CN112636592A - 一种电火花脉冲电源的新型单周期控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电火花脉冲电源的新型单周期非线性控制方法，根据加工场合和间隙负载特性，给出了全范围内的单周期电流控制核心算法，并对其使用泰勒公式进行展开得到最终的拟合算法。对输入电压信号、输出电压信号与间隙电流信号进行实时采样并送进FPGA进行计算得到占空比，输出PWM波控制开关管。本发明方法可以提高系统的动态响应性能，在电流上升阶段，计算得到的占空比几乎为1，使得间隙电流将以最快的速率上升，在加工过程中，往往会因为机床排屑不及时会发生短路情况，短路情况发生后，FPGA会根据采样得到的电压电流信号计算出的占空比较小，会起到保护作用。适用于电火花线切割、成形电火花加工、微细电火花加工等多种加工场合。

Description

一种电火花脉冲电源的新型单周期控制方法

技术领域

本发明属于电火花线切割、成形电火花、微细电火花等多场合加工用高频脉冲电源 控制领域，特别是涉及一种电火花脉冲电源的新型单周期控制方法。

背景技术

目前，我国关键核心零部件自主制造能力不足，迫切需要高效率、高精度、高质量加工技术。电火花加工技术是通过可控电能在加工电极与加工工件之间形成火花放电通道，从而达到蚀除材料的功能，与传统的接触式机械加工相比，电火花加工可以用于加 工高强度、高硬度、高脆性等特殊材料以及一些复杂型面的加工。

电火花加工的本质上是通过控制电能蚀除材料的机械加工，单次放电等离子通道的 能量变化，是决定加工效率和加工质量的关键。现有的脉冲电源的主电路拓扑有RC型脉冲电源、电阻型脉冲电源、Buck型脉冲电源，其中，RC型脉冲电源只能输出正弦波 并且正弦波的峰值不可控，电阻型脉冲电源只能输出矩形波并且其峰值电流取决于电阻 的大小，无法做到峰值连续可调，电力电子化无阻式的Buck脉冲电源与前两者相比， 可以输出矩形波、阶梯波、梳状波等多种形式的电流波形并且输出电流峰值连续可调。 但是，由于电火花加工单次放电的时间很短(约为100μs左右)，所以Buck型脉冲电 源对电流闭环控制的动态响应要求很高。传统的线性控制(比如PI调节、PID控制等) 的调节时间已经远远超过了电火花加工的单次放电的时间，所以需要采用一些非线性控 制策略来提高系统的动态响应性能。

已经有部分学者对电火花加工脉冲电源的高动态响应策略进行了研究探索，并成功 地将自适应电压定位控制策略应用到了电火花加工脉冲电源中，自适应电压定位控制策 略的思想主要是将间隙电压与间隙电流的线性关系和作为被控量，由于电火花加工自身 存在间隙被击穿后输出电压会陡降至维持电压的特点，所以电流会在间隙击穿后迅速上 升，从而提高脉冲电源的动态响应性能。但是，在实际加工中，由于机床自身排屑不通畅，往往会在放电过程中发生短路的情况，。当机床发生短路时，间隙电压会在维持电 压的基础继续陡降至接近于0的电压，根据自适应电压定位控制策略特点，在间隙电压 发生陡降时，为了维持间隙电压与间隙电流的线性关系总和不变，间隙电流会继续上升 发生电流过冲现象，往往会减短电极的使用寿命并且会在加工工件表面形成烧蚀，使得 表面质量会变差。所以在综合考虑高动态响应要求以及抗负载扰动性的要求下，本发明 提出了一个新型的单周期控制策略。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电火花脉冲电源的新型单周期控制方法，为电火花加工 能量形式的多样化提供技术支持。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种电火花加工脉冲电源，包括大功率加工电 路、检测电路、控制电路和驱动电路，所述的大功率加工电路用于电火花线切割、成形电火花加工的粗加工过程；所述的检测电路用于检测与采集间隙电压和间隙电流；所述 的控制电路基于FPGA芯片实现全范围单周期电流控制算法，通过调整占空比控制电源 输出电流值等于参考电流基准值；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；

