CN107186295B - 一种微细电火花脉冲电源的恒频等能量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微细电火花脉冲电源的恒频等能量控制方法，根据加工场合和间隙负载特性，设置脉冲电源控制参数，确定施加脉冲时间和消电离时间；在施加脉冲阶段，采样间隙电压信号和电流信号，分别放大后进行求和，再对求和结果进行闭环控制，使其与参考信号一致；当间隙被击穿后，进入电流放电阶段，记录对应的击穿时间，并根据击穿时间更新参考信号，对相加的结果进行闭环控制，使其与更新后的参考信号一致；电流放电完成后，进行消电离，之后进行下一个加工周期。本发明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，在维持间隙上电压脉冲频率恒定的同时，保证单次放电能量一致。

Description

一种微细电火花脉冲电源的恒频等能量控制方法

技术领域

本发明属于微细电火花加工用高频脉冲电源控制领域，特别是涉及一种微细电火花脉冲电源的恒频等能量控制方法。

背景技术

电火花加工是用可控电能在电极和工具间形成火花放电来移除被加工材料的非传统加工技术。现有电火花加工用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，现仍广泛应用于微细电火花加工，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。

对于微细电火花加工，为了提高加工精度和工件表面质量，需尽量减小并精确控制单次火花放电能量；同时，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。而以上要求在现有的脉冲电源中很难同时实现。传统微细电火花脉冲电源单次脉冲放电过程和放电能量的控制，一般有恒定脉冲频率控制和恒定放电能量控制两种典型控制方式，如图3和图4所示。前者在间隙施加脉冲时间T_on和消电离时间T_off内均保持固定的脉冲电压v_p，其脉冲电压宽度和放电频率1/T_s固定，类似开环控制，但由于实际加工中放电间隙的情况多变，击穿延迟时间不同，导致真正的放电时间t_on不固定，即单次放电能量的一致性难以保证。后者控制放电间隙击穿后的放电时间T_on和消电离时间T_off保持固定，实现对单次放电能量的控制，放电一致性较好，但是此控制策略需要检测电路来识别放电间隙的状态，而且实际放电间隙的击穿时刻并不固定，因此实际放电脉冲v_p的频率1/t_s将不断变化。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种新型微细电火花脉冲电源的恒频等能量控制方法，在维持间隙上电压脉冲频率恒定的同时，保证单次放电能量一致。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种微细电火花脉冲电源的恒频等能量控制方法，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，在维持间隙上电压脉冲频率恒定的同时，保证单次放电能量一致，具体包括如下步骤：

步骤1：根据加工场合和间隙负载特性，设置脉冲电源的加工频率f_m、占空比D、电压采样倍率k_v、电流采样倍率k_i、单次放电能量w₁、PID控制参数、参考信号v_ref，间隙击穿电压阈值V_gap和间隙击穿电流阈值I_gap；

步骤2：根据加工频率f_m和占空比D确定施加脉冲时间T_on和消电离时间T_off；

步骤3：在施加脉冲阶段，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，将间隙电压数字信号放大k_v倍，将间隙电流数字信号放大k_i倍，将放大后的电压和电流信号相加；

步骤4：判断间隙是否被击穿，当放大后的间隙电压小于击穿电压阈值V_gap，且放大后的间隙电流大于击穿电流阈值I_gap时，间隙即被击穿，之后进入电流放电阶段，记录对应的击穿时间t，再根据间隙击穿时间t更新参考信号v_ref，对相加的结果进行闭环控制，使其与更新后的参考信号v_ref一致；否则，不更新参考信号v_ref，对相加的结果进行闭环控制，使其与未更新的参考信号v_ref一致；

步骤5：电流放电完成后，进行消电离，之后返回步骤3，进入下一个脉冲加工周期进行恒频等能量控制。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明控制方法将间隙电压和间隙电流的和作为唯一的控制量，在引弧阶段进行电压控制，在放电阶段自动切换为电流控制。2)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。3)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***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。4)本发明全桥电路作为主电路拓扑，其母线输入直流电压连续可调，适应各种加工场合，不仅能提供正负电能输出能力，实现加工工具对工件的正负电能加工，提高了材料去除率，还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***的效率。

