一种中走丝脉冲电源的放电周期内均流控制方法技术

本发明专利技术公开了一种中走丝脉冲电源的放电周期内均流控制方法，包括采样电路、FPGA及主功率电路。中走丝电火花线切割一般以“一割多修”方式进行加工，本发明专利技术针对“割一”方式进行设计。第一刀加工时主电路上管及切断管导通，电压加在间隙两端，FPGA检测间隙击穿后，控制四路电路同时导通，当上升到设定的电流阈值时，通过对四路交错导通顺序进行控制，当完成单个加工放电周期时，四路同时关断。本发明专利技术实现了对一次加工四路电路导通顺序控制和各段时间内电路平均加工电流均衡，达到电流精确控制，减小纹波，防止单路过热，保证工件表面光洁度及电源运行稳定，进而提高工件表面质量及电源长时间加工稳定性，数字控制均流，降低成本节约空间。节约空间。节约空间。

【技术实现步骤摘要】
一种中走丝脉冲电源的放电周期内均流控制方法


[0001]本专利技术属于电火花线切割、成形电火花等场合加工用高频脉冲电源电流控制领域， 特别是涉及一种高速往复走丝(中走丝)脉冲电源的新型均流控制方法。

技术介绍

[0002]电火花加工是目前应用最为广泛的非传统加工方式之一，其原理是在一定的工作液 中，通过在电极丝和工件间施加连续高频脉冲，形成火花放电通道，对金属材料进行熔 化、气化蚀除加工。为解决更高加工效率与加工表面质量之间的矛盾，具有多次切割功 能的往复走丝电火花线切割，即“中走丝”加工技术已获得普遍认可，为进一步推动线 切割加工技术的发展提供了新的研究思路和方法。
[0003]对被加工的材料种类，加工后工件表面精度，持续加工时长，加工效率等都有了较 高的要求，而现有加工机床使用的的脉冲电源大部分仍采用电阻式，无法控制电流，能 量损耗严重，因此现已有的传统的机械加工方式已经很难满足上诉要求。随着电力电子 技术的发展，目前已有学者将Buck变换器应用于电火花脉冲电源中，用Buck变换器的 储能电感代替阻式脉冲电源的电阻，同时实现节能和加工过程中电流可控。同时为减小 电流纹波，提高加工电流可控性，已有学者使用四路Buck变换器交错并联构成新式电 火花脉冲电源。但是实际加工中会出现某路Buck变换器发热较其它几路Buck变换器更 为严重的情况，这会影响脉冲电源持续加工时长和长时间加工稳定性，这是由各路Buck 变换器流过电流不均所造成的，为解决这个问题，本专利技术提出了一种中走丝脉冲电源的 新型均流控制方法。r/>
技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种中走丝脉冲电源的新型均流控制方法，为电火花脉冲电 源的长时间稳定加工提供保障。
[0005]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种中走丝脉冲电源的新型均流控制方法，包 括主功率电路、电压和电流检测电路、FPGA控制电路、驱动电路以及切换电路，所述的 主功率电路用于电火花线切割一次加工中；所述电压和电流检测电路用于检测与采集间 隙电压和间隙电流；所述的FPGA控制电路，基于计数器计时控制，通过调整PWM波顺 序，在单个放电加工周期内按一定规律循环往复产生开关管导通关断控制信号；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；
[0006]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、切断管Q
off
、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8；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D1、第二防回流二 极管D2、第三防回流二极管D3、第四防回流二极管D4。
[0007]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D1、第二防回流二极管D2、第三防回流二极管D3、第 四防回流二
极管D4的阳极相连并且第一防回流二极管D1、第二防回流二极管D2、第三防 回流二极管D3、第四防回流二极管D4的阴极与切断管Q
off
的漏极相连，切断管Q
off
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的连接点分别与第五开关管Q5、第六开关管 Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8的漏极相连，第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开 关管Q7、第八开关管Q8的源极接地。
[0008]进一步的，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、第 五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8和切断管Q
off
选用金属氧化 物半导体场效应晶体管。第一防回流二极管D1、第二防回流二极管D2、第三防回流二极 管D3、第四防回流二极管D4选用MBR40250TG型二极管，第一电感L1、第二电感L2、第 三电感L3、第四电感L4采用扁平铜导线电感。
[0009]所述电流检测电路采用电流检测芯片ACS732和两级运算放大器AD4084组合，电流 检测芯片ACS732接收间隙电流信号转换为电压信号，经过两级运算放大器AD4084转换 为FPGA模数转换模块可接受电压范围。
[0010]所述电压检测电路采用差分采样电路，通过差分采样间隙输出电压转换为FPGA模 数转换模块可接受电压范围。
[0011]所述FPGA数字控制电路采用AX515，模数转换模块选用ALINX9226，数字隔离芯片 选用ADUM1100。模数转换模块ALINX9226接收间隙电压电流模拟信号，转换为数字信号 传输给FPGA，FPGA生成相应PWM控制驱动芯片UCC21521。
