CN108723531A - 电火花线切割脉间或脉宽pid控制恒电流概率脉冲电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电火花线切割脉间或脉宽PID控制恒电流概率脉冲电源，属于电火花线切割加工技术领域。它包括直流电源、驱动电路、功率放大电路、放电间隙、霍尔电流传感器、电流概率检测模块和控制模块，直流电源与驱动电路相连；驱动电路、功率放大电路、放电间隙、霍尔电流传感器、电流概率检测模块和控制模块依次相连形成一个回路；电流概率检测模块用于检测放电过程中电流大小，并与标准值进行比较；控制模块接收比较信号后计算出电流概率的大小，并以此为依据使用增量式PID的控制方法对脉间/脉宽大小进行控制，从而控制实时电流概率大小。该电源尤其适合切割半导体材料，能提高切割效率，实现半导体材料的稳定自动化切割。
Description
技术领域
本发明属于电火花线切割加工技术领域，涉及一种电火花线切割中电流概率的控制方法，尤其是一种电火花线切割脉间或脉宽PID控制恒电流概率脉冲电源。
背景技术
电火花线切割技术的基本工作原理是利用连续移动的细金属丝(称为电极丝)作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成型。其特点如下：
(1)加工中不存在显著的机械切削力，无论工件硬度和刚度如何，只要是导电或半导电的材料都能进行加工。但无法加工非金属导电材料。
(2)可以加工小孔和复杂形状零件，但无法加工盲孔。
(3)电极丝损耗小，加工精度高。
(4)加工时产生的切缝窄，金属蚀除量少，有利于材料的再利用。
半导体材料具有脆性高，断裂韧性低的性质，传统机械加工技术对硅材料加工难度比较大，容易发生崩坏、断裂等现象。电火花线切割具有能量高，无宏观应力等优点，加工过程中电极丝与工件无实际宏观接触，因此加工过程中硅晶体不易发生崩坏、断裂等现象。
为了进行正常切割，工件与电极丝在加工过程中需要保持一定的合理放电间隙。传统的控制伺服方法是通过检测工件与电极丝之间的平均电压大小来间接反应间隙的大小，主要有平均电压法和峰值电压检测法。
半导体在加工过程中具有体电阻和接触势垒，硅晶体在进行电火花线切割时，空载、正常放电、短路三种状态下的电压波形示意图如图5所示，短路状态下电压大小变化不大，传统伺服检测方法无法对极间放电状态进行准确有效的检测，导致传统伺服控制系统几乎完全失效，加工时需要人为对进给速度进行调节，形状精度及表面质量较差，无法实现加工的自动化。
申请号为201210441231.7的专利，公开了一种基于电流脉冲概率检测的电火花伺服控制方法，该方法可以通过检测电流概率的大小来替代检测电压大小来反应放电间隙的大小，可以实现半导体的稳定自动化加工。
实验证实，相同的进给速度情况下，脉间与电流概率的关系为正相关，脉宽与电流概率的关系为负相关。
发明内容
为解决一般线切割机床无法实现半导体的自动化稳定加工的问题，本发明提供一种应用于电火花线切割加工的基于电流概率检测的电火花线切割脉间或脉宽PID控制恒电流概率脉冲电源，采用该电源可以实现恒电流概率加工，提高加工稳定性。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
电火花线切割脉间或脉宽PID控制恒电流概率脉冲电源，它包括直流电源、驱动电路、功率放大电路、放电间隙、霍尔电流传感器、电流概率检测模块和控制模块，直流电源与驱动电路相连；驱动电路、功率放大电路、放电间隙、霍尔电流传感器、电流概率检测模块和控制模块依次相连形成一个回路；电流概率检测模块用于检测放电过程中电流大小，并与标准值进行比较；控制模块接收比较信号后计算出电流概率的大小，并以此为依据使用增量式PID的控制方法对脉间/脉宽大小进行控制，从而控制实时电流概率大小。
