CN108380988B - 一种电火花线切割脉冲电源及其控制方法 - Google Patents

一种电火花线切割脉冲电源及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电火花线切割脉冲电源及其控制方法。该电火花线切割脉冲电源包括交流电源、PFC变换器、DC/DC变换器、主电路、检测电路、驱动电路、控制电路和上位机，其中主电路采用三路交错并联Buck电路，向间隙提供单极性电压，所述Buck电路采用储能电感代替限流电阻。该电火花线切割脉冲电源的控制方法，将间隙电压和间隙电流的和作为反馈闭环控制的唯一控制量，进行反馈闭环控制。本发明提高了加工效率和系统开关频率，提升了系统动态响应能力，降低了对开关管的耐流要求，并且能够在保持放电频率一定的情况下，维持单次放电能量一致，实现高速、均匀的微细加工。

Description

一种电火花线切割脉冲电源及其控制方法
技术领域
本发明涉及高频脉冲电源，特别是涉及一种电火花线切割脉冲电源及基于该电源的控制方法。
背景技术
电火花线切割机床利用连续移动的细金属丝作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成型，不需要用机械力和机械能来切除。由于电火花线切割技术不受材料性能的限制，可以加工任何硬度、强度、脆性的材料，在现阶段的机械加工中占有很重要的地位。
电火花脉冲电源是线切割机床的核心部件。现有电火花脉冲电源一般有非独立式脉冲电源和独立式脉冲电源。非独立式脉冲电源通过调节放电电容的大小和加在其上的充电电压值，控制单次放电的最大能量。当采用小放电电容和低充电电压时，非独立脉冲电源可提供极低的放电能量，现仍广泛应用于中小功率电火花加工，但其存在加工效率低、放电能量一致性差等问题。独立式脉冲电源可以较好的控制脉冲时间、脉冲频率、放电电流等放电脉冲参数，进而控制放电能量和加工速度，现主要运用于中大功率电火花加工。然而随着被加工材料要求越来越高，对加工技术也提出了更高的要求。为了提高加工精度和工件表面质量，需尽量减小单次火花放电能量，并提高电源的动态响应；为了提高加工速度和材料去除率，在单次材料去除量较低的情况下，又需要提高火花放电的频率；同时为了提高系统效率，电路中不能含有消耗大量能量的限流电阻。现有的电火花脉冲电源很难同时满足以上要求。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种高效率高动态响应的电火花线切割脉冲电源及基于该电源的控制方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种电火花线切割脉冲电源，包括交流电源、PFC变换器、DC/DC变换器、主电路、检测电路、驱动电路、控制电路和上位机，其中交流电源输出交流电压，经过PFC变换器、DC/DC变换器后，输出可调直流电压给主电路供电；主电路采用三路交错并联Buck电路，向间隙提供单极性电压；检测电路采集PFC变换器、DC/DC变换器、主电路和间隙的电压与电流，输送给控制电路；控制电路输出控制信号，经驱动电路放大后，驱动PFC变换器、DC/DC变换器和主电路开关管的通断，以控制PFC变换器、DC/DC变换器、主电路和间隙的电压与电流；上位机与控制电路连接，通过实时通讯，将系统运行时的参数显示在人机交互界面，同时支持向控制电路传输控制指令，设定或调整系统运行参数。
基于上述电源的线切割加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、加工开始之前，根据加工场合和间隙负载特性，设置脉冲电源单次加工的时间ts、施加脉冲的时间tp、消电离时间toff、电压采样倍数kv、电流采样倍数ki、单次放电能量w和参考信号vref；
步骤2、在施加脉冲阶段，采样间隙的电压信号vd、电流信号id，分别进行AD转换得到间隙电压和间隙电流的数字信号；
步骤3、将间隙电压数字信号放大kv倍，将间隙电流数字信号放大ki倍，将放大后的电压和电流信号相加；
步骤4、对相加的结果进行闭环控制，使其与参考信号vref一致；
步骤5、电流放电完成后，进行消电离；
步骤6、重复步骤2-5，进行下一个加工周期。
在加工工程中若发生间隙电流过流，则断开开关管Qp结束加工。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明电火花线切割脉冲电源的功率回路采用储能电感代替限流电阻，提高了加工效率；2)本发明的电火花线切割脉冲电源采用三路交错并联Buck电路结构，等效提高了系统开关频率，提升了系统动态响应能力，降低了对开关管的耐流要求，提高脉冲电源的功率密度和可靠性；3)本发明控制方法能实时调整脉冲电压幅值、放电电流大小、放电持续时间和消电离时间，在保持放电频率一定的情况下，维持单次放电能量一致，实现高速、均匀的微细加工；4)本发明控制电路采用DSP+FPGA架构实现，采用数字控制的方法，控制精度高、控制参数可调、控制算法灵活，既满足一定的系统控制和计算要求，又保证较好的多信号逻辑处理能力和驱动速度。
附图说明
图1为本发明电火花线切割脉冲电源的系统架构图。
图2为本发明电火花线切割脉冲电源的主电路。
图3为本发明微细电火花脉冲电源放电波形控制示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方案作进一步详细描述。
如图1所示，电火花线切割脉冲电源包括交流电源、PFC变换器、DC/DC变换器、主电路、检测电路、驱动电路、控制电路和上位机，其中交流电源输出交流电压，经过PFC变换器、DC/DC变换器后，输出可调直流电压给主电路供电；主电路向间隙提供单极性电压；检测电路采集PFC变换器、DC/DC变换器、主电路和间隙的电压与电流，输送给控制电路；控制电路输出控制信号，经驱动电路放大后，驱动PFC变换器、DC/DC变换器和主电路开关管的通断，以控制PFC变换器、DC/DC变换器、主电路和间隙的电压与电流；上位机与控制电路连接，通过实时通讯，将系统运行时的参数显示在人机交互界面，同时支持向控制电路传输控制指令，设定或调整系统运行参数。
