梁勁斐，于兆勤，郭鐘寧

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510006）

0 前言

隨著微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）的發(fā)展，微型復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬器件的應(yīng)用范圍越來越廣，如生物醫(yī)學(xué)和航空領(lǐng)域，因此微細(xì)加工技術(shù)成為現(xiàn)代工業(yè)的一個(gè)熱點(diǎn)問題。目前，微細(xì)加工技術(shù)包括光刻技術(shù)，電火花加工，超聲加工和微細(xì)電化學(xué)加工等等。微細(xì)電化學(xué)加工是一種電化學(xué)分離加工，它擁有無工具損耗、無加工應(yīng)力、加工表面質(zhì)量好和加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)能力等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。在電化學(xué)加工過程中，材料的去除是利用電化學(xué)反應(yīng)以離子尺度進(jìn)行，金屬離子的尺寸在0.1 nm 甚至更小，因此這種微去除方式使得電化學(xué)加工技術(shù)在微米、納米制造領(lǐng)域有著很大的發(fā)展?jié)撃躘4]。

通過對超窄脈沖微細(xì)電解加工過程的分析，當(dāng)脈沖頻率提高到幾十兆赫茲，脈寬減小至納秒級時(shí)，將小間隙電解加工、低濃度電解液、間歇加工去極化、極間間隙的實(shí)時(shí)檢測和陰極進(jìn)給的反饋控制等提高電解加工精度的方法綜合運(yùn)用，從而實(shí)現(xiàn)納米、亞微米級的微細(xì)電解加工。用超窄脈沖電流能夠?qū)崿F(xiàn)納米、亞微米的微細(xì)電化學(xué)加工，其關(guān)鍵因素在于：脈沖電源的脈沖寬度縮小到納秒或皮秒級時(shí)，電極表面雙電層的極化被局限在了電極端部數(shù)微米的加工區(qū)域內(nèi)，利用雙電層的空間約束來控制電化學(xué)加工的形狀精度與尺寸精度，從而顯著提高加工的微細(xì)程度和加工精度[4-5]。由此可見納秒級脈沖電源對于微細(xì)電解加工有重要意義。

1 電源的總體設(shè)計(jì)

納秒級脈沖電源的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于控制高頻脈沖的產(chǎn)生。舊有的設(shè)計(jì)方法通常采用單片機(jī)來發(fā)送脈沖信號，而單片機(jī)的固有缺點(diǎn)是晶振頻率較低，對于需要產(chǎn)生納秒級脈沖難以實(shí)現(xiàn)。而FPGA擁有基準(zhǔn)晶振頻率較高、高速并行處理能力強(qiáng)、內(nèi)部配置靈活的特點(diǎn)，能夠產(chǎn)生頻率較高的脈沖信號，且對于反饋信號的處理靈活迅速，適合用以設(shè)計(jì)納秒級脈沖電源。

電源的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。主要設(shè)計(jì)思路分為主電路、控制電路和檢測電路三部分。主電路由LM317 芯片負(fù)責(zé)調(diào)壓，控制電路由FPGA控制脈沖發(fā)送，檢測電路監(jiān)察電路的短路情況反饋給FPGA執(zhí)行相應(yīng)關(guān)斷回退指令。

圖1 電源整體設(shè)計(jì)框圖

（1）主電路

主電路主要采用LM317 芯片來調(diào)節(jié)電壓。該芯片是三端可調(diào)正極性電壓調(diào)節(jié)器，可調(diào)范圍從1.2～37 V。該芯片簡單易用，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)外接電阻的比值來調(diào)節(jié)輸出電壓，此外還提供內(nèi)部限流和熱關(guān)斷等功能。主電路如圖2所示。

經(jīng)過前面的變壓整流濾波后LM317 的輸入端得到15 V 的直流電壓，輸出的電壓根據(jù)下列公式可得：

通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R2可以改變輸出電壓。

（2）控制電路

控制電路主要由FPGA 控制，通過FPGA內(nèi)部編程產(chǎn)生高頻脈沖，因FPGA 的輸出為3.3 V，驅(qū)動(dòng)MOSFET 的能力太弱，所以輸出脈沖需外加一個(gè)運(yùn)算放大器使其電壓放大，經(jīng)過放大后的脈沖用以開通和關(guān)斷MOSFET，MOSFET 對主電路斬波后得到脈沖電壓。該電源的脈沖最高頻率為5 MHz，運(yùn)放接成5.7倍放大得到電壓為18.8 V，由此可得所需最小壓擺率為94 V/s。運(yùn)放采用AD 公司的AD818 集成運(yùn)算放大器，該運(yùn)放屬于電壓反饋類型，適合信號頻率在10 MHz以下的系統(tǒng)使用。該運(yùn)放的增益帶寬積為130 MHz（G=+2），壓擺率為500 V/ μs，符合設(shè)計(jì)要求。MOSFET 采用AO6602，其主要參數(shù)：ID為3.1 A，VGS為±20 V ，VDS為30 V，開通延遲時(shí)間為3.4 ns，關(guān)斷延遲時(shí)間為13.2 ns，均滿足設(shè)計(jì)的要求。電路如圖3所示。