[0012]一种中走丝脉冲电源的新型均流控制方法，基于上述中走丝脉冲电源，根据间隙电 压与间隙电流情况进行开关管导通与关断控制，通过控制开关管按一定规律循环往复导 通使得在单个放电加工周期内各路Buck变换器平均电流相等，具体步骤如下：
[0013]步骤1：根据加工材料和加工工件厚度，设置好脉冲电源的开关频率f
s
、输入电压 V1、电压采样频率k
v
、电流采样频率k
i
；
[0014]步骤2：在第一刀大功率切割时，选择电流波形为矩形波；
[0015]步骤3：根据开关频率f
s
和电流波形，确定施加脉冲的时间T
on
和消电离时间T
off
， 设置矩形波峰值电流I
set
；
[0016]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，使得间隙储能以最快的速率上升；
[0017]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V
gap
，大于短路 电压阈值V
short
，并且间隙电流大于击穿电流阈值I
gap
时，说明间隙已经被击穿，此时引 入均流控制策略，FPGA生成PWM信号，经驱动芯片控制第一开关管Q1、第二开关管Q2、 第三开关管Q3、第四开关管Q4继续同时导通，当间隙电流上升到I
set
后，按1、2、3、4； 2、3、4、1；3、4、1、2
……
在均流时间内，上管导通时对应下管关断，上管关断时对 应下管关断，如此规律循环往复控制开关管交替导通，使得每路电路电流平均值相等。
[0018]步骤6：电流放电完成后，进行消电离；
[0019]步骤7：重复步骤3
‑
6，进行下一个加工周期。
[0020]本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种中走丝脉冲电源的放电周期内均流控制方法，其特征在于包括主功率电路、电压检测电路、电流检测电路、FPGA数字控制电路；其中主功率电路用于直接控制加工电流；电流检测电路和电压检测电路用于实时检测一刀加工过程中间隙的电流和电压信号；FPGA数字控制电路用于间接控制加工电流，用于设定电流阈值，接收实时间隙电压电流信号进行数模转换，与给定阈值比较，输出PWM信号控制开关管导通关断。2.根据权利要求1所述的一种中走丝脉冲电源的放电周期内均流控制方法，其特征在于，所述脉冲电源主电路包括输入直流源(V
in
)，第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)、第五开关管(Q5)、第六开关管(Q6)、第七开关管(Q7)、第八开关管(Q8)、电感(L1、L2、L3、L4)，二极管(D1、D2、D3、D4)，切断管(Q
off
)，线缆寄生电感(L
p
)，所述开关管(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8)，电感(L1、L2、L3、L4)构成四路并联同步整流Buck电路，所述二极管(D1、D2、D3、D4)阳极接在靠近电感(L1、L2、L3、L4)的一端，阴极接在靠近输出侧的一端，所述开关管(Q
off
)串联在四路Buck电路与工件正极间，连接主功率电路和工件正极，所述电感(Lp)为四路Buck并联电路输出端与机床加工间隙相连接电缆所对应的寄生电感。3.根据权利要求1所述的一种中走丝脉冲电源的放电周期内均流控制方法，其特征在于，所述开关管(Q1)、采用Infineon公司的型号为IPP6R074C6的MOSFET，二极管D选用F1515S，电感L采用扁平铜导线电感。4.根据权利要求1所述的一种中走丝脉冲电源的放电周期内均流控制方法，其特征在于，所述电流检测电路采用电流检测芯片ACS732和两级运算放大器AD4084组合，电流检测芯片ACS732接收间隙电流信号转换为电压信号，经过两级运算放大器AD4084转换为模数转换模块可接受电压范围。5.根据权利要求1所述的一种中走丝脉冲电源的放电周期内均流控制方法，其特征在于，所述电压检测电路采用差分采样电路，转换为模数转换模块可接受电压范围。6.根据权利要求1所述的一种中走丝脉冲电源的放电周期内均流控制方法，其特征在于，所述FPGA数字控制电路采用AX515，模数转换模块选用ALINX9226；模数转换模块ALINX9226接收间隙电压电流模拟信号，转换为数字信号传输给FPGA，FPGA计算生成相应的PWM信号经驱动芯片到MOSFET开关管。7.根据权利要求1至6中任一项所述一种中走丝脉冲电源的放电周期内均流控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：根据第一刀加工需要，设置好脉冲电源的开关频率f
s
、输入电压V1、电压采样频率k
v
、电流采样频率k
i
，单个四路交错周期为t
j
，单路开通时间t
s
，单个交错周期内，相邻开通两路，前一路关断时刻和后一路导通时刻的间隔为t0；步骤二：以单个加工周期为例，第一刀加工开始时，FPGA数字控制电路输出PWM，控制第一开关管(Q1)、第三开关管(Q3)，第二开关管(Q2)，第四开关管(Q4)同时开通，切断管Q
off
开通，控制第五开关管(Q5)、第六开关管(Q6)，第七开关管(Q7)，第八开关管(Q8)关断，输入电压V1加在间隙两端，向间隙提供能量，以便间隙击穿；步骤三：间隙击穿后放电电流开始快速上升，当电流值上升至FPGA设置的电流阈值后，FPGA计数器1和计数器2从零开始计数，第一开关管(Q1)继续开通，第五开关管(Q5)关断，第一路电流继续上升，第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)关断，第六开关管(Q6)、第七开关管(Q7)、第八开关管(Q8)导通，第二、三、四路电流续流并下降；
步骤四：当F...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨飞，李玉坤，刘亚运，王新鹏，张建超，张开翔，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：