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、大功率加工切换开关管Q_H、第一续流二极管D₁、第二续流二极管D₂、第三 续流二极管D₃、第四续流二极管D₄、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D_L1、第二防回流二极管D_L2、第三防回流二极管D_L3、第四防 回流二极管D_L4，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D_L1、第二防回流二极管D_L2、第 三防回流二极管D_L3、第四防回流二极管D_L4的阴极相连，第一续流二极管D₁、第二续 流二极管D₂、第三续流二极管D₃、第四续流二极管D₄的阳极与大功率加工切换开关管 Q_H的漏极相连，大功率加工切换开关管Q_H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的连接点分别与第一续流二极管D₁、第二续流二极管D₂、第三续流二极管D₃、第四续流二极管D₄的阳极相连，第一续流二极管D₁、第二续流二极管D₂、第三续流二极 管D₃、第四续流二极管D₄的阴极接地。

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、 大功率加工切换开关管Q_H选用金属氧化物半导体场效应晶体管。

进一步的，所述控制电路采用FPGA和DSP共同构成的架构来实现。

一种电火花加工脉冲电源的新型单周期控制方法，基于上述电火花加工脉冲电源， 根据间隙电压与间隙电流进行反馈闭环控制，通过控制开关管的占空比使得每一个开关 频率内的间隙电流的平均值等于给定电流的参考值，具体步骤如下：

步骤1：根据加工场合和加工状态，设置好脉冲电源的开关频率f_s、输入电压V_in、电压采样频率k_v、电流采样频率k_i；

步骤2：根据加工质量需求选择合适的电流波形，在大功率加工时选择矩形波，低电极损耗时选择阶梯波，高效率材料蚀除时选择梳状波；

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，设置参考电流基准值i_ref；

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，使得间隙电压以最快的速率上升；

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 入全范围的单周期电流闭环控制策略，先由FPGA根据采样的间隙电压V_d、间隙电流i_{d_v}以及选择的输入电压V_in与开关频率f_s调整每个开关周期内的占空比大小：

D＝V_d/(2V_in)+f_sL(i_ref-i_{d_v})/(V_in-V_d)

然后通过驱动电路将生成的PWM信号送给第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三 开关管Q₃、第四开关管Q₄，使得输出电流在每个开关周期内的平均值等于参考电流基 准值i_ref；

步骤6：电流放电完成后，进行消电离；

步骤7：重复步骤3～5，进行下一个加工周期。

进一步的，矩形波加工时，具体过程如下：

步骤1：根据加工场合和加工状态，设置好脉冲电源的开关频率f_s、输入电压V_in、电压采样频率k_v、电流采样频率k_i；

步骤2：根据开关频率f_s和电流形式，确定施加脉冲的时间T_on和消电离时间T_off，设置参考电流基准值i_ref；

步骤3：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，使得间隙电压以最快的速率上升；

步骤4：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Igap时，说明间隙已经被击穿，此时 引入全范围的单周期电流闭环控制策略，先由FPGA将采样的间隙电流、间隙电压以及 选择的输入电压与开关频率代入全范围单周期电流闭环控制算法，计算每个开关周期内 的占空比大小，然后通过驱动电路将生成的PWM信号送给第一开关管Q₁、第二开关管 Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄，使得输出电流在每个开关周期内的平均值等于参 考电流基准值i_ref；

步骤5：电流放电完成后，进行消电离；

步骤6：重复步骤3～5，进行下一个加工周期。

进一步的，阶梯波加工时，具体过程如下：

步骤1：根据加工场合和加工状态，设置好脉冲电源的开关频率f_s、输入电压V_in、电压采样频率k_v、电流采样频率k_i；

步骤2：根据加工频率f_s和电流形式确定施加脉冲的时间T_on和消电离时间T_off，设置参考电流基准值i_ref1、i_ref2、i_ref3以及对应导通时间t_on1、t_on2、t_on3；