（3）檢測電路

一般的比較常用的檢測方法為利用霍爾傳感器檢測電流情況，但由于霍爾傳感器的檢測頻率太低，一般為200 kHz～300 kHz左右，最高一般不超過1 MHz，而本文設(shè)計(jì)的電路最高頻率為5 MHz，所以采用霍爾傳感器作檢測的方法不適用與本電源。本電源的檢測方法為通過三極管的開關(guān)來反映真實(shí)加工時(shí)負(fù)載脈沖的情況，在負(fù)載兩端接一個(gè)三極管，三極管的開關(guān)情況由負(fù)載的脈沖決定，在該情況下只需檢測三極管的開關(guān)狀態(tài)就可判斷負(fù)載脈沖的情況。檢測電路原理如4所示。

圖2 主電路電路圖

圖3 驅(qū)動(dòng)電路圖

圖4 檢測電路原理圖

檢測輸出的信號Sig_Out與負(fù)載脈沖的頻率相同，當(dāng)加工短路時(shí)Sig_Out持續(xù)輸出高電平，根據(jù)對Sig_Out對低電平的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)可確定電路是否短路。

2 控制邏輯設(shè)計(jì)

控制邏輯的設(shè)計(jì)主要分為兩部分：（1）控制脈沖的發(fā)生；（2）短路反饋檢測控制。整個(gè)的邏輯控制由FPGA來實(shí)現(xiàn)，通過對FPGA的編程實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊。采用Altera公司的EP4CE15F17C8系列的FPGA，基準(zhǔn)時(shí)鐘為50 MHz 晶振，通過對基準(zhǔn)時(shí)鐘的倍頻能過得到更高的頻率。

（1）控制脈沖的編程實(shí)現(xiàn)

圖5 輸出波形圖

（2）檢測控制的編程實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際的加工中由于各種的干擾會(huì)導(dǎo)致很多短路信號是偽短路信號，必須對檢測到的短路信號進(jìn)行識別區(qū)分。這種偽短路信號的維持時(shí)間非常的短，通常都是在某一瞬間出現(xiàn)，所以可以設(shè)定一小段定時(shí)來進(jìn)行區(qū)分。本文設(shè)定用以區(qū)分的時(shí)間為1 ms，當(dāng)短路信號維持時(shí)間小于1 ms 時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)定為干擾信號，電源繼續(xù)輸出加工；當(dāng)短路信號維持時(shí)間大于1 ms時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)定為加工短路，立即切斷電源并發(fā)送信號到上位機(jī)使工具電極回退。

將在三極管集電極和發(fā)射極兩端檢測到的信號發(fā)送到FPGA中，F(xiàn)PGA根據(jù)檢測到的信號的高低電平進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)電源正常加工時(shí)，F(xiàn)PGA檢測到的是脈沖信號；當(dāng)電源短路時(shí)，三極管的基極輸入為低電平，三極管關(guān)斷，集電極端一直輸出為3.3 V的高電平。在程序中設(shè)定一個(gè)檢測寄存器Count_Out 在定時(shí)1 ms 內(nèi)對檢測到的低電平數(shù)計(jì)數(shù)，若正常加工或有干擾時(shí)，在1 ms內(nèi)的低電平數(shù)不為0；若電源短路時(shí)，在1 ms 內(nèi)對低電平檢測到的個(gè)數(shù)為0。程序的設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 檢測程序設(shè)計(jì)路程圖

初始化后設(shè)定寄存器Count1 對基準(zhǔn)時(shí)鐘計(jì)數(shù)且寄存器Count_Out 對檢測到的低電平計(jì)數(shù)，當(dāng)Count1計(jì)數(shù)值達(dá)到定時(shí)1 ms后，查詢Count_Out中的計(jì)數(shù)值并且清零Count1，若Count_Out中計(jì)數(shù)值不為零，將反饋信號寄存器rFeedback 置0；若Count_Out中計(jì)數(shù)值為零，將rFeedback置1，最后將rFeedback 中的值賦值給反饋信號Feedback，F(xiàn)eedback為0，電源繼續(xù)正常輸出加工，F(xiàn)eedback為1，脈沖發(fā)送模塊關(guān)斷，切斷電源。

3 結(jié)語

本文結(jié)合微細(xì)電化學(xué)加工的發(fā)展趨勢，設(shè)計(jì)出了適合于微細(xì)電化學(xué)加工的電源。電源整體采用直流加斬波的方式，斬波部分應(yīng)用FPGA 芯片進(jìn)行脈沖發(fā)送的控制，依靠FPGA 內(nèi)部高頻時(shí)鐘信號的特點(diǎn)，使控制脈沖信號能夠達(dá)到較高頻率，從而使MOSFET 在高頻下對直流部分開通和關(guān)斷，輸出高頻的脈沖電壓。同時(shí)檢測信號的處理在FPGA 的內(nèi)部進(jìn)行，能在很短的物理延遲時(shí)間內(nèi)完成。而且由于使用了FPGA 芯片，代替了以前舊有的外圍電路，縮小了電源的整體體積，且使用靈活方便，日后升級換代比較簡單，只需要重新對FPGA編程即可。

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