADC輸入端口，防止傳感器輸出電壓超出其測量范圍。圖4-22電流傳感器接口電路硬件設計Fig.4-22Theinterfacecircuitofelectriccurrentsensor5電源斬波器系統的軟件設計5電源斬波器控制系統的軟件設計5.1開發環境RVMDK介紹選用的處理器為STM32F103RCT6，是一款基于Cortex-M3內核的32位單片機，出于加快開發進度和節省成本的考慮，需使用含有編譯、匯編、鏈接和仿真的集成編譯環境(IDE)。常用的ARM開發的IDE有IAREWARM、REALVIEWdevelopersuite和KEILMDK等，此系統開發使用KEILMDK。對于眾多基于Cortex-M內核的處理器來說，KEILMDK是一款非常完備的開發環境，它內含uVIsionIDE和仿真器、ARMC/C++編譯器以及必要的處理器與開發環境交互的中間件。ST意大利半導體公司為用戶提供了兩種STM32開發方式，一種是基于寄存器開發方式，另一種為庫函數開發方式。盡管寄存器開發方式能夠直接操作寄存器，編寫出較高效率的代碼。對于STM32眾多的寄存器來說，大大增加了寄存器開發的難度和周期。擁有高運算速度和大容量FLASH的STM32單片機，可以忽略代碼的效率，選用便于ST系列單片機移植的庫函數開發方式，方便團隊人員開發，大大縮短程序的開發周期。伺服電機與編碼器選擇占空比變化參數參數保存電機速度設置動作執行串口Modbus通信觸摸屏開始伺服電機與編碼器選擇占空比變化參數參數保存電機速度設置動作執行串口Modbus通信觸摸屏開始參數配置while(1)循環Modbus報文處理執行相應指令調用相應的子函數斬波器斷電開始中斷服務函數編碼器信息讀取（斬波區域確定）IGBT斬波程序IGBT異常監測程序定時器中斷外部中斷伺服電機控制程圖5-1程序設計示意圖Fig.5-1Theideaofprogramming如圖5-1所示，電解加工控制程序設計采用模塊化的設計思想，有串口信息接收程序、電機相關程序，位置信息(編碼器)讀取程序、IGBT斬波控制程序、IGBT短路保護監測程序等模塊子函數?？刂葡到y通過觸摸屏modbus串口通信接受電解加工指令和加工參數，在while循環中對串口接收的報文處理，并調用相應的模塊子函數和中斷服務函數執行，就可以實現大電流在斬波過程中占空比可變的電解加工。5.2.1伺服電機與編碼器選擇由第四章伺服電機硬件電路圖4-11，伺服驅動脈沖信號由TIM8_CH1和TIM8_CH2端口輸出，設置為復用開漏輸出，外接10K電阻連+5V高電平，與PC8、PC9相連接，為推挽輸出。當PC8輸出高電平時，TIM8_CH1輸出PWM才有效，否則無效，所以PC8為伺服電機的啟動停止控制端口。同理，PC9為伺服電機2的啟動停止控制端口。左右編碼器是連接到定時器3、4上，故選擇使用定時器3就是選擇左編碼器為準，選擇使用定時4即選右編碼器為準。觸摸屏界面2中電機與編碼器配置的具體程序如附錄程序代碼清單1。N是否到達固定間隔時間配置IGBT定時器7計數單元加1進入TIM7中斷NN模式3定時器7計數單元加1時間節點數組1更新該時間對應的占空比N是否到達固定間隔時間配置IGBT定時器7計數單元加1進入TIM7中斷NN模式3定時器7計數單元加1時間節點數組1更新該時間對應的占空比下一個時間節點模式2更新當前占空比計算占空比增量定時器是到達指定的計數時間所有時間節點更新完畢YY圖5-2為占空比變化流程圖Fig.5-2Theprogrammingofchangingdutyratio本控制方案占空比有三種模式可選：模式1為固定占空比；模式2為占空比固定時長增大或減小固定百分比；模式三為不同時間節點設置不同占空比。如圖5-2為三種模式占空比的典型變化圖。change_time_in_10ms[20]數組來存儲變化的時間節點，默認模式2中固定時間間隔時間也存儲在數組的首個元素change_time_in_10ms[0]；定時器7中斷時間長為10ms，用變量number_of_TIM7_OV來定時中斷的次數，占空比變化的程序流程圖如圖5-2所示。TIM7占空比變化程序如附錄程序代碼清單2。