用STC 单片机设计脉冲发生器，改进线切割机床高频电源

高频脉冲电源是线切割机床加工专用电源，它的好坏直接关系到机床的加工质量。目前部分老式机床高频电源的高频振荡频率是由石英晶体产生，由于石英晶体自身存在的缺陷，会造成高频脉宽调节不稳定，使得机床加工稳定性变差，效率降低，损耗增大等现象。基于此现象，采用STC89C52RC单片机对高频电源进行控制。

1 石英晶体谐振器存在的问题

如果把交变电压施加于石英晶片两个电极之间，当交变电压的频率与石英晶片固有振动频率一致时，通过逆压电效应，晶片便产生机械振动。同时又通过正压电效应而输出电信号。一般石英晶体谐振器的频率范围可以从数百赫兹到几百兆赫兹。

1.2 影响石英晶体谐振器频率的原因

影响石英晶体谐振器频率改变的主要原因是温度的变化，石英晶体谐振频率会随温度的改变而变化，我们称作为频率温度特性。它的谐振器频率-温度特性与石英本身物理特性有关，还与其加工工艺和切割角度有一定关系。恒温型和温度补偿型高稳定度晶体振荡器正是基于频率温度特性研制而成的。

石英晶体谐振频率会随着石英的老化而缓慢增大或减小。老化主要是石英晶格不完善导致晶体结构发生变化，这种变化对晶体影响时间很长，另外温度变化和压力释放效应也会产生老化。另外激励电平的急剧变化也会影响到石英晶体的老化性能，从而影响到石英晶体的谐振器的频率稳定度。

同样负载的变化、电源电压的波动以及外界辐射等也都会导致石英晶体谐振器的谐振频率发生变化。基于上述原因，我们决定采用STC89C52RC单片机对线切割高频电源控制电路进行改造。

2 STC89C52RC单片机基本功能

STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的超强抗干扰、高速、低功耗单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机。其最高频率时钟为80MHz，Flash存储器为8 KB，RAM为512 bit，E2PROM为2 KB，可反复擦写编程。工作温度为-40℃～+85℃，内置看门狗电路，内部电源供电系统、时钟电路和复位电路都经过特殊处理。“6时钟/机器周期”和“12时钟/机器周期”可在ISP编程时反复设置。具体结构如图1所示。

图1 STC89C52RC单片机内部结构示意图

P0端口（P0.0～P0.7）：P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载。对端口P0写入每个引脚能驱动写入“1”时，可以作为高阻抗输入。

P1端口（P1.0～P1.7）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向 I/O口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4 个TTL 输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。

P2端口（P2.0～P2.7）：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向 I/O端口。P3端口（P3.0～P3.7）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。

VCC（40引脚）：电源电压；VSS（20引脚）：接地。

图2 STC89C52RC单片机管脚示意图

3 线切割高频电源主控电路改进设计

针对高频电源存在的实际问题，本文采用STC89C52RC单片机为主要处理部件，来改进原有的主控电路部分，整个电路是由单片机处理器、驱动电路、电源电路、功能参数及显示电路组成。

这样的设计可以使电路简单，投入极少，控制灵活方便，特别适合小型企业技术改造，加工速度提高了百分之二十五。具体设计框图如图3所示，电路原理图如图4所示。

图3 高频电源控制电路框图

3.1 控制信号产生电路

控制信号由单片机程序控制产生的脉冲信号，由单片机P1端口P1.4、P1.5、P1.6输出脉冲信号，控制驱动电路进行工作。当需要较小的输出功率时，驱动电路只有一个功率输出管VT1工作，则单片机只有P1.4端有脉冲输出，P1.5、P1.6端无脉冲输出，即P1.4端口只控制一只功率管工作，若要求输出功率大一些，则让P1.5端输出信号，P1.5端控制两只功率管（VT2、VT3）工作。