步骤3：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，使得间隙电压以最快的速率上升；

步骤4：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， 启动计数器开始计时，并切入全范围的单周期电流闭环控制策略，先由FPGA将采样的 间隙电流、间隙电压以及选择的输入电压与开关频率代入全范围单周期电流闭环控制算 法中，计算每个开关周期内的占空比大小，然后通过驱动电路将生成的PWM信号送给 第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄，使得输出电流在每个 开关周期内的平均值等于参考电流基准值i_ref1；

步骤5：当计数器计到时间t_on1时，计数器清零并重新开始计数，系统中会将参考电流基准值从i_ref1切换至i_ref2，重新计算得到在参考电流基准值i_ref2下的实时占空比来控制输出电流在每个开关周期内的平均值等于参考电流基准值i_ref2；

步骤6：当计数器计到时间t_on2时，系统中会将参考电流基准值从i_ref2切换至i_ref3，重新计算得到在参考电流基准值i_ref3下的实时占空比来控制输出电流在每个开关周期内的平均值等于参考电流基准值i_ref3；

步骤7：当计数器计到时间t_on3时，计数器清零，电流放电完成后，进行消电离；

步骤8：重复步骤3～7，进行下一个加工周期。

进一步的，梳状波加工时，具体过程如下：

步骤1：根据加工场合和加工状态，设置好脉冲电源的开关频率f_s、输入电压V_in、电压采样频率k_v、电流采样频率k_i；

步骤2：根据加工频率f_s和电流形式确定施加脉冲的时间T_on和消电离时间T_off，设置电流参考基准值i_ref1、i_ref2以及对应的导通时间t_on1、t_on2；

步骤3：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，使得间隙电压以最快的速率上升；

步骤4：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， 启动计数器开始计时，并切入全范围的单周期电流闭环控制策略，先由FPGA将采样的 间隙电流、间隙电压以及选择的输入电压与开关频率代入全范围单周期电流闭环控制算 法中，计算每个开关周期内的占空比大小，然后通过驱动电路将生成的PWM信号送给 第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄，使得输出电流在每个 开关周期内的平均值等于参考电流基准值i_ref1；

步骤5：当计数器计到时间t_on1时，计数器清零并重新开始计数，系统中会将参考电流基准值从i_ref1切换至i_ref2，重新计算得到在参考电流基准值i_ref2下的实时占空比来控制输出电流在每个开关周期内的平均值等于参考电流基准值i_ref2；

步骤6：当计数器计到时间t_on2时，重复步骤4-5；

步骤7：电流放电完成后，进行消电离；

步骤8：重复步骤3～7，进行下一个加工周期。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明给出了一个具有高动态响应的控制算法，具有较强的鲁棒性。2)本发明控制方法能够实时调整脉冲电源的放电电流 大小、放电持续时间和消电离时间，对于输出电流大小的调节非常灵敏，可以应用于电 火花线切割加工、成形电火花加工、微细电火花加工等多种电加工场合。3)本发明控 制方法能够调节脉冲电源输出电流波形，可以输出矩形波、阶梯波、梳状波等多种特殊 波形，改变了现在仅有矩形波这种单一的能量注入形式。4)本发明控制电路采用了 DSP+FPGA架构实现，采用数字控制方法，控制精度较高、控制参数可调、控制算法灵 活，输出电流幅值连续可调。5)本发明主电路采用了大功率拓扑并联在间隙两端，使 用开关管控制需要使用的加工电路，去掉了传统脉冲电源中的充电电阻和限流电阻，提 高了脉冲电源系统的效率。

附图说明

图1为本发明的电火花加工脉冲电源的输出矩形波电流示意图。

图2为本发明的电火花加工脉冲电源的输出阶梯波电流示意图。

图3为本发明的电火花加工脉冲电源的输出梳状波电流示意图。

图4为本发明的电火花加工脉冲电源框架示意图。

图5为本发明的电火花加工脉冲电源的主电路拓扑与单周期控制示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请， 并不用于限定本申请。

