CN103990871B - 一种用于电火花加工的纳秒级脉宽脉冲电源 - Google Patents

Abstract

一种用于电火花加工的纳秒级脉宽脉冲电源，涉及脉冲电源。设有单片机、上路数字电位器控制总线、上路电容多路选通模块控制总线、阶跃信号传输线、下路数字电位器控制总线、下路电容多路选通模块控制总线、上路数字电位器、下路数字电位器、上路电容多路选通模块、下路电容多路选通模块、上路光电隔离器件、下路光电隔离器件、上路开关管驱动器、下路开关管驱动器、限流电阻、上路开关管、下路开关管、放电间隙、直流电源。单片机对数字电位器和多路选通器进行控制，以达到需要的脉冲和脉间宽度。脉冲宽度由RC充电电路延时控制，脉间则由单片机产生阶跃信号的间隔时间决定，间隔时间越长，脉间越长。低成本、易获得、易控制、应用范围广。

Description

一种用于电火花加工的纳秒级脉宽脉冲电源

技术领域

本发明涉及脉冲电源，尤其是涉及一种用于电火花加工的纳秒级脉宽脉冲电源。

背景技术

作为电火花加工机床的主要组成部分———脉冲电源提供击穿加工介质所需要的电压，并在间隙击穿后提供能量以蚀除金属。它是影响加工工艺指标关键的设备之一，其性能的优劣直接影响放电加工的速度、精度、稳定性、工件表面粗糙度以及电极耐加工性，同时也是产品升级换代的标志。

传统形式的电火花加工脉冲电源，如：弛张式RC脉冲电源、可控硅脉冲电源等虽然在某些场合有应用，但是已经不能完全满足加工的一些要求。随着电力电子技术、计算机控制技术的发展以及现代控制理论的不断丰富，电火花加工脉冲电源技术也得到了很大的发展，出现了许多新型的脉冲电源和新的发展趋势。目前针对电火花加工脉冲电源主要有以下几个研究趋势：节能式脉冲电源；超精加工、微细加工脉冲电源；智能化脉冲电源；无电解脉冲电源；毫微秒级高峰值电流脉冲电源；专用辅助脉冲电源等。

目前利用功率电子器件开发出的脉冲电源有些已成功应用于电解加工，并大大提高了电解加工的加工精度。现主要有以下几种：

1)SCR斩波脉冲电源

2)GTO斩波脉冲电源

3)MOSFET斩波脉冲电源

由于开关管器件本身的具有开通比关断快的特点，所以利用功率电子器件来产生脉冲，大都选用斩波的方式，利用上下两路开关管的开通时间差来实现窄脉冲，应用斩波的方式，根据开关管本身的特性，会比开关管开通然后自身关短的方式快至少一个数量级。

而斩波方式的实现，需要产生时间差很短的两路阶跃信号，因此必须使用频率较高的主控芯片，如DSP，FPGA,CPLD等，在应用这些芯片的实现方式中，电路都相对比较复杂，并且要达到纳秒级的脉宽，至少在主控芯片上面就需要付出很高的成本。

中国专利CN101318240公开一种数控电火花线切割加工等能量脉冲电源，该脉冲电源由主振电路、驱动回路、检测回路、直流电源以及功率放大回路组成，所述检测回路用于实时在线检测间隙放电状态，并将击穿时的空载信号作为主振回路的延时信号，通过控制第一功率开关管(T1)的开、断时间，使大电流火花放电的加工电流脉宽相等，实现等能量加工；通过控制交流接触器(KM)的切换实现粗、精加工。

中国专利CN103433577A公开一种应用于电火花放电加工的脉冲电源，包括一主振回路，第一驱动电路，第二驱动电路，第一功率放大电路，第二功率放大电路，以及直流电源，所述第一驱动电路和第一驱动电路分别控制所述第一功率放大电路和第二功率放大电路的开通和关断，所述第一功率放大电路与所述第二功率放大电路串联连接。所述第一功率放大电路的功率管开通时间与所述第二功率放大电路的功率管开通时间有交集，该交集的时间即为间隙放电的放电脉冲的脉冲宽度，任一功率放大电路的功率管关断时间为所述放电脉冲的间隙放电的脉冲间隔。该脉冲电源的在两组功率管的开通速度较慢的情况，可以得到间隙很窄的放电脉宽。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于电火花加工的纳秒级脉宽脉冲电源。