附图说明

图1为本发明的微细电火花脉冲电源***架构。

图2为本发明的微细电火花脉冲电源主电路。

图3为本发明的微细电火花脉冲电源恒定脉冲时间控制示意图。

图4为本发明的微细电火花脉冲电源恒定放电能量控制示意图。

图5为本发明的微细电火花脉冲电源恒频等能量控制示意图。

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。

本发明的微细电火花脉冲电源的恒频等能量控制方法，建立在高速硬件电路的基础上，若选用的硬件带宽太低、响应太慢、延迟太长，则不能实现本方法，下面先介绍具体的硬件电路选择要求。

为了减小电火花机床***各部分之间的干扰，一般脉冲电源单独从交流输入取电。传统的脉冲电源多采用低频变压器和桥式整流加电容的方式整流，电源的体积较大且输入功率因数低。为了降低寄生参数对加工的影响，减小电源的体积，提高输入功率因数和电源效率，本发明采用有源功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)变换器。整流电路输出电压一般较高，而实际脉冲电源的脉冲电压的幅值希望连续可调，因此再级联一级DC/DC变换器，DC/DC变换器的输出给主电路供电。早期多采用线性电源，本发明采用开关电源，以满足效率和体积的要求。

主电路如图2所示，采用由四个开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄组成的全桥电路作为新型微细电火花脉冲电源的基本拓扑，Q₁和Q₃为一个桥臂的上下管、Q₂和Q₄为另一个桥臂的上下管，两个桥臂相互并联。全桥电路的母线输入为DC/DC变换器的输出电压V_p，由工具和工件构成的放电间隙直接与储能电感L_limit串联后连接至全桥电路两个桥臂的中点，开关管Q_off与间隙并联，开关管Q_p串联在直流母线上。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。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TexasInstruments(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，如图1所示。检测电路主要包括间隙电压检测电路、放电电流检测电路。间隙电压检测电路采用差分采样电路，采样精度高，实时性好。间隙电流检测电路采用电流传感器，AllegroMicroSystems公司的型号为ACS758LCB-100B-PFF-T传感器可以完成对-100A～100A电流的高精度检测，典型工作带宽120kHz。电压检测值和电流检测值通过高速AD芯片进行数模转换，在控制器中根据实时电压值和实时电流值可计算出当前间隙的状态。即以正脉冲放电加工为例：当检测电流值为零，而检测电压值为正值时，为间隙正向引弧阶段；当检测电流值刚开始上升，检测电压值刚开始下降时，为间隙击穿时刻；当检测电流值持续上升或达到稳态值，检测电压值稳定在维持电压时，为间隙正向电流放电阶段。同样，负脉冲放电加工时：当检测电流值为零，而检测电压值为负值时，为间隙反向引弧阶段；当检测电流值刚开始反向上升，检测电压值刚开始反向下降时，为间隙反向击穿时刻；当检测电流值持续反向上升或达到反向稳态值，检测电压值稳定在反向维持电压时，为间隙反向电流放电阶段。

控制电路为由DSP和FPFA共同构成的控制架构。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。

驱动电路为六路PWM型驱动电路。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。六路驱动信号由FPGA直接输出后接PWM驱动芯片，分别对应开关管Q_p、Q_off、Q₁、Q₂、Q₃、Q₄。

在上述高速硬件电路的基础上，本发明通过调节图2中输入直流电压V_p来调节正反向的脉冲电压幅值；通过控制不同桥臂的下管(Q₃和Q₄)来实现脉冲方向调整；通过控制同一桥臂的两个开关管(Q₁和Q₃，Q₂和Q₄)来控制流过电感L_limit的放电电流i_d，进而控制正反向放电能量。以一个正负脉冲放电周期为例，变换器中开关Q_p和Q₄保持导通、Q₂保持关断，V_p通过一个采用电压控制的Buck电路与放电间隙相连，将一定的电压加在放电间隙上。当间隙被击穿后，间隙放电电压基本保持不变，Buck变换器变为电流控制，实现放电能量的一致性调节；负脉冲放电类似正脉冲情况，Q_p和Q₃保持导通、Q₁保持关断，脉冲电源通过Q₂和Q₄实现放电电流控制。Q_off用来加速放电间隙电荷的泄放和消电离过程，以提高脉冲频率。