一种电火花加工脉冲电源，可用于大功率粗加工和微细精加工，包括大功率加工电 路、检测电路、控制电路和驱动电路，所述的大功率加工电路用于电火花线切割、成形电火花加工的粗加工过程；所述的检测电路用于检测与采集间隙电压和间隙电流；所述 的控制电路基于FPGA芯片实现全范围单周期电流控制算法，通过调整占空比控制输出 电流在每个开关周期内的平均值等于参考基准值；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；

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、大功率加工切换开关管Q_H、第一续流二极管D₁、第二续流二极管D₂、第三 续流二极管D₃、第四续流二极管D₄、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D_L1、第二防回流二极管D_L2、第三防回流二极管D_L3、第四防 回流二极管D_L4，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D_L1、第二防回流二极管D_L2、第 三防回流二极管D_L3、第四防回流二极管D_L4的阴极相连，第一续流二极管D₁、第二续 流二极管D₂、第三续流二极管D₃、第四续流二极管D₄的阳极与大功率加工切换开关管 Q_H的漏极相连，大功率加工切换开关管Q_H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的连接点分别与第一续流二极管D₁、第二续流二极管D₂、第三续流二极管D₃、第四续流二极管D₄的阳极相连，第一续流二极管D₁、第二续流二极管D₂、第三续流二极 管D₃、第四续流二极管D₄的阴极接地。

本发明的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。其中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。由于本发明需要同时 在电火花线切割加工、成型电火花加工以及微细电火花加工等多个电加工场合，作为一 种优选实施方式，本发明可选用Infineon(英飞凌)公司的型号为IPP60R074C6的 CoolMOS晶体管，其漏源极电压V_DS高达600V，漏极电流I_D为57.7A，可以适用于多 种功率不同的电火花加工场合。

本发明的控制电路采用FPGA和DSP共同构成的架构来实现。电流、电压检测电 路来实时监测间隙状态，检测信号经过AD9226模块转换成数字量后传送给FPGA+DSP 控制器，控制器再根据采样得到的间隙电压、间隙电流代入新型全范围单周期电流控制 方程D＝V_d/(2V_in)+f_sL(i_ref-i_{d_v})/(V_in-V_d)中，生成相应的开关管的占空比，再通过驱动电路 驱动主电路开关管工作。

基于上述电火花脉冲电源的新型单周期控制算法，将间隙电压和间隙电流作为控制 系统的输入变量进行反馈闭环控制，根据单周期控制的思想，上述算法的功能就是通过调节占空比来实时控制每个开关周期输出电流的平均值等于参考电流基准值，因此提高了系统的动态响应性能，从而使得输出电流波形的多样化。具体包括如下步骤：

步骤1：根据加工场合和加工状态，设置好脉冲电源的开关频率f_s、输入电压V_in、电压采样频率k_v、电流采样频率k_i；

步骤2：根据加工质量需求选择合适的电流波形，比如大功率加工时选择矩形波、低电极损耗时选择阶梯波、高效率材料蚀除时选择梳状波。

步骤3：根据加工频率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，设置参考电流基准值i_ref；

步骤4：在施加脉冲阶段，首先将图4中主电路的开关管Q₁～Q₄全部打开，使得间 隙电压以最快的速率上升，并且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。

步骤5：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，此时将全范围的 单周期电流闭环控制策略切入，FPGA会将采样的间隙电流与间隙电压以及选择的输入 电压与开关频率代入全范围单周期电流闭环控制算法中来计算每个开关周期内的占空 比大小，并通过驱动电路将生成的PWM信号送给开关管Q₁～Q₄，根据新型单周期控制 算法的思想，FPGA会通过调节占空比使得输出电流在每个开关周期内的平均值等于参 考基准值i_ref；

步骤6：电流放电完成后，进行消电离；

步骤7：重复步骤3～5，进行下一个加工周期。

下面针对选择矩形波、阶梯波、梳状波这三种电流波形进行加工的具体步骤进行详 细描述如下：

基于上述电火花脉冲电源的新型单周期控制方法，矩形波加工时的具体过程如下：

步骤1：根据加工场合和加工状态，设置好脉冲电源的开关频率fs、输入电压Vin、电压采样频率kv、电流采样频率ki；

步骤2：根据加工频率fs和电流形式确定施加脉冲的时间Ton和消电离时间Toff，设置参考电流基准值iref，如图1所示；

步骤3：在施加脉冲阶段，首先将主电路的开关管Q1～Q4全部打开，使得间隙电压以最快的速率上升，并且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。