本发明设有单片机、上路数字电位器控制总线、上路电容多路选通模块控制总线、阶跃信号传输线、下路数字电位器控制总线、下路电容多路选通模块控制总线、上路数字电位器、下路数字电位器、上路电容多路选通模块(由电容组和多路选通器构成)、下路电容多路选通模块(由电容组和多路选通器构成)、上路光电隔离器件、下路光电隔离器件、上路开关管驱动器、下路开关管驱动器、限流电阻、上路开关管、下路开关管、放电间隙、直流电源；

所述单片机通过上路数字电位器控制总线、上路电容多路选通模块控制总线、下路数字电位器控制总线、下路电容多路选通模块控制总线分别与上下两路数字电位器和上下两路多路选通模块的控制引脚相连；单片机的阶跃信号输出端经阶跃信号传输线分别接上路数字电位器和下路数字电位器的电阻引脚，上路数字电位器的滑动端接分别与上路电容多路选通模块和上路光电隔离器件的输入端连接，下路数字电位器的滑动端接分别与下路电容多路选通模块和下路光电隔离器件的输入端连接；上路光电隔离器件的隔离后信号输出端与上路开关管驱动器的输入端连接，下路光电隔离器件的隔离后信号输出端与下路开关管驱动器的输入端连接；上路开关管驱动器的驱动信号输出端与上路开关管的输入端连接，下路开关管驱动器的驱动信号输出端与下路开关管的输入端连接；上路开关管的输出端通过限流电阻与直流电源连接，上路开关管与下路开关管连接，下路开关管与直流电源连接，上路开关管与直流电源之间为放电间隙。

本发明应用市面上成本最低的主控芯片---单片机，同样实现了斩波的功能，节约了芯片的大部分成本。本发明同样能够实现脉宽连续可调，通过数字电位器和多路选通器的应用，可以实现RC充电电路中的电阻值、电容值切换，从而精确地控制脉冲宽度。与高端芯片的方案一样，本发明同样能够实现上位机通过串行通信对单片机进行控制。

本发明通过对单片机编程或上位机可以通过串行通信向单片机发送指令，单片机对数字电位器和多路选通器进行控制，以达到需要的脉冲和脉间宽度。脉冲宽度由RC充电电路延时控制，脉间则由单片机产生阶跃信号的间隔时间决定，间隔时间越长，脉间越长。按照加工需要，若产生的脉宽用于小电流加工，则用Mosfet之类的器件，若需要实现大电流的控制，则只需选用大电流的开关管，如GTO，因此本发明也有很宽的应用范围。

本发明整个电路的构造相当简单，各种元器件在市面上也很容易买到，故具有低成本、易获得、易控制、应用范围广等优点。

本发明提供一种点火花加工用的纳秒级脉宽脉冲产生方法，可以产生脉宽可控的纳秒级脉冲。

本发明中数字电位器通过单片机的控制产生不同的电阻值，多路选通模块中，多路选通器通过单片机的控制，选通不通的通道，从而选择不同的电容值，通过不同的电阻和电容的组合，以获得RC充电电路不同的上升时间，信号经过隔离后，通过驱动器驱动后级的开关管，由于前级RC电路造成了上下两路驱动信号的时间差，最后信号到达开关管处，也就使上下两路开关管产生了导通的时间差，从而通过斩波的方式产生纳秒级脉宽的脉冲。

附图说明

图1为本发明实施例的电路组成示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明设有单片机1、上路数字电位器控制总线2、上路电容多路选通模块控制总线3、阶跃信号传输线4、下路数字电位器控制总线5、下路电容多路选通模块控制总线6、上路数字电位器7、下路数字电位器8、上路电容多路选通模块9(由电容组和多路选通器构成)、下路电容多路选通模块10(由电容组和多路选通器构成)、上路光电隔离器件11、下路光电隔离器件12、上路开关管驱动器13、下路开关管驱动器14、限流电阻15、上路开关管16、下路开关管17、放电间隙18、直流电源19。

