CN107332459B - 电火花线切割的纳秒级脉冲电源***及控制方法 - Google Patents

电火花线切割的纳秒级脉冲电源***及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电火花线切割的纳秒级脉冲电源***，包括电源本体，所述电源本体包括微控制器***模块、整流模块、电能转换模块和高频脉冲模块，所述微控制器***模块的一端外接有辅助电源输入接口和若干输入输出接口，所述输入输出接口包括脉冲输出使能输入接口、丝速控制接口、组态号接口和通信接口，所述微控制器***模块的另一端分别与电能转换模块、高频脉冲模块相连，所述电能转换模块与高频脉冲模块之间相互连接；所述整流模块的一端外接有电源输入接口，所述整流模块的另一端分别与脉冲输出接口、高频脉冲模块相互连接，所述高频脉冲模块的另一端外接有脉冲输出接口。本发明电压、电流稳定，输出单个脉冲能量小，工件切割表面光洁度好。

Description

电火花线切割的纳秒级脉冲电源***及控制方法
技术领域
本发明属于电火花切割用电源技术领域，具体涉及一种电火花线切割的纳秒级脉冲电源***及控制方法。
背景技术
电火花线切割技术是一种利用连续移动的细金属丝(多用钼丝)作电极，对导电工件进行脉冲电火花放电蚀除工件、切割成型的技术。
钼丝电极与导电工件两端施加电压，当电压达到一定阈值后，空气间隙被击穿，处于低阻状态，此时需要一定的技术限制电流的急剧上升，否则将烧毁电子器件和钼丝，烧伤工件。在现有的技术中，通常的解决方案是在放电主回路中串联大功率的电阻限流或者串联电感抑制电流的上升速度，使得电流在放电脉冲期间上升不超过安全值。这些方案简单易行但缺点显而易见，串联进电路的大功率电阻将消耗大部分能量用来发热，造成能源的极大浪费，同时产生的大量热量恶化了机床工作环境，也限制加工效率。串联电感的工作方式，仅仅是抑制了电流的上升速度，使得放电的电流波形类似于三角波，尖峰电流的存在不仅加速了钼丝的损耗，切割表面光洁度的下降，而且还会限制放电脉冲平均电流的提升，影响加工效率。目前也有部分公司及科研机构对现有的脉冲电源做出了改进，在采用高性能处理器、增加额外的控制电路等研究方向上取得了一定的进展。但是电路规模变大变复杂，容易出现一系列的稳定性问题，并且成本显著提高，难以用于实际生产。
目前市面上的脉冲电源在加工大厚度工件时均存在一定程度的困难，多数脉冲电源不能对大厚度工件进行加工，部分脉冲电源可以对大厚度工件进行加工，但加工效率极其低下，加工成本过高，实用价值不大。
鉴于输出的单个脉冲能量越小，切割的表面光洁度就越好。现有的线切割脉冲电源输出的脉宽为us级，这使切割的表面光洁度受到了限制。因此减小放电脉冲宽度，是提高切割表面光洁度的一个重要方向。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种电火花线切割的纳秒级脉冲电源***及控制方法。
电火花线切割的纳秒级脉冲电源***，包括电源本体，所述电源本体包括微控制器***模块、整流模块、电能转换模块和高频脉冲模块，所述微控制器***模块的一端外接有辅助电源输入接口和若干输入输出接口，所述输入输出接口包括脉冲输出使能输入接口、丝速控制接口、组态号接口和通信接口，所述微控制器***模块的另一端分别与电能转换模块、高频脉冲模块相连，所述电能转换模块与高频脉冲模块之间相互连接；所述整流模块的一端外接有电源输入接口，所述整流模块的另一端分别与脉冲输出接口、高频脉冲模块相互连接，所述高频脉冲模块的另一端外接有脉冲输出接口。
优选的，所述微控制器***模块采用ARM架构微控制芯片。