步骤4：当检测到间隙电压发生陡降并且小于击穿电压阈值Vgap大于短路电压阈值Vshort，并且间隙电流大于击穿电流阈值Igap时，说明间隙已经被击穿，这时将全范 围的单周期电流闭环控制策略切入，FPGA会将采样的间隙电流与间隙电压以及选择的 输入电压与开关频率代入全范围单周期电流闭环控制算法中来计算每个开关周期内的 占空比大小，FPGA会根据采样得到的实时信号来实时调节占空比来控制输出电流值等 于参考电流基准值iref；

步骤5：电流放电完成后，进行消电离；

步骤6：重复步骤3～5，进行下一个加工周期。

基于上述电火花脉冲电源的新型单周期控制方法，阶梯波加工时的具体过程如下：

步骤1：根据加工场合和加工状态，设置好脉冲电源的开关频率f_s、输入电压V_in、电压采样频率k_v、电流采样频率k_i；

步骤2：根据加工频率f_s和电流形式确定施加脉冲的时间T_on和消电离时间T_off，设置参考电流基准值i_ref1、i_ref2、i_ref3等以及对应导通时间t_on1、t_on2、t_on3等，如图2所示；

步骤3：在施加脉冲阶段，首先将主电路的开关管Q₁～Q₄全部打开，使得间隙电压以最快的速率上升，并且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。

步骤4：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，同一时间计数器 开始计时并将全范围的单周期电流闭环控制策略切入，FPGA会将采样的间隙电流与间 隙电压以及选择的输入电压与开关频率代入全范围单周期电流闭环控制算法中来计算 每个开关周期内的占空比大小，FPGA会根据采样得到的实时信号来实时调节占空比来 控制输出电流值等于参考电流基准值i_ref1；

步骤5：当计数器计到时间t_on1时，计数器清零并重新开始计数，系统中会将参考电流基准值从i_ref1切换至i_ref2，重新计算得到在参考电流基准值i_ref2下的实时占空比来控制输出电流值等于参考电流基准值i_ref2；

步骤6：当计数器计到时间t_on2时，系统中会将参考电流基准值从i_ref2切换至i_ref3，重新计算得到在参考电流基准值i_ref3下的实时占空比来控制输出电流值等于参考电流基准值i_ref3；

步骤7：当计数器计到时间t_on3时，计数器清零，电流放电完成后，进行消电离；

步骤8：重复步骤3～7，进行下一个加工周期。

基于上述电火花脉冲电源的新型单周期控制方法，梳状波加工时的具体过程如下：

步骤1：根据加工场合和加工状态，设置好脉冲电源的开关频率f_s、输入电压V_in、电压采样频率k_v、电流采样频率k_i；

步骤2：根据加工频率f_s和电流形式确定施加脉冲的时间T_on和消电离时间T_off，设置电流参考基准值i_ref1、i_ref2以及对应的导通时间t_on1、t_on2，如图3所示；

步骤3：在施加脉冲阶段，首先将主电路的开关管Q₁～Q₄全部打开，使得间隙电压以最快的速率上升，并且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；

步骤4：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，同一时间计数器 开始计时并将全范围的单周期电流闭环控制策略切入，FPGA会将采样的间隙电流与间 隙电压以及选择的输入电压与开关频率代入全范围单周期电流闭环控制算法中来计算 每个开关周期内的占空比大小，FPGA会根据采样得到的实时信号来实时调节占空比来 控制输出电流值等于参考电流基准值i_ref1；

步骤5：当计数器计到时间t_on1时，计数器清零并重新开始计数，系统中会将参考电流基准值从i_ref1切换至i_ref2，重新计算得到在参考电流基准值i_ref2下的实时占空比来控制输出电流值等于参考电流基准值i_ref2；