5.2.3參數的保存結束結束開始按下保存按鈕正在執行保存FlASH_Writing標志位置1當前是否變化參數按半字節寫入FLASH參數寫入當前值FlASH_Writing標志位清0是是否圖5-3參數保存流程圖Fig.5-3Theprogrammingofsavingparameters為了防止STM32意外斷電，操作人員上電后還需要重新輸入參數，比較繁雜。如果將重要的參數進行保存，斷電后參數可以繼續重新讀入程序，這樣就可以無需回零，直接繼續上一次的電解加工。STM32F103RCT6芯片內部有256KB的FLASH，地址范圍：0x8000000~0x8030F800，共128頁，每頁為2KB。需要保存電解加工相關參數共15個16位數組變量，所占空間才15Byte，遠小于頁空間2KB。通過keil下載，知道整個電解加工控制系統STM32程序不超過15KB，考慮到代碼的健壯性，將參數保存到STM32的FLASH區域最后一頁。STM32內部FLASH可以進行以頁為單位的擦除、編程、讀取操作。對FLASH操作必須先進行解鎖、擦除后在編程。由于內部FALSH擦寫的次數一般為10萬，為了避免對FALSH頻繁擦寫，設置FLASH_Writing標志變量來標定寫入參數值與保存的參數是否一致，若不一致，才會進行FLASH編程操作，保存新的變量值，如5-3圖所示。FLASH半字寫入的程序如附錄程序代碼清單3。5.3觸摸屏的軟件設計5.3.1觸摸屏的界面編程在第四章中選用了威綸通公司生產的工業電阻式TK600i觸摸屏，需使用該公司官網配套的觸摸屏界面編程軟件中的EASYbuilder8000對其進行界面化編程，其編程的大致流程：設置參數，設計界面，制作下載文件。首先選擇PLC的類型和通信的參數，PLC類型設置完成后，有些參數會自動配置，如圖5-1所示。系統參數需要添加一個本機PLC，類型選擇為MODBUSRTU，即選擇了觸摸屏與控制器的之間使用MODBUS_RTU協議通訊。接口由硬件接口可知選擇為RS-232接口，通訊端口選擇COM1，波特率為9600bit/s，無奇偶校驗位，8位傳輸數據，1位停止位。圖5-4Easybuilder8000系統參數設置示意圖Fig.5-4ThesystemparameterssettingofEasybuilder8000通過選取軟件Easybuilder8000中的圖像化元件，主要包括數值類元件、位狀態開關元件和狀態燈元件以及功能鍵元件，進行一系列的組合設計，就能滿足實際生產中需要的人機交互界面要求。電源斬波器的人機界面共有6個界面，分為主控制界面，配置界面和占空比模式設置界面三類。如圖5-5所示為主控界面，默認用戶斬波方式為模式1—固定占空比模式，以左邊編碼器為準兩臺電機同步旋轉，顯示左右兩伺服電機的編碼器差值、電機轉速和其他一些電解加工的加工參數，用戶可以設置IGBT的斬波頻率、斬波開啟角度、斬波關閉角度和占空比本系統電解加工的參數，還可以自由地進行直流還是斬波的方式進行電解加工。通過按下主控界面的功能鍵元件“配置”按鈕，便會切換到配置界面，配置界面圖5-6所示。在配置界面中，用戶可以設置兩臺伺服電機是同步旋轉還是單臺工作，以哪臺伺服電機的編碼器值為基準；還有斬波開啟關閉角度的示意圖，方便用戶理解并準確地設置斬波的開啟角度和關閉角度。通過按下主控界面的功能鍵元件“模式”按鈕，便會跳出彈出窗口，通過選擇不同模式切換到不同的占空比模式設置窗口。如圖5-7所示，模式1界面為固定占空比，在電解加工過程中占空比恒定不變。模式2界面為占空比隨比例增長的方式變化，用戶可以設置占空比是增大還是減小，占空比變化的間隔時間，每次時間間隔變化率。模式3界面有20個時間節點和占空比用戶設置，20個時間節點可以任意設置，每個時間點的間隔不再像模式2那樣是固定的，占空比的曲線變化可以任意折線呈現。圖5-5觸摸屏主控界面圖5-6觸摸屏配置界面Fig.5-5Themaininterfaceoftouch-screenFig.5-6Configurationinterfaceoftouch-screen圖5-7占空比模式設置界面Fig.5-7Thedutypatternofdutyratio然后用軟件Easybuilder8000編譯模，模擬，下載到觸摸屏中即可。圖5-5,5-6,5-7均為Easybuilde8000,離線模擬時得界面。