进一步，所述电能转化模块包括若干电感和MOS管I，所述电感包括电感A、电感B和电感C，所述MOS管I包括MOS管A、MOS管B、MOS管C、MOS管D、MOS管E和MOS管F，所述MOS管I上设有漏极、源极和栅极，所述MOS管A、MOS管B、MOS管C、MOS管D、MOS管E以及MOS管F的栅极均与微控制器***模块相连；所述MOS管A、MOS管B以及MOS管C的漏极一侧连接在一起并与整流模块相连，所述MOS管D、MOS管E以及MOS管F的源极一侧连接在一起也与整流模块相连；所述MOS管A的源极与MOS管D的漏极相串联并与电感A的一端相连，所述MOS管B的源极与MOS管E的漏极相串联并与电感B一端相连；所述MOS管C的源极与MOS管F的漏极相串联并与电感C一端相连，所述电感A、电感B、电感C的另一端均与高频脉冲模块相连。
进一步，所述高频脉冲模块包括电容A、若干个焊接端子、MOS管II和二极管；所述焊接端子包括接线端子A、接线端子B、接线端子C和接线端子D，所述接线端子A和接线端子B连接在一起后与电容A的前端相连，所述线端子C和接线端子D连接在一起后与电容A的后端相连，所述电容A的前端和后端均与脉冲输出接口相连；所述MOS管II包括相并联的MOS管G和MOS管H，所述MOS管II上设有漏极、源极和栅极，所述MOS管G的栅极、MOS管H的栅极均与微控制器***模块相连；所述二极管包括二极管C以及并联在一起的二极管A、二极管B、二极管D，所述二极管A、二极管B和二极管D的阴极连接在一起并与电容A的前端相连，所述二极管A、二极管B和二极管D的阳极连接在一起并分别与MOS管G的漏极、MOS管H的漏极、二极管C的阳极相连，所述MOS管G的源极和MOS管H的源极与电容A的后端相连，所述二极管C的阴极与整流模块相连。
进一步，本发明还提供了一种电火花线切割的纳秒级脉冲电源***的控制方法：所述微控制器***模块通过外接的辅助电源输入接口和若干输入输出接口与外界进行通信，所述整流模块通过不控整流电路把从电源输入接口输入的交流电整流转化为电压源，电能转换模块接收整流模块输出的电压源后，在微控制器***模块的控制下，通过三相交错BUCK电路调整各个MOS管I的开通和关断，经电感滤波后，输出设定值附近的恒定电流；微控制器***模块负责产生高频信号并将其传递给高频脉冲模块，高频脉冲模块根据该高频信号，通过控制高频MOS管II的开通和关断将电能转换模块输出的恒定电流转化为脉冲能量，该脉冲能量通过脉冲数输出接口输出。
进一步，所述微控制器***模块分别通过控制与其连接的各个MOS管I的栅极电压，从而控制相应的MOS管I的开通和关断；并且，通过MOS管A与MOS管D的交替开通和关断，控制电感A的电流大小，通过MOS管B与MOS管E的交替开通和关断，控制电感B的电流大小，通过MOS管C与MOS管F的交替开通关断，控制电感C的电流大小，电感A、电感B和电感C的电流叠加在一起后，输出给高频脉冲模块。
优选的，MOS管A、MOS管B、MOS管C的开通相位依次相差120°。
进一步，所述微控制器***模块通过分别控制与其连接的MOS管G和MOS管H的栅极电压，从而分别控制MOS管G和MOS管H的开通与关断；当MOS管G和MOS管H均开通时，电能转换模块输出的电流通过MOS管G和MOS管H流回电能转换模块；当MOS管G和MOS管H均关断时，电能转换模块输出的电流通过并联在一起的二极管A、二极管B、二极管D给电容A充电，使电容A的端电压快速升高，当电容A电压高于整流模块输出电压，并且，钼丝与工件之间空气未击穿时，电流通过二极管C流回整流模块，当钼丝与工件之间空气击穿后，电流通过所述并联在一起的三个二极管，流经需要加工的工件，实现对工件的加工。
与现有技术相比，本发明方法具有如下优点：
1、采用数字控制的恒流源进行功率的输出，本发明采用ARM架构微控制芯片，控制电流保持在设定电流附近，避免了出现三角波电流尖峰，使得每个放电脉冲能量尽可能一致，有利于提升工件加工表面的表面光洁度。通过数字控制器进行过流保护，防止在恶劣情况下，发生过流，烧毁电子元件和工件。
2、本发明的输入电源为三相交流电，采用不控整流将交流电整流为直流电，采用三相交错BUCK拓扑，实现电压源到恒流源的转换，即省去了传统的大功率电阻，避免了在放电主回路串联电阻方案中的能量损失，提高了电能转换效率,