同样，P1.6端输出控制信号，同时控制三只功率管（VT4、VT5、VT6）工作。例如，在要求输出功率较大，要求5只功率管同时工作，则让P1.5、P1.6端同时输出脉冲信号也就有5只功率管同时工作，此项调整是通过SA4完成。

3.2 功放驱动电路设计

功放电路由三块TLP250光耦合集成电路完成，由单片机P1.4、P1.5或P1.6输出脉冲信号（低电平有效），分别加到三块TLP250功率驱动模块的3脚。当TLP250光耦驱动模块的3脚有低电平脉冲信号时（无信号时为高电平），其6、7脚就有高电平脉冲输出，直接驱动功率场效应管IRFP450的栅极，TLP250的5脚接地，8脚接12V电源。

其中IC2（TLP250）的输出（6、7脚）接到VT1的栅极，驱动一只功率场效应管。IC3（TLP250）的输出（6、7脚）同时接到VT2 和VT3的栅极，驱动两只功率场效应管工作。IC4（TLP250）的输出（6、7脚）同时接到VT4 、VT5和VT6的栅极，同时驱动三只功率场效应管工作。

由VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6六只功率场效应管组成功率输出电路，由单片机的P1.4、P1.5和P1.6端输出的脉冲信号来控制光耦IC2、IC3、IC4的输出，进一步驱动6只功率场效应管，以控制相应的功率管工作。

3.3 功能参数及显示电路设计

控制系统相关参数的显示用了5只LED数码管进行显示，第一位数码管显示功率管的电源电压，该电压档位分高、低两个档位，是由变压器抽头的改变而获得的，再通过桥式整流电路获得两个高低不同的直流电压，整流供给功率管工作。

当选择高电压供给功率管工作时，第一位LED数码管显示为“H”，当选择低电压供给功率管工作时，LED数码管显示为“L”，电压的高低由电压选择开关控制，由操作者根据工作要求来选定。第二位、第三位显示输出脉冲的宽度（大约几十微秒），脉冲有九个级别，可以通过选择开关S2进行选定。

第四位显示脉间的时间长短，脉间也有九个级别，由脉间选择开关S3进行选定。第五位显示功率输出管工作的数量，该电路共有6只功率管，操作者可根据输出功率的大小，由选择开关S4进行选定需要几只功率管进行工作。

以上四个参数的初始值，系统自动设定一组常用值。在需要改变时，操作者可通过相应的选择开关自行设定。参数显示电路，由单片机的P0口输出控制LED数码管的段码信号，即确定相应的数码管显示的内容。P2口输出的是位码信号，即控制由哪一个数码管进行显示。单片机的P0端口与P2端口输出信号组合控制LED数码管的动态显示。

图4 线切割高频电源单片机控制电路原理图

本设计通过在威海荣铭金属设备有限公司进行实验，达到了预期目的。选取了不同周期的波形，对改进的控制电路进行测试。测得数据显示其脉冲宽度可以达到1-120us，脉冲间隔比可以达到，满足机床的本身加工要求。

通过用示波器观察脉宽的调节范围为1us ~120us，脉间脉宽之比为ti: tj=1:1~1:15。这对于电火花加工来说，基本满足了其普通加工要求。从实验测得的数据可知，从周期调试过程中，占空比则控制在717%至2418%。

4 结束语

改进电路所测得的脉冲宽度、脉冲间隔均能在较宽的范围内调节，能满足不同的加工工艺要求。通过观察输出的电流波形，输出的控制信号稳定、波形振动小，前后沿陡峭，并可以实现对脉间脉宽进行数字调节，这对于提高机床的加工效率和加工质量起到了重要的作用。

另外，由于改进的控制电路采用数码显示，大大地提高了电火花线切割机床的智能化水平。本设计特别适合中小型企业，资金投入极少，并且机床加工也能满足工艺要求。

本文编自《电气技术》，标题为“基于STC89C52RC控制的线切割高频电源设计”，作者为李传伟、唐镜。

MSO管学习总结：原理、参数、发热情况及常见型号

【N型/P型MOS管 原理】

MOS管是由加在输入端栅极的电压来控制输出端漏极的电流。MOS管是压控器件，它通过加在栅极上的电压控制器件的特性，不会发生像三极管做开关时的因基极电流引起的电荷存储效应，因此在开关应用中，MOS管的开关速度应该比三极管快。