进一步地，控制模块发出的脉冲信号经驱动电路和功率放大电路放大后，输入至放电间隙以进行加工放电；霍尔元件传感器检测实时加工电流的大小，并将信号输入至电流概率检测模块；电流概率检测模块将实时电流与标准值相比较以判断加工状态，并将判断值输出至控制模块中，以此为根据计算出电流概率的大小，并根据电流概率的大小调节脉间/脉宽大小。
进一步地，电流概率检测模块通过6N137芯片进行光电隔离后，通过Lm319比较器对霍尔电流传感器采样得到电流信号进行比较以判断脉冲的类型。
进一步地，控制模块为ARM控制器，在其内通过编程完成电流信号的采样和电流概率的计算以及脉间/脉宽的PID控制。
进一步地，控制模块内设置电源的脉宽、脉间、MOS管数量以及目标放电概率的大小；
控制器接收采样电路的信号，并计算出一个采样周期内的电流概率大小，根据实时电流概率与目标电流概率的偏差，对脉间/脉宽进行PID控制。
有益效果：
1.本发明基于电流概率检测技术，克服了传统电火花线切割机床无法自动化切割半导体的困难。
2.本发明的恒电流概率脉冲电源，输出波形稳定，脉宽、脉间(占空比)以及MOS管数量均可调，并将检测电路与电源输出融为一体，可以实现脉间/脉宽的实时调节。
3.本发明的恒电流概率脉冲电源，可以直接应用于传统电火花线切割机床并用于切割半导体而不影响机床本身的伺服控制系统，能实现半导体材料稳定自动化切割，切割出的工件表面质量良好，无弯丝条纹。
4.本发明适用范围广，不仅适用于半导体材料，对于金属以及含有导电物质的非均质符合材料仍然适用。
附图说明
图1是本发明一实施例的电火花线切割脉宽PID控制恒电流概率脉冲电源的原理框图；
图2是本发明一实施例的驱动电路以及功率放大电路的电路原理图；
图3是本发明一实施例的电流概率控制流程图；
图4是本发明一实施例的电流概率检测模块的电路原理图；
图5是硅材料空载、正常放电、短路三种状态下的电压波形示意图；
图中：1-直流电源；2-驱动电路；3-功率放大电路；4-放电间隙；5-霍尔电流传感器；6-电流概率检测模块；7-控制模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本实施例提出了一种电火花线切割脉间或脉宽PID控制恒电流概率脉冲电源，以电流信号为采样信号，通过取样电路在采样周期内对电流脉冲进行采集计算获得电流概率的大小，其中，电流概率的大小指的是产生电流的脉冲个数占总脉冲个数的百分比；采用ARM或FPGA微处理器对电流概率进行存储和计算，将采样电流概率与设定的目标电流概率进行比较，计算二者偏差作为控制脉间/脉宽大小的依据，控制方法采用增量式PID控制脉间大小，其中，增量式PID是一种递推式的算法。该控制方法将前后两次被控制量做差，以差值来控制下一步的输出量。将两个时刻的控制量作差后，将积分运算简化成为累加运算，微分运算简化成为差分运算，并且被控制量的增量Δu[n]的大小仅仅和最近三次的采样值有关。
偏差可以根据下式求得：
偏差＝采样电流概率-设定的电流概率
控制量公式为：Δu[n]＝Kp{e[n]-e[n-1]}+Kie[n]+Kd{e[n]-2e[n-1]+e[n-2]}
式中，e[n]表示偏差。通过关系式对Kp、Ki、Kd三个参数进行整定以调节控制系统的响应特性，Kp的取值范围为0.2到0.6，Ki的取值范围为0.02到0.1，Kd的取值范围为0.1到0.3。
实验证实，匀速切割的情况下，脉间与电流概率的关系为正相关：当采样电流概率大于设定的电流概率，控制量为负值，减小脉间大小；当采样电流概率小于设定的电流概率，控制量为正值，增大脉间大小；达到控制电流概率维持在设定的目标电流概率附近的目的。匀速切割的情况下，脉宽与电流概率的关系为负相关：当采样电流概率大于设定的电流概率，控制量为正值，提高脉宽大小；当采样电流概率小于设定的电流概率，控制量为负值，降低脉宽大小；达到控制电流概率维持在设定的目标电流概率附近的目的；产生电流的脉冲，在加工半导体时包括正常放电脉冲和短路脉冲。
