CN111313739B - 基于线性非线性控制的交错并联磁集成电火花脉冲电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线性非线性控制的交错并联磁集成电火花脉冲电源，包括直流输入电源、脉冲电源主电路、间隙电压检测电路、间隙电流检测电路、驱动电路、FPGA控制器，直流电源用于给脉冲电源主电路供电；脉冲电源主电路用于提供放电能量；电压检测电路和电流检测电路用于对间隙电压和间隙放电电流进行采样；FPGA控制器根据电压和电流采样信号产生多路PWM信号；驱动电路用于对PWM信号进行滤波、放大，控制脉冲电源主电路中开关管的导通和关断，具体采用线性非线性的控制方法，线性控制部分采用传统的平均电流法，非线性控制部分采用饱和占空比输出。本发明提高了电源的动态响应能力，减小了输出电流纹波，实现了放电能量的可控。

Description

基于线性非线性控制的交错并联磁集成电火花脉冲电源

技术领域

本发明涉及电火花成形加工脉冲电源，特别是涉及基于线性非线性控制的交错并联磁集成电火花脉冲电源。

背景技术

电火花成形加工是一种用可控电能在工具电极和工件间形成火花放电来移除被加工材料的非传统加工技术。常用于模具生产中的型孔、型腔加工，在微精加工领域有着不可或缺的作用。现有的脉冲电源大多为电阻式脉冲电源，主要通过控制电阻大小和放电频率来控制放电能量，可控参数太少，电流波形变化局限。存在着电流可控性差，加工效率低，电能利用率低，动态响应性能差等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于线性非线性控制的交错并联磁集成电火花脉冲电源及其工作方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于线性非线性控制的交错并联磁集成电火花脉冲电源，包括直流输入电源、脉冲电源主电路、间隙电压检测电路、间隙电流检测电路、驱动电路、FPGA控制器，直流电源用于给脉冲电源主电路供电；脉冲电源主电路用于提供放电能量；电压检测电路和电流检测电路用于对间隙电压和间隙放电电流进行采样；FPGA控制器根据电压和电流采样信号产生多路PWM信号；驱动电路用于对PWM信号进行滤波、放大，控制脉冲电源主电路中开关管的导通和关断。

进一步的，所述脉冲电源主电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一电容、第一输出二极管、第二输出二极管、第三输出二极管、第四输出二极管，其中第一开关管、第二开关管、第一电感、第一输出二极管组成第一路同步整流Buck电路；第三开关管、第四开关管、第二电感、第二输出二极管组成第二路同步整流Buck电路；第五开关管、第六开关管、第三电感、第三输出二极管组成第三路同步整流Buck电路；第七开关管、第八开关管、第四电感、第四输出二极管组成第四路同步整流Buck电路；四路同步整流Buck电路的上管的一端连接到输入直流电源的正极，另一端和电感串联；四路同步整流Buck电路的下管的一端连接到电感与上管之间的串联点，另一端接到输入直流电源的负极，即为接地；四路同步整流Buck电路的输出二极管的正极连接电感的另一端，负极连接间隙的正极；四个电感的一端接在上下管的公共点，另一端连接在一起接到输出二极管的正极，其中第一电感和第二电感反向耦合，第三电感和第四电感反向耦合；第一电容和输入直流电源并联连接。

更进一步的，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管采用金属-氧化物半导体场效应晶体管。

更进一步的，所述第一输出二极管、第二输出二极管、第三输出二极管、第四输出二极管均采用肖特基二极管。

进一步的，所述间隙电压检测电路选择电阻分压电路。

进一步的，所述间隙电流检测电路选择电流霍尔传感器。

进一步的，所述FPGA控制器选用AX4010系列开发板。

进一步的，所述驱动电路选用自带隔离的高低侧双路输出的驱动芯片。

一种基于上述电火花脉冲电源的工作方法，包括如下步骤：

步骤一：在击穿延时阶段，FPGA控制器产生PWM信号，控制第一开关管导通，其余开关管关断，此时由第一开关管、第二开关管构成单路同步整流Buck电路向间隙提供正向输入电压，以便间隙能够击穿，形成放电通道；

