CN107052481B - 一种多路并联交叉循环驱动的高频微能电加工脉冲电源 - Google Patents

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    • B23H1/022—Electric circuits specially adapted therefor, e.g. power supply, control, preventing short circuits or other abnormal discharges for shaping the discharge pulse train

Abstract

本发明提供一种多路并联交叉循环驱动的高频微能电加工脉冲电源，所述的电源中的功率控制单元包括多路放电通路，每一路放电通路由金属‑氧化物半导体场效应晶体管与限流电阻模块串联，所述限流电阻模块由多个限流电阻分别与开关串联后并联构成，所述功率控制单元的金属‑氧化物半导体场效应晶体管的漏极并联端接供电单元正极，所述功率控制单元的另一端各路分别对应接限流通道单元的一端和泄流通道单元的一端；所述控制驱动单元中的所述现场可编程门阵列输出多路分别接功率控制单元的多个金属‑氧化物半导体场效应晶体管的栅极和泄流通道单元的各个控制端。本发明能够实现高频脉冲放电。

Description

一种多路并联交叉循环驱动的高频微能电加工脉冲电源
技术领域
本发明涉及脉冲电源，尤其是涉及用于微细电加工的高频微能脉冲电源，具体地说是一种多路并联交叉循环驱动控制输出的高频微能脉冲电源。
背景技术
随着制造业的发展，特别是在航空制造和电子领域，微型机械的需求越来越大，促使了微细电火花加工技术的产生和发展。脉冲电源作为微细电火花加工机床的重要组成部分，作用是在工具电极和工件之间产生脉冲放电，供给放电间隙所需的能量，产生高温、高压融化和气化金属。
相关研究表明，每次放电的金属去除量与单个脉冲放电的能量有关，单脉冲能量一般约在10-7~10-6J量级。同时采用小而可控的单个脉冲放电能量，更容易获得好的加工效果。研究表明，要减少单个脉冲放电的能量有3种途径：降低放电电压，减少放电电流，减小脉冲宽度。在微细电火花加工领域，独立式脉冲电源因具有脉冲参数容易调节、脉冲波形好和易于实现自适应控制等优点而得到广泛应用。应用独立式脉冲电源进行电火花加工时需要有一定的维持电压，因此放电电压不能过低，比较理想的办法就是减小脉冲宽度。另外，微能脉冲电源由于其单脉冲能量较小，为了保证良好的加工效率，需要提高其脉冲放电频率。因此，理想的用于微细电加工的脉冲电源应能够产生微能且高频的放电脉冲。
金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）常被用作电加工脉冲电源中的开关器件，但是受到电子元器件开关速度性能和设计原理的束缚，在提高脉冲电源频率上受到限制。发明专利CN103433577B公开了一种应用于电火花放电加工的脉冲电源，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，但是该发明未有提及可以实现多窄的放电脉宽，同时对放电脉冲频率也未提及。发明专利CN101579761B公开了一种两级限脉宽的精密放电加工脉冲电源，通过高频反相驱动两级场效应管，分别控制输出放电脉冲的上升沿和下降沿，实现两级限脉宽，限制输出脉宽最小达到60ns，从而输出微能放电脉冲，但是该发明同样未提及可以实现多大的放电脉冲频率。因此，提升微能脉冲电源的放电频率是非常有必要的，要设计具有更高频率的微能脉冲电源，采用新的设计理念是关键。
发明内容
为了克服现有电加工微能脉冲电源放电频率不高的问题，本发明提供了一种多路并联交叉循环驱动控制输出的高频微能脉冲电源。该高频微能脉冲电源不仅能产生窄脉宽微能脉冲，而且可以实现高频的脉冲放电。
本发明的多路并联交叉循环驱动控制输出的高频微能脉冲电源设有供电单元、控制驱动单元、功率控制单元、限流通道单元、泄流通道单元、检测单元、加工正极、加工负极：所述功率控制单元包括多路放电通路，每一路放电通路由金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）与限流电阻模块串联，所述限流电阻模块由多个限流电阻分别与开关串联后并联构成，所述功率控制单元的MOSFET漏极（D极）并联端接供电单元正极，所述功率控制单元的另一端各路分别对应接限流通道单元中的三路限流通道的一端和泄流通道单元的一端；所述控制驱动单元包括工控机、单片机、现场可编程门阵列（FPGA），所述FPGA输出多路分别接功率控制单元的多个MOSFET栅极（G极）和泄流通道单元的各个控制端；所述限流通道单元中的三路限流通道的另一端并联后接加工正极；所述泄流通道单元另一端接供电单元负极；所述检测单元接在加工正极和加工负极的两端，输出端接单片机；所述加工负极接供电单元负极。
所述控制驱动单元中单片机接受来自工控机的脉冲电源参数设置，为FPGA设置电源参数，发送脉宽、脉间、限流电阻选择开关控制指令；接收AD采样芯片传回的检测数据完成极间状态检测判断，并将判断结果发送给工控机。
本发明产生纳秒级微能脉冲所采用的技术方案是：使用FPGA产生脉宽与脉间可调的控制脉冲，控制MOSFET高速通断，使其在加工正极和加工负极之间产生纳秒级脉宽的微能脉冲。
本发明实现高频放电脉冲所采用的技术方案是：放电采用MOSFET多路并联的形式，通过FPGA的交叉循环驱动控制，使各路MOSFET交替放电，从而提高放电频率，获得高频的微能脉冲。