離線模式時界面中數值類元件的數值都為零，在實際使用中觸摸屏與STM32控制芯片通訊，觸摸屏上的開關類狀態元件和數值類的元件與STM32程序中的變量是一一對應的，即可讀取STM32中數值到觸摸屏中去和將觸摸屏中的參數或狀態寫入到STM32中去。這些參數或狀態在STM32程序中是以16位位寬或8位位寬的數組存在的，16位的數組元素保存數值類元件的參數，如IGBT的斬波頻率，速度值等。8位位寬的數組元素保存觸摸屏界面的開關狀態類元件，其中每一位代表一個狀態，是否直流加工或者是電解加工等，其定義如附錄程序代碼清單4。為了使觸摸屏界面上的數值元件與STM32程序中的數組相對應，需要對觸摸屏界面元件進行相應的設置，如圖5-8所示。圖5-8觸摸屏軟元件屬性配置Fig.5-8SoftComponents’ConfigurationofTouch-Screen5.3.2觸摸屏與STM32之間的通訊程序設計STM32可以通過RS-232硬件接口和觸摸屏進行連接，通過串口通信(USART)的方式進行通信，主站為觸摸屏，從站為STM32，因為觸摸屏內部集成MODBUS協議，只需選擇設置即可，而從站STM32則需要編寫MODBUS從站協議。STM32的ModBus協議驅動。Modbus協議串行傳輸模式有兩種RTU和ASCII模式。本觸摸屏采用RTU模式進行串行傳輸數據，在波特率相同的條件下其傳輸的字符要比ASCII模式更多，傳輸效率更高。在RTU模式中，一個字符幀中字節用兩個十六進制的字符表示。對modubus協議重新進行自定義簡化，規定數據域為4個字節。則本通訊方案中自定義modbus報文如表5-1所示。這樣，報文的數據量統一，采用3.5字符幀間固定間隔，modbus協議程序編程更為方便。表5-2給出本自定義modbus協議用到的功能碼[54]。表5-1Modbus報文構成Fig.5-1Modbusmessagecomposition地址域功能碼域數據域CRC16域1byte1byte4*1byte2byte表5-2Modbus常用功能碼Fig.5-2FavoriteFunctionCodesofModbus功能碼(Hex)含義觸摸屏地址段01讀開關量狀態0x03讀保持型寄存器4x或6x05強制單個開關量0x06寫單個寄存器6x圖5-9STM32串口通訊流程圖Fig.5-9TheideaofSTM32serialportcommunication自定義STM32的modbus協議驅動由串口初始化、報文的接發，報文的處理三個程序塊構成。串口初始化即串口傳輸數據的格式要相同，STM32可在庫函數USART_InitStructure結構體里設置9600bit/s的串口波特率，奇偶校驗位無，8個數據位，1個停止位。Modbus報文是通過8位的字符數組接收并處理，報文的接發和報文組成如5-9所示。報文處理程序塊，根據報文的功能碼對報文進行數據處理，其程序詳見附錄程序代碼清單5。5.4伺服電機控制的軟件設計5.4.1伺服電機的參數配置本控制系統的選用三菱交流伺服電機MR-JE-300A，位置控制模式，需用三菱自己伺服配置軟件MR_Configurator2進行設置相應的參數。如圖5-10所示，為伺服參數基本設置界面，需手動設置：1)“控制模式選擇”項中選擇“位置控制模式”。2)圖中“旋轉方向”項選擇“CCW方向為正脈沖輸入，CW方向為負脈沖輸入”。由于控制系統中兩臺伺服電機是相對放置，兩臺伺服電機同步旋轉時，帶動的陰極工具同時靠近中間的工件或者原理，因此兩臺伺服電機的旋轉方向設置是相反的，若其中一臺伺服電機如圖5-10設置，則另一臺伺服電機旋轉方向是“CCW方向是負脈沖輸入，CW方向為正脈沖輸入”。編碼器反饋給STM32核心控制芯片的脈沖頻率越高，則STM32計算出來的位置越精準。伺服驅動器漏型輸出的頻率上限為500KHz，但若輸出的頻率太快，伺服驅動器的輸出的信號會失真，反而精度會降低。圖5-10伺服參數基本設置界面Fig.5-10Thebasicinterfaceofservoparameterssetting由MR-JE-300A三菱伺服電機最大額定轉速為3000r/min，考慮機械整動裝置的慣性問題和控制精度，規定本控制系統伺服電機的最大轉速為2000r/min。假設伺服電機旋轉一圈，伺服電機的編碼器反饋給伺服驅動器總脈沖數為，編碼器每分鐘輸出的脈沖數為,則有(5-1)編碼器反饋的脈沖信號頻率為：