3、本发明采用三相交错BUCK拓扑，增加了输出功率，可以实现对大厚度工件的加工，同时极大提高了加工效率。
4、本发明采用多个并联的高频MOS管，通过快速切换恒流源输出短路与对外输出功率两种状态，实现纳秒级窄脉宽的脉冲输出，消除了输出电流上升迟缓和拖尾的现象，大大提高了切割的表面光洁度。
5、本发明降低了对钼丝的冲击，减少了钼丝的损耗；
6、本发明过上位机与电源主体通信，实现对加工脉冲参数实时可调。
7、本发明中，电流采集模块实时采集BUCK三相电流值，实现对输出电流的闭环控制。
8、本发明增加了输出功率，提高了切割效率，尤其增加了切割大厚度工件的效率。
综合上述，本发明的电源控制***电流恒定，输出单个脉冲能量稳定，可实现微小脉冲输出，加工工件表面光洁度好，值得推广使用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明的电能转化模块的原理示意图；
图3为本发明的高频脉冲模块的原理示意图：
附图标记：1、辅助电源输入接口；2、脉冲输出使能输入接口；3、微控制器***模块；4、丝速控制接口；5、组态号接口；6、通信接口；7、脉冲输出接口；8、高频脉冲模块；9、电能转换模块；10、整流模块；11、电源输入接口；Q1、MOS管A；Q2、MOS管B；Q3、MOS管C；Q4、MOS管D；Q5、MOS管E；Q6、MOS管F；L1、电感A；L2、电感B；L3、电感C；Q7、MOS管G；Q8、MOS管H；D1、二极管A；D2、二极管B；D3、二极管C；D4、二极管D；C1、电容A；X1、接线端子A；X2、接线端子B；X3、接线端子C；X4、接线端子D。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种电火花线切割的纳秒级脉冲电源***，包括电源本体，所述电源本体包括微控制器***模块3、整流模块10、电能转换模块9和高频脉冲模块8，所述微控制器***模块3采用ARM架构微控制芯片，所述微控制器***模块3的一端外接有辅助电源输入接口1和若干输入输出接口，所述输入输出接口包括脉冲输出使能输入接口2、丝速控制接口4、组态号接口5和通信接口6，所述微控制器***模块3的另一端分别与电能转换模块9、高频脉冲模块8相连，所述电能转换模块9与高频脉冲模块8之间相互连接；所述整流模块10的一端外接有电源输入接口11，所述整流模块10的另一端分别与脉冲输出接口7、高频脉冲模块8相互连接，所述高频脉冲模块8的另一端外接有脉冲输出接口7。
如图2所示，所述电能转化模块包括若干电感和MOS管I，所述电感包括电感A L1、电感A L2和电感C L3，所述MOS管I上设有漏极、源极和栅极，所述MOS管I包括MOS管A Q1、MOS管B Q2、MOS管C Q3、MOS管D Q4、MOS管E Q5和MOS管F Q6，所述MOS管A Q1、MOS管B Q2、MOS管C Q3、MOS管D Q4、MOS管E Q5以及MOS管F Q6的栅极与微控制器***模块3相连；所述MOS管A Q1、MOS管B Q2以及MOS管C Q3的漏极一侧连接在一起并与整流模块10相连，所述MOS管D Q4、MOS管E Q5以及MOS管F Q6的源极一侧连接在一起也与整流模块10相连；所述MOS管A Q1的源极与MOS管D Q4的漏极相串联并与电感A L1的一端相连，所述MOS管B Q2的源极与MOS管E Q5的漏极相串联并与电感A L2一端相连；所述MOS管C Q3的源极与MOS管FQ6的漏极相串联并与电感C L3一端相连，所述电感A L1、电感A L2、电感C L3的另一端均与高频脉冲模块8相连。所述微控制器***模块3分别通过控制与其连接的各个MOS管I的栅极电压，从而控制相应的MOS管I的开通和关断，MOS管A Q1、MOS管B Q2、MOS管C Q3的开通相位依次相差120°。通过MOS管A Q1与MOS管D Q4的交替开通和关断，控制电感A L1的电流大小，通过MOS管B Q2与MOS管E Q5的交替开通和关断，控制电感A L2的电流大小，通过MOS管C Q3与MOS管F Q6的交替开通关断，控制电感C L3的电流大小，电感A L1、电感A L2和电感C L3的电流叠加在一起后，输出给高频脉冲模块8。
