一种电火花脉冲电源的新型单周期控制方法技术

本发明专利技术公开了一种电火花脉冲电源的新型单周期非线性控制方法，根据加工场合和间隙负载特性，给出了全范围内的单周期电流控制核心算法，并对其使用泰勒公式进行展开得到最终的拟合算法。对输入电压信号、输出电压信号与间隙电流信号进行实时采样并送进FPGA进行计算得到占空比，输出PWM波控制开关管。本发明专利技术方法可以提高系统的动态响应性能，在电流上升阶段，计算得到的占空比几乎为1，使得间隙电流将以最快的速率上升，在加工过程中，往往会因为机床排屑不及时会发生短路情况，短路情况发生后，FPGA会根据采样得到的电压电流信号计算出的占空比较小，会起到保护作用。适用于电火花线切割、成形电火花加工、微细电火花加工等多种加工场合。

【技术实现步骤摘要】
一种电火花脉冲电源的新型单周期控制方法
本专利技术属于电火花线切割、成形电火花、微细电火花等多场合加工用高频脉冲电源控制领域，特别是涉及一种电火花脉冲电源的新型单周期控制方法。
技术介绍
目前，我国关键核心零部件自主制造能力不足，迫切需要高效率、高精度、高质量加工技术。电火花加工技术是通过可控电能在加工电极与加工工件之间形成火花放电通道，从而达到蚀除材料的功能，与传统的接触式机械加工相比，电火花加工可以用于加工高强度、高硬度、高脆性等特殊材料以及一些复杂型面的加工。电火花加工的本质上是通过控制电能蚀除材料的机械加工，单次放电等离子通道的能量变化，是决定加工效率和加工质量的关键。现有的脉冲电源的主电路拓扑有RC型脉冲电源、电阻型脉冲电源、Buck型脉冲电源，其中，RC型脉冲电源只能输出正弦波并且正弦波的峰值不可控，电阻型脉冲电源只能输出矩形波并且其峰值电流取决于电阻的大小，无法做到峰值连续可调，电力电子化无阻式的Buck脉冲电源与前两者相比，可以输出矩形波、阶梯波、梳状波等多种形式的电流波形并且输出电流峰值连续可调。但是，由于电火花加工单本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电火花加工脉冲电源，其特征在于，包括大功率加工电路、检测电路、控制电路和驱动电路，所述的大功率加工电路用于电火花线切割、成形电火花加工的粗加工过程；所述的检测电路用于检测与采集间隙电压和间隙电流；所述的控制电路基于FPGA芯片实现全范围单周期电流控制算法，通过调整占空比控制电源输出电流值等于参考电流基准值；所述驱动电路用于对FPGA输出的控制信号进行放大，产生驱动信号驱动电路中的开关管的导通和关断；/n所述大功率加工电路包括第一开关管Q

【技术特征摘要】
1.一种电火花加工脉冲电源，其特征在于，包括大功率加工电路、检测电路、控制电路和驱动电路，所述的大功率加工电路用于电火花线切割、成形电火花加工的粗加工过程；所述的检测电路用于检测与采集间隙电压和间隙电流；所述的控制电路基于FPGA芯片实现全范围单周期电流控制算法，通过调整占空比控制电源输出电流值等于参考电流基准值；所述驱动电路用于对FPGA输出的控制信号进行放大，产生驱动信号驱动电路中的开关管的导通和关断；
所述大功率加工电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、大功率加工切换开关管QH、第一续流二极管D1、第二续流二极管D2、第三续流二极管D3、第四续流二极管D4、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第一防回流二极管DL1、第二防回流二极管DL2、第三防回流二极管DL3、第四防回流二极管DL4，其中第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4的漏极与输入电压源相连，源极分别与第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4相连，电感的另一端分别与第一防回流二极管DL1、第二防回流二极管DL2、第三防回流二极管DL3、第四防回流二极管DL4的阴极相连，第一续流二极管D1、第二续流二极管D2、第三续流二极管D3、第四续流二极管D4的阳极与大功率加工切换开关管QH的漏极相连，大功率加工切换开关管QH源极接工件，第一开关管Q1与第一电感L1，第二开关管Q2与第二电感L2，第三开关管Q3与第三电感L3，第四开关管Q4与第四电感L4的连接点分别与第一续流二极管D1、第二续流二极管D2、第三续流二极管D3、第四续流二极管D4的阳极相连，第一续流二极管D1、第二续流二极管D2、第三续流二极管D3、第四续流二极管D4的阴极接地。


2.根据权利要求1所述的电火花加工脉冲电源，其特征在于，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、大功率加工切换开关管QH选用金属氧化物半导体场效应晶体管。


3.根据权利要求1所述的电火花加工脉冲电源，其特征在于，所述控制电路采用FPGA和DSP共同构成的架构来实现。


4.一种电火花加工脉冲电源的新型单周期控制方法，其特征在于，基于权利要求1-3所述的电火花加工脉冲电源，根据间隙电压与间隙电流进行反馈闭环控制，通过控制开关管的占空比使得每一个开关频率内的间隙电流的平均值等于给定电流的参考值，具体步骤如下：
步骤1：根据加工场合和加工状态，设置好脉冲电源的开关频率fs、输入电压Vin、电压采样频率kv、电流采样频率ki；
步骤2：根据加工质量需求选择合适的电流波形，在大功率加工时选择矩形波，低电极损耗时选择阶梯波，高效率材料蚀除时选择梳状波；
步骤3：根据开关频率fs和电流波形，确定施加脉冲的时间Ton和消电离时间Toff，设置参考电流基准值iref；
步骤4：在施加脉冲阶段，控制第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4导通，使得间隙电压以最快的速率上升；
步骤5：实时采样间隙的电压信号和电流信号，分别进行AD转换得到间隙电压和间隙电流的数字信号，当检测到间隙电压发生陡降并且小于击穿电压阈值Vgap大于短路电压阈值Vshort，并且间隙电流大于击穿电流阈值Igap时，说明间隙已经被击穿，此时引入全范围的单周期电流闭环控制策略，先由FPGA根据采样周期起始的间隙电压Vd、间隙电流id_v以及选择的输入电压Vin与开关频率fs调整每个开关周期内的占空比大小：
D＝Vd/(2Vin)+fsL(iref-id_v)/(Vin-Vd)
然后通过驱动电路将生成的PWM信号送给第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4，使得输出电流在每个开关周期内的平均值等于参考电流基准值iref；
步骤6：电流放电完成后，进行消电离；
步骤7：重复步骤3～5，进行下一个加工周期。


5.根据权利要求4所述的电火花加工脉冲电源的新型单周期控制方法，其特征在于，矩形波加工时，具体过程如下：
步骤1：根据加工场合和加工状态，设置好脉冲电源的开关频率fs、输入电压Vin、电压采样频率kv、电流采样频率ki；
步骤2：根据开关频率fs和电流形式，确定施加脉冲的时间Ton和消电离时间Toff，设置参考电流基准值iref；
步骤3：在施加脉冲阶段，控制第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4导通，使得间隙电压以最快的速率上升；
步骤4：实时采样间隙的电压信号和电流信号，分别进行AD...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨飞，刘亚运，王韬，陈希岩，杨俊，刘伟涵，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32