【图1 MOS管的工作原理】

我们在开关电源中常用MOS管的漏极开路电路，如图2漏极原封不动地接负载，叫开路漏极，开路漏极电路中不管负载接多高的电压，都能够接通和关断负载电流。是理想的模拟开关器件。这就是MOS管做开关器件的原理。当然MOS管做开关使用的电路形式比较多了。

在开关电源应用方面，这种应用需要MOS管定期导通和关断。比如，DC-DC电源中常用的基本降压转换器依赖两个MOS管来执行开关功能，这些开关交替在电感里存储能量，然后把能量释放给负载。我们常选择数百kHz乃至1MHz以上的频率，因为频率越高，磁性元件可以更小更轻。

在正常工作期间，MOS管只相当于一个导体。因此，我们电路或者电源设计人员最关心的是MOS的最小传导损耗。

n沟道mos管

p沟道mos管

【参数】

MOS管的PDF参数：RDS(ON)参数来定义导通阻抗，对开关应用来说，RDS(ON)也是最重要的器件特性。

数据手册定义RDS(ON)与栅极(或驱动)电压VGS以及流经开关的电流有关，但对于充分的栅极驱动，RDS(ON)是一个相对静态参数。一直处于导通的MOS管很容易发热。另外，慢慢升高的结温也会导致RDS(ON)的增加。MOS管数据手册规定了热阻抗参数，其定义为MOS管封装的半导体结散热能力。RθJC的最简单的定义是结到管壳的热阻抗。

【发热情况】

1.电路设计的问题，就是让MOS管工作在线性的工作状态，而不是在开关状态。这也是导致MOS管发热的一个原因。如果N-MOS做开关，G级电压要比电源高几V，才能完全导通，P-MOS则相反。没有完全打开而压降过大造成功率消耗，等效直流阻抗比较大，压降增大，所以U*I也增大，损耗就意味着发热。这是设计电路的最忌讳的错误。

2.频率太高，主要是有时过分追求体积，导致频率提高，MOS管上的损耗增大了，所以发热也加大了。

3.没有做好足够的散热设计，电流太高，MOS管标称的电流值，一般需要良好的散热才能达到。所以ID小于最大电流，也可能发热严重，需要足够的辅助散热片。

4.MOS管的选型有误，对功率判断有误，MOS管内阻没有充分考虑，导致开关阻抗增大。

【常见型号】

型号 电压/电流 封装

2N7000 60V,0.115A TO-92

2N7002 60V,0.2A SOT-23

IRF510A 100V,5.6A TO-220

IRF520A 100V,9.2A TO-220

IRF530A 100V,14A TO-220

IRF540A 100V,28A TO-220

IRF610A 200V,3.3A TO-220

IRF620A 200V,5A TO-220

IRF630A 200V,9A TO-220

IRF634A 250V,8.1A TO-220

IRF640A 200V,18A TO-220

IRF644A 250V,14A TO-220

IRF650A 200V,28A TO-220

IRF654A 250V,21A TO-220

IRF720A 400V,3.3A TO-220

IRF730A 400V,5.5A TO-220

IRF740A 400V,10A TO-220

IRF750A 400V,15A TO-220

IRF820A 500V,2.5A TO-220

IRF830A 500V,4.5A TO-220

IRF840A 500V,8A TO-220

IRFP150A 100V,43A TO-3P

IRFP250A 200V,32A TO-3P

IRFP450A 500V,14A TO-3P

IRFR024A 60V,15A D-PAK

IRFR120A 100V,8.4A D-PAK

IRFR214A 250V,2.2A D-PAK

IRFR220A 200V,4.6A D-PAK

IRFR224A 250V,3.8A D-PAK

IRFR310A 400V,1.7A D-PAK

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