本发明突破了现有微细电加工的脉冲频率受电子元器件性能束缚的极限，使现有微细电火花加工窄脉宽脉冲的占空比从常见的1:10增大1倍以上，实现了60ns/3MHz的微细电火花加工放电脉冲输出，达到国内公开报道的微能电加工窄脉宽脉冲的最高频率。本发明组成简单，具有易获得、易控制、稳定性高等优点。本发明有利于进一步提高微细电加工的极限加工精度、综合加工效率与微能放电状态的判断准确性。
附图说明
图1为本发明实施例的电路原理图。
具体实施方式
下面结合图示对本发明的实施例作详细说明，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
本发明的一个具体实施例用于多路并联交叉循环驱动的高频微能电加工脉冲电源实现的技术参数如下：
脉冲宽度最低达到60ns；脉冲频率最高可达3MHz；
根据本发明的用于电加工的高频微能脉冲电源装置在脉冲频率的优异表现，使现有电加工窄脉冲的占空比从常见的1：10增大1倍以上，达到国内公开报道的微能电加工窄脉宽的最高频率。
图1为本发明实施例的电路原理图，从图1可以看出，本发明实施例设有供电单元1、控制驱动单元2、功率控制单元3、限流通道单元4、泄流通道单元5、检测单元6、加工正极7、加工负极8。所述功率控制单元3包括三路放电通路，每一路放电通路由金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）与限流电阻模块串联，所述限流电阻模块由三个限流电阻分别与开关串联后并联构成，所述功率控制单元3的MOSFET漏极（D极）并联端接供电单元1正极，所述功率控制单元3的另一端各路分别对应接限流通道单元4中的三路限流通道的一端和泄流通道单元5的一端；所述控制驱动单元2包括工控机、单片机、现场可编程门阵列（FPGA），所述FPGA输出多路分别接功率控制单元3的多个MOSFET栅极（G极）和泄流通道单元5的各个控制端；所述限流通道单元4中的三路限流通道的另一端并联后接加工正极7；所述泄流通道单元5另一端接供电单元1负极；所述检测单元6接在加工正极7和加工负极8的两端，输出端接单片机；所述加工负极8接供电单元1负极。
所述功率控制单元3包括MOSFET管Q1、MOSFET管Q2、MOSFET管Q3；限流电阻R1、限流电阻R2、限流电阻R3、限流电阻R4、限流电阻R5、限流电阻R6、限流电阻R7、限流电阻R8、限流电阻R9；开关K1、开关K2、开关K3、开关K4、开关K5、开关K6、开关K7、开关K8、开关K9。
所述限流通道单元4包括限流通道1、限流通道2、限流通道3。
所述泄流通道单元5包括泄流通道1、泄流通道2、泄流通道3。
所述检测单元6包括电位器和AD采样芯片。
FPGA的控制信号为驱动1+、驱动2+、驱动3+、驱动1-、驱动2-、驱动3-。
本发明实施例中驱动1+、驱动2+和驱动3+形式相同，相位不同；驱动1-、驱动2-和驱动3-形式相同，相位不同。以保证各放电通路的一致性。
本发明实施例中限流电阻R1、R4、R7为相同电阻，限流电阻R2、R5、R8为相同电阻，限流电阻R3、R6、R8为相同电阻，开关K1、K4、K7状态相同，开关K2、K5、K8状态相同，开关K3、K6、K9状态相同，以保证各放电通路的一致性。
以下给出本发明的使用方法：
1. 通过对FPGA编程，使其按照所需脉宽（如60ns）产生控制信号，通过MOSFET的栅极，控制其高速通断，产生所需脉宽的脉冲。
2. 通过对FPGA编程，使其按照所需频率（如3MHz）产生多路差动的控制信号，例如：
a) 控制信号驱动1+控制Q1开通时，此时Q2和Q3处于关断状态，Q1所在放电通路通过限流通道1进行放电，控制信号驱动1+控制Q1关断时，同时控制信号驱动1-控制泄流通道1的打开，使Q1所在放电通路通过泄流通道1进行泄流，此时Q2和Q3仍然处于关断状态，驱动1-在Q1泄流完成后控制泄流通道1的关闭。
b) 至Q1关断一定时间t后。
c)控制信号驱动2+控制Q2开通时，此时Q1和Q3处于关断状态，Q2所在放电通路通过限流通道2进行放电，控制信号驱动2+控制Q2关断时，同时控制信号驱动2-控制泄流通道2的打开，使Q2所在放电通路通过泄流通道2进行泄流，此时Q1和Q3仍然处于关断状态，驱动2-在Q2泄流完成后控制泄流通道2的关闭，。
d) 至Q2关断一定时间t后。
e)控制信号驱动3+控制Q3开通时，此时Q1和Q2处于关断状态，Q3所在放电通路通过限流通道3进行放电，控制信号驱动3+控制Q3关断时，同时控制信号驱动3-控制泄流通道3的打开，使Q3所在放电通路通过泄流通道3进行泄流，此时Q1和Q2仍然处于关断状态，驱动3-在Q3泄流完成后控制泄流通道3的关闭。
f)至Q3关断一定时间t后，继续a）从而完成连续的脉冲放电过程
3. 通过对FPGA的编程，可以实现对开关K1，开关K2，开关K3，开关K4，开关K5，开关K6，开关K7，开关K8，开关K9的控制，从而可以实现对限流电阻R1、限流电阻R2、限流电阻R3、限流电阻R4、限流电阻R5、限流电阻R6、限流电阻R7、限流电阻R8、限流电阻R9的选择。
4. 通过对单片机的编程可以处理来自检测单元6的数据，从而完成对加工正极与加工负极之间放电状态的检测和判断。
5. 通过对上位机和单片机的编程，可以实现对放电参数脉宽、频率等的设置，并通过串口通信传递给FPGA。
本发明实施例中，在一个MOSFET如Q1关断泄流的过程中，已经控制打开了Q2产生放电，因此避免了单个MOSFET由于关断泄流时间较长对放电频率的限制，采用多路MOSFET并联交替放电的形式实现了高频放电。
本发明的描述中，“多个”，“多路”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“接”指的是电连接。可以是两个元件的内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。