步骤6：当计数器计到时间t_on2时，重复步骤4-5。

步骤7：电流放电完成后，进行消电离；

步骤8：重复步骤3～7，进行下一个加工周期。

本发明的电火花脉冲电源的新型单周期控制方法既可以用于大功率粗加工也可以 用微细加工，只需要改变参考电流基准值i_ref即可，操作方便简单。在电火花线切割第一刀粗加工时往往选择参考电流基准值i_ref为30A左右，在成形电火花加工第一刀粗加 工时往往选择参考电流基准值i_ref为90A左右，在电火花线切割精加工、成形电火花精 加工以及微细电火花加工时参考电流基准值i_ref在1～5A左右。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在 矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不 能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的 保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种电火花加工脉冲电源，其特征在于，包括大功率加工电路、检测电路、控制电路和驱动电路，所述的大功率加工电路用于电火花线切割、成形电火花加工的粗加工过程；所述的检测电路用于检测与采集间隙电压和间隙电流；所述的控制电路基于FPGA芯片实现全范围单周期电流控制算法，通过调整占空比控制电源输出电流值等于参考电流基准值；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；

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、大功率加工切换开关管Q_H、第一续流二极管D₁、第二续流二极管D₂、第三续流二极管D₃、第四续流二极管D₄、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D_L1、第二防回流二极管D_L2、第三防回流二极管D_L3、第四防回流二极管D_L4，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D_L1、第二防回流二极管D_L2、第三防回流二极管D_L3、第四防回流二极管D_L4的阴极相连，第一续流二极管D₁、第二续流二极管D₂、第三续流二极管D₃、第四续流二极管D₄的阳极与大功率加工切换开关管Q_H的漏极相连，大功率加工切换开关管Q_H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的连接点分别与第一续流二极管D₁、第二续流二极管D₂、第三续流二极管D₃、第四续流二极管D₄的阳极相连，第一续流二极管D₁、第二续流二极管D₂、第三续流二极管D₃、第四续流二极管D₄的阴极接地。

2.根据权利要求1所述的电火花加工脉冲电源，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Q₄、大功率加工切换开关管Q_H选用金属氧化物半导体场效应晶体管。

3.根据权利要求1所述的电火花加工脉冲电源，其特征在于，所述控制电路采用FPGA和DSP共同构成的架构来实现。

4.一种电火花加工脉冲电源的新型单周期控制方法，其特征在于，基于权利要求1-3所述的电火花加工脉冲电源，根据间隙电压与间隙电流进行反馈闭环控制，通过控制开关管的占空比使得每一个开关频率内的间隙电流的平均值等于给定电流的参考值，具体步骤如下：

步骤1：根据加工场合和加工状态，设置好脉冲电源的开关频率f_s、输入电压V_in、电压采样频率k_v、电流采样频率k_i；

步骤2：根据加工质量需求选择合适的电流波形，在大功率加工时选择矩形波，低电极损耗时选择阶梯波，高效率材料蚀除时选择梳状波；

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，设置参考电流基准值i_ref；

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，使得间隙电压以最快的速率上升；

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，此时引入全范围的单周期电流闭环控制策略，先由FPGA根据采样周期起始的间隙电压V_d、间隙电流i_{d_v}以及选择的输入电压V_in与开关频率f_s调整每个开关周期内的占空比大小：

D＝V_d/(2V_in)+f_sL(i_ref-i_{d_v})/(V_in-V_d)

然后通过驱动电路将生成的PWM信号送给第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄，使得输出电流在每个开关周期内的平均值等于参考电流基准值i_ref；