步骤二：当间隙击穿后，形成放电通道，进入间隙放电阶段，此时间隙采样电压低于阈值电压上限，FPGA控制器产生饱和占空比的PWM信号去控制第一开关管、第三开关管、第五开关管、第七开关管开通；第二开关管、第四开关管、第六开关管、第八开关管关断，即非线性控制，此时电感处于耦合状态，等效电感最小，间隙电流迅速上升；

步骤三：当放电电流达到电流设定值时，FPGA控制器根据稳态运行时间隙采样电流与电流设定值的误差信号输出多路PWM信号控制四路同步整流Buck电路交错工作，四路驱动信号之间的相移时间相等，总的相移时间相加等于开关周期，即线性控制；在加工过程中，如果出现短路或者电弧放电等不正常放电现象，此时间隙采样电压低于电压阈值下限V_L，FPGA控制器产生饱和占空比的PWM信号去控制第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管关断，即非线性控制，放电电流迅速下降，将不正常放电对脉冲电源的危害降到最低；

步骤四：当放电持续时间达到时间设定值时，FPGA控制器产生饱和占空比的PWM信号控制第二开关管、第四开关管、第六开关管、第八开关管开通；第一开关管、第三开关管、第五开关管、第七开关管关断，即非线性控制。此时进入放电拖尾阶段；

步骤五：在间隙电流降到零之后，FPGA控制器控制所有的开关管关断，进入电路消电离阶段，为下一周期的放电做准备；

步骤六：重复上述五步骤，实现加工周期的循环。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)采用交错并联的拓扑结构等效提高了电路的开关频率，降低了输出电流纹波，提高了脉冲电源的功率密度；2)采用耦合电感代替原有的独立电感，反向耦合方式减小了等效电感，提高了动态响应能力和***的能量效率；3)采用线性非线性的控制方法，在一个加工周期中，FPGA控制器灵活切换线性控制与非线性控制，非线性控制提高了负载突变时的动态响应能力；在稳态运行时，通过线性控制实现放电电流波形可控，灵活控制放电能量。

附图说明

图1为本发明交错并联磁集成电火花脉冲电源***的组成框图。

图2为本发明交错并联磁集成电火花脉冲电源的拓扑示意图。

图3为本发明交错并联磁集成电火花脉冲电源***的典型放电波形示意图。

图4为本发明电流霍尔传感器的原理图。

图5为本发明驱动电路的原理图。

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，本发明提出的基于线性非线性控制的交错并联磁集成电火花脉冲电源包括直流输入电源、脉冲电源主电路、间隙电压检测电路、间隙电流检测电路、驱动电路、FPGA控制器，直流电源用于给脉冲电源主电路供电；脉冲电源主电路用于提供放电能量；电压检测电路和电流检测电路用于对间隙电压和间隙放电电流进行采样；FPGA 控制器根据电压和电流采样信号产生多路PWM信号；驱动电路用于对PWM信号进行滤波、放大，控制脉冲电源主电路中开关管的导通和关断。

如图2所示，提出的线性非线性控制的交错并联磁集成电火花脉冲电源拓扑包括包括第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄、第五开关管Q₅、第六开关管Q₆、第七开关管Q₇、第八开关管Q₈、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感 L₃、第四电感L₄、第一电容C_p1、第一输出二极管D₁、第二输出二极管D₂、第三输出二极管D₃、第四输出二极管D₄，其中第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第一电感L₁、第一输出二极管D₁组成第一路同步整流Buck电路；第三开关管Q₃、第四开关管Q₄、第二电感L₂、第二输出二极管D₂组成第二路同步整流Buck电路；第五开关管Q₅、第六开关管Q₆、第三电感L₃、第三输出二极管D₃组成第三路同步整流Buck电路；第七开关管Q₇、第八开关管Q₈、第四电感L₄、第四输出二极管D₄组成第四路同步整流Buck 电路；四路同步整流Buck电路的上管的一端连接到输入直流电源的正极，另一端和电感串联；四路同步整流Buck电路的下管的一端连接到电感与上管之间的串联点，另一端接到输入直流电源的负极，即为接地；四路同步整流Buck电路的输出二极管的正极连接电感的另一端，负极连接间隙的正极；四个电感L₁、L₂、L₃和L₄一端接在上下管的公共点，另一端连接在一起接到输出二极管的正极，其中第一电感L₁和第二电感L₂反向耦合，第三电感L₃和第四电感L₄反向耦合；第一电容C_p1和输入直流电源并联连接。