如图1所示，电火花线切割脉间PID控制恒电流概率脉冲电源包括直流电源1、驱动电路2、功率放大电路3、放电间隙4、霍尔电流传感器5、电流概率检测模块6和控制模块7，直流电源1的正极与驱动电路2相连；驱动电路2、功率放大电路3、放电间隙4、霍尔电流传感器5、电流概率检测模块6和控制模块7依次相连形成一个回路；功率放大电路3接+5V以及+12V两个直流电源，电流概率检测模块6接+5V直流电源，控制模块7接+5V直流电源；控制模块7输出四路脉冲信号至驱动电路2中，驱动电路2将脉冲信号进行光电隔离输出至功率放大电路3中，功率放大电路3输出峰值为150V的脉冲信号至放电间隙4，霍尔电流传感5检测加工过程中的实时电流，并将其转化为脉冲电压信号输出至电流概率检测模块6，该信号在电流概率检测模块6中经光电隔离后与标准0电压进行比较，比较信号随后输出至控制模块7中，在控制模块7中完成对脉冲信号的采样和电流概率大小的计算，并以电流概率的大小与目标概率的大小之间的偏差为依据，进行脉间/脉宽的PID调节，由此实现恒电流概率加工。
如图3所示，电流概率控制流程为：(1)开始，设定初始参数；(2)脉冲计数；(3)电流概率计算；(4)是否大于预设值；(5a)对脉宽大小进行控制：是则增大脉宽，否则减小脉宽，如图3(a)所示；(5b)对脉间大小进行控制：是则减小脉间，否则增大脉间，如图3(b)所示；(6)得到最终脉冲信号。
如图2所示，驱动电路2接收来自控制模块7(ARM)的脉冲信号，脉冲信号输入6N137光耦合器(P3)的2端，6N137光耦合器的8端接地，5端接-5V电源，8端和5端之间接第三电容C3，6端通过第五电阻R5接第三三极管Q3的B极。功率放大电路3接收来自2驱动电路的信号，第三三极管Q3的C极接第一电阻R1的一端以及第二电容C2的一端，E极接-5V，第一电阻R1的另一端接+9V。第二电容C2的另一端接第一三极管Q1的B极以及第四三极管Q4的B极。第四三极管Q4的C极接-5V，E极接第一三极管Q1的E极、第四电阻R4的一端以及第四电容C4的一端，第三电容C4的另一端以及第四电阻R4的另一端接第二稳压二极管D2的正极、第六电阻R6的一端以及场效应管Q2的G极，第二稳压二极管D2的负极接第三稳压二极管D3的负极，第三稳压二极管D3的正极接第六电阻R6的另一端、场效应管Q2的S极、第一电容C1的负极以及接地，场效应管Q2的D极接超快速二极管D1的正极，超快速二极管D1的负极接直流电源的正极以及第一电容C1的正极，放大后的脉冲信号由224端输出。
如图4所示，电流概率检测模块6包括Lm319比较器，且Lm319芯片4脚接收霍尔电流传感器5发送的电流信号，5脚接+5V直流电源，3脚接地，11脚接+5V，12脚接6N137芯片的2脚。6N137的3脚接地，8脚接+5V，同时6脚和8脚之间并联一个电容和一个电阻。
在半导体的加工过程中，短路脉冲和正常放电脉冲均有蚀除作用，因此电流概率的计算为短路脉冲加放电脉冲站总脉冲的比例。根据电火花线切割的切割经验可知，半导体的最佳加工电流概率为70％到80％，在这一范围内，半导体的表面质量较好，表面无弯丝条纹。
经实验证实，在进给速度一定的前提下，电流概率随着脉间的增大而增大，因此通过调节脉间的大小可以达到调节电流概率的目的，其中，脉间增大，电流概率增大。脉间的波动范围不宜过大，占空比以1∶2到1∶8为宜。在进给速度一定的前提下，电流概率随着脉宽的增大而减小，因此通过调节脉宽的大小可以达到调节电流概率的目的，其中，脉宽增大，电流概率减小。脉宽的波动范围不宜过大，以15μs到65μs为宜。