基于图2中的主电路，微细电火花脉冲电源的能量控制策略一般有恒定脉冲频率控制和恒定放电能量控制。图3所示为恒定脉冲频率控制，即在间隙上施加脉冲时间T_on和消电离时间T_off保持固定的脉冲电压v_p。其脉冲电压宽度和放电频率1/T_s固定，类似开环控制。但由于实际加工中放电间隙的情况多变，击穿延迟时间不同，导致真正的放电时间t_on不固定，即单次放电能量的一致性难以保证；图4所示为恒定放电能量控制，即通过控制放电间隙击穿后的放电时间T_on和消电离时间T_off保持固定，实现对单次放电能量的控制，放电一致性较好，此控制策略需要检测电路来识别放电间隙的状态，而且实际放电间隙的击穿时刻并不固定，因此实际放电脉冲v_p的频率1/t_s将不断变化。

本发明结合恒定脉冲频率控制和恒定放电能量控制的优势，提出如图5所示的恒频等能量控制方法，在间隙上施加恒定的脉冲时间T_on和消电离时间T_off，脉冲电压v_p也保持固定，击穿后的间隙电压稳定再维持电压V_h，根据不同的负载特性选择单次放电能量w₁，根据每个放电周期的击穿时间t计算出可用来进行电流放电的时间t_on＝T_on-t，由于间隙击穿后的间隙电压和放电电流基本稳定，则可根据放电能量公式w₁＝V_hi_d(T_on-t)计算出该周期内的放点电流平均值i_d。为了实现在恒定放电频率的情况下，维持单次放电能量的一致性，新型微细电火花脉冲电源在引弧阶段要对间隙两端的电压进行反馈闭环控制，在放电阶段要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k_vv_d+k_ii_d＝v_ref表示，其中k_v为电压采样倍数，k_i为电流采样倍数，v_d和i_d分别为间隙电压和间隙电流，v_ref为给定的参考量。在间隙未击穿之前，间隙上流过的电流i_d约为0，则间隙电压v_d根据控制公式稳定在v_ref/k_v；间隙击穿之后，间隙电压v_d稳定在维持电压V_h，则间隙电流根据控制公式稳定在(v_ref-k_vV_h)/k_i。因此，在选择好一定的电压采样比例k_v和电流采样比例k_i后，则可通过在程序中调节v_ref来控制间隙击穿前的间隙电压和间隙击穿后的放电电流。进一步的，单个加工周期内的放电能量为间隙击穿后的维持电压V_h和间隙放电电流i_d乘积对放电时间的积分，而如果认为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V_h和间隙放电电流i_d的稳态值几乎不变，则单加工周期放电能量可表示为(v_ref-k_vV_h)(D/f_m-t)V_h/k_i，如果根据间隙击穿时间t，调整v_ref使得(v_ref-k_vV_h)(D/f_m-t)V_h/k_i＝w₁(w₁为可设定的单次放电能量值)，即只要在间隙击穿时刻更新v_ref＝w₁k_i/[V_h(D/f_m-t)]+k_vV_h则可保证单加工周期放电能量保持恒定。

综上所述，本发明提出的微细电火花脉冲电源的恒频等能量控制方法，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，在维持间隙上电压脉冲频率恒定的同时，保证单次放电能量一致。

所述微细电火花脉冲电源包括PFC变换器、DC/DC变换器、主电路、检测电路、控制电路和驱动电路，交流电压经过PFC变换器和DC/DC变换器输出可调直流电压给主电路供电，主电路给间隙提供正负极性电压，检测电路检测间隙的电压和电流送入控制电路，控制电路输出控制信号，控制信号经过驱动电路放大后产生驱动信号驱动主电路开光管的通断，所述主电路包括6个开关管Q_p、Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q_off和1个储能电感L_limit，其中4个开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄以桥式结构相连接，开关管Q_p连接DC/DC变换器的输出侧和全桥变换器的输入侧，开关管Q_off与间隙并联后，一端通过储能电感L_limit连接到其中一个桥臂的中点，另一端直接连接到另外一个桥臂的中点。所述控制电路采用DSP和FPFA共同构成的控制架构。所述功率回路中开关管选择Si、SiC或GaN三种不同材料的功率MOS管，分别应用于粗加工、半精加工和微细加工三种电火花加工场合。

所述控制方法具体包括如下步骤：

步骤1：根据加工场合和间隙负载特性，设置脉冲电源的加工频率f_m、占空比D、电压采样倍率k_v、电流采样倍率k_i、单次放电能量w₁、PID控制参数、参考信号v_ref，间隙击穿电压阈值V_gap和间隙击穿电流阈值I_gap；