如图3所示，所述高频脉冲模块8包括电容A C1、若干个焊接端子、MOS管II和二极管；所述焊接端子包括接线端子A X1、接线端子B X2、接线端子C X3和接线端子D X4，所述接线端子A X1和接线端子B X2连接在一起后与电容A C1的前端相连，所述线端子C X3和接线端子D X4连接在一起后与电容A C1的后端相连，所述电容A C1的前端和后端均与脉冲输出接口7相连；所述MOS管II包括相并联的MOS管G Q7和MOS管H Q8，所述MOS管II上设有漏极、源极和栅极，所述MOS管G Q7的栅极、MOS管H Q8的栅极与微控制器***模块3相连；所述二极管包括二极管C D3以及并联在一起的二极管A D1、二极管B D2、二极管D D4，所述二极管A D1、二极管B D2和二极管D D4的阴极连接在一起并与电容A C1的前端相连，所述二极管A D1、二极管B D2和二极管D D4的阳极连接在一起并分别与MOS管G Q7的漏极、MOS管HQ8的漏极、二极管C D3的阳极相连，所述MOS管G Q7的源极和MOS管H Q8的源极与电容A C1的后端相连，所述二极管C D3的阴极与整流模块10相连。所述微控制器***模块3通过分别控制与其连接的MOS管G Q7和MOS管H Q8的栅极电压，从而分别控制MOS管G Q7和MOS管H Q8的开通与关断；当MOS管G Q7和MOS管H Q8均开通时，电能转换模块9输出的电流通过MOS管GQ7和MOS管H Q8流回电能转换模块9；当MOS管G Q7和MOS管H Q8均关断时，电能转换模块9输出的电流通过并联在一起的二极管A D1、二极管B D2、二极管D D4给电容A C1充电，使电容A C1的端电压快速升高，当电容A C1电压高于整流模块10输出电压，并且，钼丝与工件之间空气未击穿时，电流通过二极管C D3流回整流模块10，当钼丝与工件之间空气击穿后，电流通过所述并联在一起的三个二极管，流经需要加工的工件，实现对工件的加工。
本发明的电火花线切割的纳秒级脉冲电源***的控制原理：所述整流模块10通过不控整流电路把从电源输入接口11输入的交流电整流转化为电压源，微控制器***模块3通过外接的辅助电源输入接口1和若干输入输出接口与外界进行通信，电能转换模块9接收整流模块10输出的电压源后，在微控制器***模块3的控制下，通过三相交错BUCK电路调整各个MOS管I的开通和关断，经电感滤波后，输出设定值附近的恒定电流；微控制器***模块3负责产生高频信号并将其传递给高频脉冲模块8，高频脉冲模块8根据该高频信号，通过控制高频MOS管II的开通和关断将电能转换模块9输出的恒定电流转化为脉冲能量，该脉冲能量通过脉冲数输出接口输出。
以上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电火花线切割的纳秒级脉冲电源***的控制方法，其特征在于，所述的电源***包括电源本体，所述电源本体包括微控制器***模块、整流模块、电能转换模块和高频脉冲模块，所述微控制器***模块的一端外接有辅助电源输入接口和若干输入输出接口，所述输入输出接口包括脉冲输出使能输入接口、丝速控制接口、组态号接口和通信接口，所述微控制器***模块的另一端分别与电能转换模块、高频脉冲模块相连，所述电能转换模块与高频脉冲模块之间相互连接；所述整流模块的一端外接有电源输入接口，所述整流模块的另一端分别与脉冲输出接口、高频脉冲模块相互连接，所述高频脉冲模块的另一端外接有脉冲输出接口；
所述微控制器***模块采用ARM架构微控制芯片；
