劉雨蘭

摘要：針對數(shù)控電火花線切割機(jī)床運(yùn)絲系統(tǒng)速度控制的要求，提出了一種基于永磁無刷直流電機(jī)的運(yùn)絲系統(tǒng)控制方案。闡述整體設(shè)計(jì)要求，介紹硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)。應(yīng)用證明，該系統(tǒng)具有優(yōu)異的起動(dòng)性能和調(diào)速性能，能耗低，經(jīng)濟(jì)性好，適應(yīng)性強(qiáng)，滿足頻繁換向、工況惡劣的場合使用。

關(guān)鍵詞：數(shù)控線切割機(jī)床;運(yùn)絲控制系統(tǒng);永磁無刷直流電機(jī);Atmega16控制;電機(jī)驅(qū)動(dòng)

中圖分類號：TP274.5? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號：1007-9416（2018）10-0000-00

1 前言

在快走絲或中走絲數(shù)控電火花線切割機(jī)床加工中電極絲的速度及其張力是影響加工質(zhì)量非常重要的因素。目前，線切割機(jī)床運(yùn)絲系統(tǒng)的三相異步電機(jī)與工業(yè)變頻器成套配置使用，其技術(shù)已經(jīng)非常成熟，由于異步電機(jī)不具備過低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速運(yùn)行特性，電機(jī)容易發(fā)熱燒壞，能耗高（比永磁電機(jī)高2倍以上），并且低速運(yùn)行時(shí)不穩(wěn)定，有蠕動(dòng)現(xiàn)象，也就不能完全滿足走絲運(yùn)行技術(shù)要求。如果采用伺服電機(jī)系統(tǒng)配置，其系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高，市場也不易接受。為此，本文在研發(fā)中應(yīng)用了永磁無刷直流調(diào)速電機(jī)配置于運(yùn)絲控制系統(tǒng)，其性能優(yōu)異，環(huán)保節(jié)能，高效簡潔，系統(tǒng)成本低，適應(yīng)性好。

2 運(yùn)絲控制系統(tǒng)的技術(shù)要求

數(shù)控線切割機(jī)床運(yùn)絲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，鉬絲從運(yùn)絲滾筒上端經(jīng)后上導(dǎo)輪和前上導(dǎo)輪上輪緣通過后，垂直向下經(jīng)前下導(dǎo)輪和后下導(dǎo)輪下輪緣進(jìn)入滾筒下方，形成一個(gè)無限往復(fù)循環(huán)的走絲運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)切割要求，本系統(tǒng)工作運(yùn)行時(shí)要求轉(zhuǎn)速變量跨度大，任意轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，尤其是1 r/s—3 r/s低速運(yùn)行時(shí)，保證轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩恒定，無抖動(dòng)，無蠕動(dòng)，無堵轉(zhuǎn)，以滿足各種厚度、各種材質(zhì)的高效率高精度切割加工。加減速性能好，以滿足系統(tǒng)的頻繁換向要求。且斷絲與超行程保護(hù)具有急剎車功能。并滿足換向時(shí)高頻電流的關(guān)斷與延時(shí)接通要求。同時(shí)與線切割機(jī)床主控制卡（HF卡、AutoCUT卡、HL卡等）的Z接口進(jìn)行信號通信功能，以滿足中走絲多刀切割。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的運(yùn)絲控制系統(tǒng)主要包括主控制模塊、電機(jī)控制模塊、高低壓電源模塊、永磁無刷直流電機(jī)，其硬件組成見圖2所示。

3.1永磁無刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)

為了獲得較強(qiáng)的剛性結(jié)構(gòu)，該電機(jī)外殼體選用鋁合金方體外形。定子鐵芯材料采用470冷軋板，為減少紋波轉(zhuǎn)矩，定子鐵芯設(shè)計(jì)為18槽沖制，布線方式為分布短距繞組。轉(zhuǎn)子為4對極，磁瓦材料為釹鐵硼N38UH。為確保電機(jī)換向時(shí)確切、穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中選用霍爾傳感器和先進(jìn)的相位識(shí)別技術(shù)，無霍爾傳感器技術(shù)換向起步時(shí)有微抖現(xiàn)象。供電方式直流300V，功率180W。

3.2主控制模塊的設(shè)計(jì)

主控制模塊的核心控制芯片選用Atmega16單片機(jī)，該單片機(jī)具有豐富的I/O口資源，外設(shè)功能強(qiáng)大，能夠滿足運(yùn)絲控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

其中，PC0—PC4口連接人機(jī)操作界面的5個(gè)按鍵，實(shí)現(xiàn)中走絲不同刀組時(shí)電機(jī)速度的設(shè)定與保存，電機(jī)運(yùn)行的啟動(dòng)與停止功能。PB0—PB7、PA0—PA4口分別連接人機(jī)操作界面的5位LED數(shù)碼管，進(jìn)行電機(jī)速度的實(shí)時(shí)顯示。

PA5—PA7、PD5口接受來自于上位機(jī)主控卡中的BCD碼信號、結(jié)束自動(dòng)停機(jī)信號，可完成中走絲數(shù)控線切割機(jī)床多刀切割時(shí)速度的選擇，以及加工結(jié)束時(shí)運(yùn)絲電機(jī)的停止運(yùn)行與高頻的關(guān)斷。