Claims (1)

1.一种多路并联交叉循环驱动的高频微能电加工脉冲电源，其特征在于：所述的电源含有供电单元（1）、控制驱动单元（2）、功率控制单元（3）、限流通道单元（4）、泄流通道单元（5）、检测单元（6）、加工正极（7）、加工负极（8）：所述功率控制单元（3）包括多路放电通路，每一路放电通路由金属-氧化物半导体场效应晶体管与限流电阻模块串联，所述限流电阻模块由多个限流电阻分别与开关串联后并联构成，所述功率控制单元（3）的金属-氧化物半导体场效应晶体管的漏极并联端接供电单元（1）正极，所述功率控制单元（3）的另一端各路分别对应接限流通道单元（4）中的三路限流通道的一端和泄流通道单元（5）的一端；所述控制驱动单元（2）包括工控机、单片机、现场可编程门阵列，所述现场可编程门阵列输出多路分别接功率控制单元（3）的多个金属-氧化物半导体场效应晶体管的栅极和泄流通道单元（5）的各个控制端；所述限流通道单元（4）中的三路限流通道的另一端并联后接加工正极（7）；所述泄流通道单元（5）另一端接供电单元（1）负极；所述检测单元（6）接在加工正极（7）和加工负极（8）的两端，输出端接单片机；所述加工负极（8）接供电单元（1）负极。
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