本发明的电火花线切割的材料一般以半导体为主，但对于金属以及含有导电物质的非均质符合材料仍然适用。
控制模块7中可以设置电源的脉宽、脉间(占空比)、MOS管数量以及目标放电概率的大小，实际加工中，电流概率的大小一般设定为70％到80％。
电流概率检测模块6由6N137芯片进行光电隔离，由Lm319比较器对霍尔电流传感器5采样得到电流信号进行比较以判断脉冲的类型。
控制器7接收采样电路的信号，从而计算出一个采样周期内的电流概率大小，根据实时电流概率与目标电流概率的偏差，对脉间/脉宽进行PID控制。
实例：
使用传统的电火花线切割机床以及电源切割单晶硅材料，加工过程中伺服系统失效，所以只能进行匀速切割，采用下表1所示的加工参数，切割速度设置为60μm/s，由于半导体的体电阻和加工势垒，短路时仍然匀速进给，所以导致工件弯丝严重，加工质量以及形状精度均很差。
将机床电源改为本发明设计的恒电流概率脉冲电源，同样使用下表1中的加工参数进行切割，设定目标放电概率为75％。加工过程中，进给速度仍为60μm/s匀速进给，此时电源可以通过对实时放电概率与目标放电概率差值的计算来调节脉间/脉宽的大小以保持电流概率维持在75％左右，最终实现了单晶硅的稳定自动化切割，切割后的工件表面质量较好，且无弯丝条纹，形状精度良好。
表1工艺参数
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.电火花线切割脉间或脉宽PID控制恒电流概率脉冲电源，其特征在于：它包括直流电源(1)、驱动电路(2)、功率放大电路(3)、放电间隙(4)、霍尔电流传感器(5)、电流概率检测模块(6)和控制模块(7)，其特征在于：所述直流电源(1)与所述驱动电路(2)相连；所述驱动电路(2)、所述功率放大电路(3)、所述放电间隙(4)、所述霍尔电流传感器(5)、所述电流概率检测模块(6)和所述控制模块(7)依次相连形成一个回路；所述电流概率检测模块(6)用于检测放电过程中电流大小，并与标准值进行比较；所述控制模块(7)接收比较信号后计算出电流概率的大小，并以此为依据使用增量式PID的控制方法对脉间/脉宽大小进行控制，从而控制实时电流概率大小。
2.根据权利要求1所述的电火花线切割脉间或脉宽PID控制恒电流概率脉冲电源，其特征在于：所述控制模块(7)发出的脉冲信号经所述驱动电路(2)和所述功率放大电路(3)放大后，输入至所述放电间隙(4)以进行加工放电；所述霍尔元件传感器(5)检测实时加工电流的大小，并将信号输入至所述电流概率检测模块(6)；所述电流概率检测模块(6)将实时电流与标准值相比较以判断加工状态，并将判断值输出至所述控制模块(7)中，以此为根据计算出电流概率的大小，并根据电流概率的大小调节脉间/脉宽大小。
3.根据权利要求1或2所述的电火花线切割脉间或脉宽PID控制恒电流概率脉冲电源，其特征在于：所述电流概率检测模块(6)通过6N137芯片进行光电隔离后，通过Lm319比较器对所述霍尔电流传感器(5)采样得到电流信号进行比较以判断脉冲的类型。
4.根据权利要求1或2所述的电火花线切割脉间或脉宽PID控制恒电流概率脉冲电源，其特征在于：所述控制模块(7)为ARM控制器，在其内通过编程完成电流信号的采样和电流概率的计算以及脉间/脉宽的PID控制。
5.根据权利要求4所述的电火花线切割脉间或脉宽PID控制恒电流概率脉冲电源，其特征在于：所述控制模块(7)内设置电源的脉宽、脉间、MOS管数量以及目标放电概率的大小；
所述控制器(7)接收采样电路的信号，并计算出一个采样周期内的电流概率大小，根据实时电流概率与目标电流概率的偏差，对脉间/脉宽进行PID控制。
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