PD2口是外部中斷0的輸入端口，與斷絲超程保護(hù)電路相連接，一旦出現(xiàn)斷絲或者超行程時(shí)，電機(jī)立即制動(dòng)。

PD3、PD1、PD0口接受換向電路的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)信號，PD4口輸出信號實(shí)現(xiàn)換向時(shí)的高頻加工脈沖的斷開，以及延時(shí)接通。

PD7口可作為T/C2 比較匹配輸出，PD6口可作為T/C1 的輸入捕捉引腳，以及PC7—PC5口，分別與電機(jī)專用控制芯片MC33035的控制端口進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)永磁無刷直流電機(jī)的使能控制、正反轉(zhuǎn)、制動(dòng)、調(diào)速、測速。

3.3電機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì)

該永磁無刷直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)主電路采用高速M(fèi)OS管。MOS管前置驅(qū)動(dòng)采用平移技術(shù)，使用MOTOROLA 公司研制的無刷電機(jī)控制專用芯片MC33035，它集轉(zhuǎn)子位置信號譯碼、過流、過熱、欠壓、溫度補(bǔ)償、正反轉(zhuǎn)選擇、剎車、PWM調(diào)制放大等諸功能于一身，組成的系統(tǒng)所需外圍電路簡單。

由于運(yùn)絲控制系統(tǒng)速度控制精度要求高，必須采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，為此采用了和MC33035同系列的配套芯片MC33039，MC33039進(jìn)行速度檢測與速度反饋，實(shí)現(xiàn)了較為理想的永磁無刷直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

為了防止MOS管高壓電源對MC33035等低壓芯片電路的沖擊破壞，在MOS管高壓電電路與MC33035輸出端設(shè)置了IR2304半橋驅(qū)動(dòng)集成電路，使高壓端和低壓端實(shí)現(xiàn)了懸浮隔離，滿足了MC33035與MOS管接口驅(qū)動(dòng)輸出的安全控制技術(shù)要求。

3.4高低壓電源模塊的設(shè)計(jì)

電路電源供給為交流220V單電源變壓器隔離式分壓供給方式。一路經(jīng)降壓通過整流模塊提供+5V、+15V直流電壓分別給主控制模塊與電機(jī)控制模塊，使單片機(jī)、MC33035、MC33039、IR2304芯片獲取正常工作電壓。另一路經(jīng)變壓器隔離后通過整流模塊提供300V直流高壓電源，供給MOS管驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主控制模塊的軟件設(shè)計(jì)主要有主程序、外部中斷0程序、外部中斷1程序、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1事件捕獲中斷程序。主程序流程圖見圖3。外部中斷0程序?qū)崿F(xiàn)斷絲超程保護(hù)，切斷高頻系統(tǒng)、運(yùn)絲控制系統(tǒng)的運(yùn)行。外部中斷1程序完成換向斷高頻，延時(shí)接通高通。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1捕獲中斷程序?qū)崿F(xiàn)速度的實(shí)時(shí)檢測、處理。

5 運(yùn)行測試

文中將基于永磁無刷直流電機(jī)的運(yùn)絲控制系統(tǒng)應(yīng)用于線切割機(jī)床進(jìn)行加工測試，獲取其運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。圖4為固定振蕩輸出波形圖，頻率在12K—20K，表明PWM波形穩(wěn)定無失真。圖5為霍爾工作MC33035輸出波形圖，表明霍爾控制及電路參數(shù)配置準(zhǔn)確，波形可靠穩(wěn)定。圖6為電機(jī)運(yùn)行時(shí)單相波形圖，表明霍爾角度位置安裝正確，相序、相位正確，MOS管工作可靠性好，電機(jī)運(yùn)行工況較好。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有優(yōu)異的啟動(dòng)和變速性能，并可實(shí)現(xiàn)0r/min—1800 r/min的運(yùn)絲速度調(diào)節(jié)，拓展了轉(zhuǎn)速使用范圍，響應(yīng)度快，同時(shí)克服了三相異步電機(jī)頻率過高或過低易造成電機(jī)燒壞故障問題。且本系統(tǒng)在中走絲工作狀態(tài)中能耗比較低，約為異步電機(jī)的1/3功耗。數(shù)字化管理，操作簡便直觀，故障率低，性能高。

6 結(jié)語

本文應(yīng)用了新型的電機(jī)技術(shù)、霍爾傳感技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)，對切割速度進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤檢測、分析處理、控制、顯示，使得低速和高速運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能耗低，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡潔，成本比異步電機(jī)變頻系統(tǒng)成本低。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了各種中走絲主控制卡（HF卡、AutoCUT卡、HL卡等）的接口通信功能，滿足了中走絲加工速度的自動(dòng)給定，經(jīng)反復(fù)實(shí)踐檢驗(yàn)，整機(jī)性能與加工精度得到較大的改善提升。

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Application of Permanent Magnet Brushless DC Motor on WEDM

Electrode Wire Control System

LIU Yu-lan

（Department of Mechanical and Electrical Engineering，Jiangsu College of Information Technology，Wuxi Jiangsu 214153）

Abstract： This paper proposes a control scheme of electrode wire system based on permanent magnet brushless DC motor， to point at the speed control requirements of NC WEDM electrode wire control system.It describes overall design requirements and introduces hardware and software design . Practice proves that the system has excellent starting performance and speed regulation performance， low energy consumption， good economy， strong adaptability.It applies to frequent commutation， bad working conditions occasions.

Key words： NC WEDM machine tool; electrode wire control system; permanent magnet brushless DC motor; Atmega16 ; motor drive