所述单片机1通过上路数字电位器控制总线2、上路电容多路选通模块控制总线3、下路数字电位器控制总线5、下路电容多路选通模块控制总线6分别与上下两路数字电位器和上下两路多路选通模块的控制引脚相连；单片机1的阶跃信号输出端经阶跃信号传输线4分别接上路数字电位器7和下路数字电位器8的电阻引脚，上路数字电位器7的滑动端接分别与上路电容多路选通模块9和上路光电隔离器件11的输入端连接，下路数字电位器8的滑动端接分别与下路电容多路选通模块10和下路光电隔离器件12的输入端连接；上路光电隔离器件11的隔离后信号输出端与上路开关管驱动器13的输入端连接，下路光电隔离器件12的隔离后信号输出端与下路开关管驱动器14的输入端连接；上路开关管驱动器13的驱动信号输出端与上路开关管16的输入端连接，下路开关管驱动器14的驱动信号输出端与下路开关管17的输入端连接；上路开关管16的输出端通过限流电阻15与直流电源19连接，上路开关管16与下路开关管17连接，下路开关管17与直流电源19连接，上路开关管16与直流电源19之间为放电间隙18。

以下给出本发明的具体实施步骤：

1、通过对单片机1进行编程，按照所需要的脉宽，按照充电达到90％的时间能够驱动光电隔离器件，T≈2.3RC，根据公式中的R对两个数字电位器的电阻值进行修改，同时根据公式中的C控制电容多路选通模块，选择需要的电容值。然后根据加工需要的脉间宽度，设置阶跃信号的间隔时间(此步骤也可通过上位机来控制，即在上位机输入参数，通过串行通信的方式传给单片机)。

2、单片机通过一个I/O口产生稳定的阶跃信号，通过阶跃信号传输线4将阶跃信号传输至数字电位器的电阻引脚，当阶跃信号到达数字电位器与电容多路选通模块所构成的RC电路时，由于RC电路的时间常数不同，所以上下两路RC电路具有不同的充电时间，故两路信号产生时间差。

3、信号经过上路光电隔离器件11、下路光电隔离器件12、上路开关管驱动器13和下路开关管驱动器14之后，先后驱动上路开关管16和下路开关管17。

4、按照步骤1的设置，上路开关管16先导通，放电间隙18就有了电压，而后下路开关管17导通，放电间隙18的电压就降为零，这样，通过上路开关管16和下路开关管17的先后导通，以斩波的方式在放电间隙18处获得了所需要的纳秒级脉宽脉冲。

5、上路开关管16和下路开关管17都导通之后，单片机1将阶跃信号去除，此时，上路开关管16和下路开关管17又将恢复到关闭的状态。

6、根据步骤1设置的脉间，单片机1将在对应的间隔时间之后产生新的阶跃信号，继续加工。重复步骤2～5，这样便产生了脉宽脉间连续可调的纳秒级脉冲。

Claims (2)

1.一种用于电火花加工的纳秒级脉宽脉冲电源，设有上路开关管、下路开关管、放电间隙、直流电源，上路开关管的输出端通过限流电阻与直流电源连接，上路开关管与下路开关管连接，其特征在于还设有单片机、上路数字电位器控制总线、上路电容多路选通模块控制总线、阶跃信号传输线、下路数字电位器控制总线、下路电容多路选通模块控制总线、上路数字电位器、下路数字电位器、上路电容多路选通模块、下路电容多路选通模块、上路光电隔离器件、下路光电隔离器件、上路开关管驱动器、下路开关管驱动器、限流电阻；

所述单片机通过上路数字电位器控制总线、上路电容多路选通模块控制总线、下路数字电位器控制总线、下路电容多路选通模块控制总线分别与上下两路数字电位器和上下两路多路选通模块的控制引脚相连；单片机的阶跃信号输出端经阶跃信号传输线分别接上路数字电位器和下路数字电位器的电阻引脚，上路数字电位器的滑动端接分别与上路电容多路选通模块和上路光电隔离器件的输入端连接，下路数字电位器的滑动端接分别与下路电容多路选通模块和下路光电隔离器件的输入端连接；上路光电隔离器件的隔离后信号输出端与上路开关管驱动器的输入端连接，下路光电隔离器件的隔离后信号输出端与下路开关管驱动器的输入端连接；上路开关管驱动器的驱动信号输出端与上路开关管的输入端连接，下路开关管驱动器的驱动信号输出端与下路开关管的输入端连接；下路开关管与直流电源连接，上路开关管与直流电源之间为放电间隙。

2.如权利要求1所述一种用于电火花加工的纳秒级脉宽脉冲电源，其特征在于所述上路电容多路选通模块由电容组和多路选通器构成，所述下路电容多路选通模块由电容组和多路选通器构成。