如图2所示，主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Qp、第五开关管Qoff、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管Dout和电容Cp，其中第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3组成三路交错并联Buck电路，第一路Buck电路包括第一功率开关管Q1、第一电感L1和第一功率二极管D1，第一功率开关管Q1和第一电感L1串联，第一功率二极管D1正极连接第一功率开关管Q1和第一电感L1串联点，负极接地；第二路Buck电路包括第二功率开关管Q2、第二电感L2和第二功率二极管D2，第三路Buck电路包括第三功率开关管Q3、第三电感L3以及第三功率二极管D3，三路交错并联Buck电路的一端通过第四开关管Qp连接主电路输入电源的正极和电容Cp，另一端通过第四二极管Dout连接间隙，所述间隙的另一端连接主电路输入电源的负极，在间隙的两端还并联消电离电路，所述电容Cp的另一端接地。
主电路中开关管选用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。基于不同半导体材料，目前工业界有不同耐压、不同工作频率、适用于不同功率场合的功率MOSFET可供选择。本发明兼容多种器件选型，不仅适用于传统的硅基MOSFET，还可以选用基于碳化硅、氮化镓半导体材料的新型宽禁带器件，以应用于粗加工、半精加工和微细加工三种电火花加工场合。宽禁带半导体材料被称为第三代半导体材料，其具有禁带宽度大，电子漂移饱和速度高、介电常数小、导电性能好的特点，适用于抗辐射、高频、大功率和高密度集成场合。传统硅基MOSFET选用Texas Instruments(TI)公司的型号为CSD19536KCS的100V、N通道功率MOSFET，其允许流过的最大脉冲电流幅值高达400A，可用在新型微细电火花脉冲电压低压大电流的中大功率、精度要求不高的电火花加工中。TI公司推出的600V、12A氮化镓芯片LMG3410，工作频率高达1MHz，可用在高频率、高耐压的小功率微细电火花精加工中。
要实现主电路的正常工作，必须有相应的检测电路、控制电路和驱动电路配合。本发明电流检测电路采用成熟的电流传感器来实现，可以选用的电流传感器型号如Allegro公司的型号为ACS730KLCTR-80AU-T的电流传感器，其可检测的最大电流为80A，检测灵敏度为50mV/A，带宽达1MHz，检测精度高，实现方便可靠。
控制电路由DSP和FPFA共同构成。通过间隙检测电路、电流检测电路等实时检测间隙的相关状态，并将检测值数模转换后传送给DSP+FPGA控制器，控制器根据当前间隙状态和设定的单次放电能量大小、放电电流脉宽等计算出单个周期内放电电流的幅值大小，并生成相应开关管的占空比，再通过驱动电路驱动主电路开关管工作。DSP也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速的实现各种数字信号处理算法。FPGA也称现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。在本发明中DSP为总控制芯片，型号为TMS320F28335，为TI公司的一款高性能32位浮点DSP处理器，分别配备一路低速AD和DA用于控制前级PFC变换器的输出，以及一路高速AD和DA用于控制DC-DC变换器输出。FPGA为高速执行器，型号为EP4CE15F23C8，为Altera公司Cyclone IV系列的高速处理器，其时钟频率高达472MHz，配备一路高速、高精度AD以及六路PWM输出。DSP和FPGA芯片之间集成实时通讯协议。
驱动电路为多路PWM型驱动。PWM也称脉冲宽度调制技术，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中，其控制简单、灵活、动态响应好，称为电力电子技术最广泛应用的控制方式。多路驱动信号由FPGA直接输出后接PWM驱动芯片，分别对应开关管Qp、Qoff、Q1、Q2、Q3。
基于图2中的主电路，电火花线切割脉冲电源的控制策略如图3所示，电火花线切割脉冲电源在引弧阶段对间隙两端的电压进行反馈闭环控制，在放电阶段对间隙的放电电流进行反馈闭环控制。本方法的控制难点在于电压控制和电流控制的切换问题，切换过程应该尽量短，动态响应尽量好才能保证能量放电的一致性和电火花加工的质量。
考虑到间隙在击穿前几乎没有放电电流，而在击穿后放电电压稳定在维持电压，本发明将间隙电压和间隙电流求和作为控制量。控制思路可用公式kvvd+kiid＝vref表示，其中kv为电压采样倍数，ki为电流采样倍数，vd和id分别为间隙电压和间隙电流，vref为给定的参考量。在间隙未击穿之前，间隙上流过的电流id约为0，则间隙电压vd根据控制公式稳定在vref/kv；间隙击穿之后，间隙电压vd稳定在维持电压Vh，则间隙电流根据控制公式稳定在(vref-kvVh)/ki。
单个加工周期内的放电能量为间隙击穿后的维持电压Vh和间隙放电电流id乘积对放电时间的积分，如果采用闭环控制的微细电火花脉冲电源的稳态和动态性能足够好，则在电流放电阶段内维持电压Vh和间隙放电电流id的稳态值几乎不变，单加工周期放电能量可表示为(vref-kvVh)tonVh/ki，可调节vref、ton、kv、ki等参数使得每个周期的放电能量保持相同，实现高效、高动态响应的恒能量控制。
综上所述，本发明提出的电火花线切割脉冲电源的控制方法，将间隙电压和间隙电流的和作为反馈闭环控制的唯一控制量，进行反馈闭环控制，具体包括如下步骤：
步骤1：加工开始之前，根据加工场合和间隙负载特性，设置脉冲电源单次加工的时间ts、施加脉冲的时间tp、消电离时间toff、电压采样倍数kv、电流采样倍数ki、单次放电能量w，参考信号vref；
步骤2、在施加脉冲阶段，采样间隙的电压信号vd、电流信号id，分别进行AD转换得到间隙电压和间隙电流的数字信号；将间隙电压数字信号放大kv倍，将间隙电流数字信号放大ki倍，将放大后的电压和电流信号相加；对相加的结果进行闭环控制，使其与参考信号vref一致；
步骤3：电流放电完成后，进行消电离；
步骤4：重复步骤2-3，进行下一个加工周期。