所述电能转化模块包括若干电感和MOS管I，所述电感包括电感A、电感B和电感C，所述MOS管I包括MOS管A、MOS管B、MOS管C、MOS管D、MOS管E和MOS管F，所述MOS管I上设有漏极、源极和栅极，所述MOS管A、MOS管B、MOS管C、MOS管D、MOS管E以及MOS管F的栅极均与微控制器***模块相连；所述MOS管A、MOS管B以及MOS管C的漏极一侧连接在一起并与整流模块相连，所述MOS管D、MOS管E以及MOS管F的源极一侧连接在一起也与整流模块相连；所述MOS管A的源极与MOS管D的漏极相串联并与电感A的一端相连，所述MOS管B的源极与MOS管E的漏极相串联并与电感B一端相连；所述MOS管C的源极与MOS管F的漏极相串联并与电感C一端相连，所述电感A、电感B、电感C的另一端均与高频脉冲模块相连；
所述高频脉冲模块包括电容A、若干个焊接端子、MOS管II和二极管；所述焊接端子包括接线端子A、接线端子B、接线端子C和接线端子D，所述接线端子A和接线端子B连接在一起后与电容A的前端相连，所述线端子C和接线端子D连接在一起后与电容A的后端相连，所述电容A的前端和后端均与脉冲输出接口相连；所述MOS管II包括相并联的MOS管G和MOS管H，所述MOS管II上设有漏极、源极和栅极，所述MOS管G的栅极、MOS管H的栅极均与微控制器***模块相连；所述二极管包括二极管C以及并联在一起的二极管A、二极管B、二极管D，所述二极管A、二极管B和二极管D的阴极连接在一起并与电容A的前端相连，所述二极管A、二极管B和二极管D的阳极连接在一起并分别与MOS管G的漏极、MOS管H的漏极、二极管C的阳极相连，所述MOS管G的源极和MOS管H的源极与电容A的后端相连，所述二极管C的阴极与整流模块相连；
所述微控制器***模块通过外接的辅助电源输入接口和若干输入输出接口与外界进行通信，所述整流模块通过不控整流电路把从电源输入接口输入的交流电整流转化为电压源，电能转换模块接收整流模块输出的电压源后，在微控制器***模块的控制下，通过三相交错BUCK电路调整各个MOS管I的开通和关断，经电感滤波后，输出设定值附近的恒定电流；微控制器***模块负责产生高频信号并将其传递给高频脉冲模块，高频脉冲模块根据该高频信号，通过控制高频MOS管II的开通和关断将电能转换模块输出的恒定电流转化为脉冲能量，该脉冲能量通过脉冲数输出接口输出。
2.根据权利要求1所述的电火花线切割的纳秒级脉冲电源***的控制方法，其特征在于，所述微控制器***模块分别通过控制与其连接的各个MOS管I的栅极电压，从而控制相应的MOS管I的开通和关断；并且，通过MOS管A与MOS管D的交替开通和关断，控制电感A的电流大小，通过MOS管B与MOS管E的交替开通和关断，控制电感B的电流大小，通过MOS管C与MOS管F的交替开通关断，控制电感C的电流大小，电感A、电感B和电感C的电流叠加在一起后，输出给高频脉冲模块。
3.根据权利要求2所述的电火花线切割的纳秒级脉冲电源***的控制方法，其特征在于，所述的MOS管A、MOS管B、MOS管C的开通相位依次相差120°。
4.根据权利要求1-3任一项所述的电火花线切割的纳秒级脉冲电源***的控制方法，其特征在于，所述的微控制器***模块通过分别控制与其连接的MOS管G和MOS管H的栅极电压，从而分别控制MOS管G和MOS管H的开通与关断；当MOS管G和MOS管H均开通时，电能转换模块输出的电流通过MOS管G和MOS管H流回电能转换模块；当MOS管G和MOS管H均关断时，电能转换模块输出的电流通过并联在一起的二极管A、二极管B、二极管D给电容A充电，使电容A的端电压快速升高，当电容A电压高于整流模块输出电压，并且，钼丝与工件之间空气未击穿时，电流通过二极管C流回整流模块，当钼丝与工件之间空气击穿后，电流通过所述并联在一起的三个二极管，流经需要加工的工件，实现对工件的加工。
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