步骤6：电流放电完成后，进行消电离；

步骤7：重复步骤3～5，进行下一个加工周期。

5.根据权利要求4所述的电火花加工脉冲电源的新型单周期控制方法，其特征在于，矩形波加工时，具体过程如下：

步骤1：根据加工场合和加工状态，设置好脉冲电源的开关频率f_s、输入电压V_in、电压采样频率k_v、电流采样频率k_i；

步骤2：根据开关频率f_s和电流形式，确定施加脉冲的时间T_on和消电离时间T_off，设置参考电流基准值i_ref；

步骤3：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，使得间隙电压以最快的速率上升；

步骤4：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Vgap大于短路电压阈值Vshort，并且间隙电流大于击穿电流阈值Igap时，说明间隙已经被击穿，此时引入全范围的单周期电流闭环控制策略，先由FPGA将采样的间隙电流、间隙电压以及选择的输入电压与开关频率代入全范围单周期电流闭环控制算法，计算每个开关周期内的占空比大小，然后通过驱动电路将生成的PWM信号送给第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄，使得输出电流在每个开关周期内的平均值等于参考电流基准值i_ref；

步骤5：电流放电完成后，进行消电离；

步骤6：重复步骤3～5，进行下一个加工周期。

6.根据权利要求4所述的电火花加工脉冲电源的新型单周期控制方法，其特征在于，阶梯波加工时，具体过程如下：

步骤1：根据加工场合和加工状态，设置好脉冲电源的开关频率f_s、输入电压V_in、电压采样频率k_v、电流采样频率k_i；

步骤2：根据加工频率f_s和电流形式确定施加脉冲的时间T_on和消电离时间T_off，设置参考电流基准值i_ref1、i_ref2、i_ref3以及对应导通时间t_on1、t_on2、t_on3；

步骤3：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，使得间隙电压以最快的速率上升；

步骤4：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，启动计数器开始计时，并切入全范围的单周期电流闭环控制策略，先由FPGA将采样的间隙电流、间隙电压以及选择的输入电压与开关频率代入全范围单周期电流闭环控制算法中，计算每个开关周期内的占空比大小，然后通过驱动电路将生成的PWM信号送给第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄，使得输出电流在每个开关周期内的平均值等于参考电流基准值i_ref1；

步骤5：当计数器计到时间t_on1时，计数器清零并重新开始计数，系统中会将参考电流基准值从i_ref1切换至i_ref2，重新计算得到在参考电流基准值i_ref2下的实时占空比来控制输出电流在每个开关周期内的平均值等于参考电流基准值i_ref2；

步骤6：当计数器计到时间t_on2时，系统中会将参考电流基准值从i_ref2切换至i_ref3，重新计算得到在参考电流基准值i_ref3下的实时占空比来控制输出电流在每个开关周期内的平均值等于参考电流基准值i_ref3；

步骤7：当计数器计到时间t_on3时，计数器清零，电流放电完成后，进行消电离；

步骤8：重复步骤3～7，进行下一个加工周期。

7.根据权利要求4所述的电火花加工脉冲电源的新型单周期控制方法，其特征在于，梳状波加工时，具体过程如下：

步骤1：根据加工场合和加工状态，设置好脉冲电源的开关频率f_s、输入电压V_in、电压采样频率k_v、电流采样频率k_i；

步骤2：根据加工频率f_s和电流形式确定施加脉冲的时间T_on和消电离时间T_off，设置电流参考基准值i_ref1、i_ref2以及对应的导通时间t_on1、t_on2；

步骤3：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，使得间隙电压以最快的速率上升；

步骤4：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，启动计数器开始计时，并切入全范围的单周期电流闭环控制策略，先由FPGA将采样的间隙电流、间隙电压以及选择的输入电压与开关频率代入全范围单周期电流闭环控制算法中，计算每个开关周期内的占空比大小，然后通过驱动电路将生成的PWM信号送给第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄，使得输出电流在每个开关周期内的平均值等于参考电流基准值i_ref1；

步骤5：当计数器计到时间t_on1时，计数器清零并重新开始计数，系统中会将参考电流基准值从i_ref1切换至i_ref2，重新计算得到在参考电流基准值i_ref2下的实时占空比来控制输出电流在每个开关周期内的平均值等于参考电流基准值i_ref2；

步骤6：当计数器计到时间t_on2时，重复步骤4-5；

步骤7：电流放电完成后，进行消电离；

步骤8：重复步骤3～7，进行下一个加工周期。

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