Claims (7)

1.一种电火花线切割脉冲电源，其特征在于，包括交流电源、PFC变换器、DC/DC变换器、主电路、检测电路、驱动电路、控制电路和上位机，其中交流电源输出交流电压，经过PFC变换器、DC/DC变换器后，输出可调直流电压给主电路供电；主电路采用三路交错并联Buck电路，向间隙提供单极性电压；检测电路采集PFC变换器、DC/DC变换器、主电路和间隙的电压与电流，输送给控制电路；控制电路输出控制信号，经驱动电路放大后，驱动PFC变换器、DC/DC变换器和主电路开关管的通断，以控制PFC变换器、DC/DC变换器、主电路和间隙的电压与电流；上位机与控制电路连接，通过实时通讯，将系统运行时的参数显示在人机交互界面，同时支持向控制电路传输控制指令，设定或调整系统运行参数；
所述主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Qp、第五开关管Qoff、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管Dout和电容Cp，其中第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3组成三路交错并联Buck电路，三路交错并联Buck电路的一端通过第四开关管Qp连接主电路输入电源的正极和电容Cp，另一端通过第四二极管Dout连接间隙，所述间隙的另一端连接主电路输入电源的负极，在间隙的两端还并联消电离电路，所述电容Cp的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的电火花线切割脉冲电源，其特征在于，所述第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3采用独立式电感、集成电感、耦合电感中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的电火花线切割脉冲电源，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Qp、第五开关管Qoff选择金属氧化物半导体场效应晶体管，其材料为Si、SiC或GaN。
4.根据权利要求1所述的电火花线切割脉冲电源，其特征在于，所述控制电路采用DSP和FPGA共同构成的控制架构。
5.根据权利要求1所述的电火花线切割脉冲电源，其特征在于，所述驱动电路采用多路PWM型驱动。
6.根据权利要求1-5任一项所述电源的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、加工开始之前，根据加工场合和间隙负载特性，设置脉冲电源单次加工的时间ts、施加脉冲的时间tp、消电离时间toff、电压采样倍数kv、电流采样倍数ki、单次放电能量w和参考信号vref；
步骤2、在施加脉冲阶段，采样间隙的电压信号vd、电流信号id，分别进行AD转换得到间隙电压和间隙电流的数字信号；将间隙电压数字信号放大kv倍，将间隙电流数字信号放大ki倍，将放大后的电压和电流信号相加；对相加的结果进行闭环控制，使其与参考信号vref一致；
步骤3、电流放电完成后，进行消电离；
步骤4、重复步骤2-3，进行下一个加工周期。
7.根据权利要求6所述的线切割加工方法，其特征在于，在加工工程中，若发生间隙电流过流，则断开第四开关管Qp结束加工。
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