步骤2：根据加工频率f_m和占空比D确定施加脉冲时间T_on和消电离时间T_off；

步骤3：在施加脉冲阶段，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，将间隙电压数字信号放大k_v倍，将间隙电流数字信号放大k_i倍，将放大后的电压和电流信号相加；

步骤4：判断间隙是否被击穿，当放大后的间隙电压小于击穿电压阈值V_gap，且放大后的间隙电流大于击穿电流阈值I_gap时，间隙即被击穿，之后进入电流放电阶段，记录对应的击穿时间t，再根据间隙击穿时间t更新参考信号v_ref，对相加的结果进行闭环控制，使其与更新后的参考信号v_ref一致；否则，不更新参考信号v_ref，对相加的结果进行闭环控制，使其与未更新的参考信号v_ref一致；

所述参考信号v_ref更新的具体方法为：

v_ref＝w₁k_i/[V_h(D/f_m-t)]+k_vV_h

式中，V_h表示击穿后的间隙维持电压；

所述闭环控制方法包括PID算法、单周期控制算法、自适应电压定位算法、模糊控制算法、神经网络算法。

步骤5：电流放电完成后，进行消电离，之后返回步骤3，进入下一个脉冲加工周期进行恒频等能量控制。

Claims (5)

1.一种微细电火花脉冲电源的恒频等能量控制方法，其特征在于，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，在维持间隙上电压脉冲频率恒定的同时，保证单次放电能量一致，具体包括如下步骤：

步骤1：根据加工场合和间隙负载特性，设置脉冲电源的加工频率f_m、占空比D、电压采样倍率k_v、电流采样倍率k_i、单次放电能量w₁、PID控制参数、参考信号v_ref，间隙击穿电压阈值V_gap和间隙击穿电流阈值I_gap；

步骤2：根据加工频率f_m和占空比D确定施加脉冲时间T_on和消电离时间T_off；

步骤3：在施加脉冲阶段，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，将间隙电压数字信号放大k_v倍，将间隙电流数字信号放大k_i倍，将放大后的电压和电流信号相加；

步骤4：判断间隙是否被击穿，当放大后的间隙电压小于击穿电压阈值V_gap，且放大后的间隙电流大于击穿电流阈值I_gap时，间隙即被击穿，之后进入电流放电阶段，记录对应的击穿时间t，再根据间隙击穿时间t更新参考信号v_ref，对相加的结果进行闭环控制，使其与更新后的参考信号v_ref一致；否则，不更新参考信号v_ref，对相加的结果进行闭环控制，使其与未更新的参考信号v_ref一致；

步骤5：电流放电完成后，进行消电离，之后返回步骤3，进入下一个脉冲加工周期进行恒频等能量控制；

步骤4中参考信号v_ref更新的具体方法为：

v_ref＝w₁k_i/[V_h(D/f_m-t)]+k_vV_h

式中，V_h表示击穿后的间隙维持电压。

2.根据权利要求1所述的微细电火花脉冲电源的恒频等能量控制方法，其特征在于，步骤4中闭环控制方法包括PID算法、单周期控制算法、自适应电压定位算法、模糊控制算法、神经网络算法。

3.根据权利要求1所述的微细电火花脉冲电源的恒频等能量控制方法，其特征在于，微细电火花脉冲电源包括PFC变换器、DC/DC变换器、主电路、检测电路、控制电路和驱动电路，交流电压经过PFC变换器和DC/DC变换器输出可调直流电压给主电路供电，主电路给间隙提供正负极性电压，检测电路检测间隙的电压和电流送入控制电路，控制电路输出控制信号，控制信号经过驱动电路放大后产生驱动信号驱动主电路开光管的通断，所述主电路包括6个开关管Q_p、Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q_off和1个储能电感L_limit，其中4个开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄以桥式结构相连接，开关管Q_p连接DC/DC变换器的输出侧和全桥变换器的输入侧，开关管Q_off与间隙并联后，一端通过储能电感L_limit连接到其中一个桥臂的中点，另一端直接连接到另外一个桥臂的中点。

4.根据权利要求3所述的微细电火花脉冲电源的恒频等能量控制方法，其特征在于，所述控制电路采用DSP和FPFA共同构成的控制架构。

5.根据权利要求3所述的微细电火花脉冲电源的恒频等能量控制方法，其特征在于，所述主电路中开关管选择Si、SiC或GaN三种不同材料的功率MOS管，分别应用于粗加工、半精加工和微细加工三种电火花加工场合。