脉冲电源主电路中第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管 Q₄、第五开关管Q₅、第六开关管Q₆、第七开关管Q₇和第八开关管Q₈采用金属-氧化物半导体场效应晶体管，具体选用Infineon公司的型号为IPP60R074C6的N沟道MOSFET，其耐压V_DS高达600V，通流能力I_D为57.7A，导通电阻很小，开关损耗和导通损耗很低。适用于高频、大电流的中大功率的应用场合。第一输出二极管D₁、第二输出二极管D₂、第三输出二极管D₃、第四输出二极管D₄采用肖特基二极管，具体选用ON Semiconductor公司的型号为FFP30S60S的肖特基二极管，其反向重复峰值电压V_RRM高达600V，平均正向电流I_F(AV)为30A，开关速度小于40ns，其低存储电荷和超快的软恢复弱化了电路中的电噪声，减少了功率损耗。

为了实时精确采样间隙电流和间隙电压，还需要有合适的电流电压检测电路。本发明的电流采样电路选择Allegro公司推出的型号为ACS732KLATR-40AB-T的电流霍尔传感器，图3为电流霍尔传感器的典型应用原理图。其检测的电流范围最大可达到正负 40A，带宽为1MHz，检测电流的灵敏度为50mV/A，线性度非常好，初级导通电阻为 1mΩ，损耗较低。并且此芯片还包含过流保护和可编程功能。电压检测电路采用传统的电阻分压电路，简单可靠。

数字控制模块由现场可编程门阵列FPGA来实现。通过硬件描述语言实现逻辑运算，最大的特点就是可以并行运算，工业应用十分广泛。综合考虑资源要求选择ALINX公司的FPGA集成开发模块AX4010。对应的采样模块选用的是ALINX公司与AX4010 型号的FPGA开发板相匹配的ALINX9226模块。它有两路采样通道，采样信号通过SMA 接口后，经过高速AD采样芯片得到数模转换后的数据，最后传输给FPGA控制模块，根据电源和加工要求，由FPGA完成相应的算法设计，输出多路PWM控制信号来送给驱动电路，再来控制电路中的开关管的导通和关断。

驱动电路可以选用自带隔离的高低侧双路输出的驱动芯片，图4为本发明中的驱动电路应用示意图，这里采用Texas Instruments公司推出的型号为UCC21521的栅极驱动IC芯片，带宽高达5MHz，它可以配置为两个低端驱动，两个高端驱动，或者一个具有可编程死区时间的半桥驱动。所有的电源电压引脚都有欠压锁定保护。芯片内部还包含关闭输出的使能脚作为故障安全措施。这些优良特性使其在电源模块的应用中实现了高效率、高功率密度和鲁棒性。

综上所述，本发明提出的交错并联磁集成电火花脉冲电源拓扑，采用耦合电感代替分立电感，并且选择反向耦合方式，等效电感减小，提高了变换器的动态响应速度；多路交错并联的拓扑结构可以等效提高开关频率，适当增加变换器的带宽，多路电感电流交错叠加，有效的减小输出电流纹波。

图5为电火花成形加工一个完整加工周期的典型间隙电压、电流波形图，分为三个阶段：击穿延时阶段t_delay、放电阶段t_on和消电离阶段t_off。在击穿延时阶段，间隙处于绝缘状态，间隙电流为0，间隙电压等于开路电压v_open；间隙击穿后，进入放电阶段，间隙电压由原来的开路电压降为维持电压v_dis，此时放电电流的峰值为I_{d_peak}；放电结束后，进入消电离阶段，间隙电压和间隙电流均降为0。

在一个完整的加工周期中，FPGA控制器灵活切换线性控制与非线性控制，非线性控制提高了负载突变时的动态响应能力；在稳态运行时，通过线性控制实现放电电流波形可控，灵活控制放电能量。具体的实施过程如下：

步骤一：在击穿延时阶段，FPGA控制器产生PWM信号，控制第一开关管Q₁导通，其余开关管关断，此时由Q₁、Q₂构成单路同步整流Buck电路向间隙提供正向输入电压，以便间隙能够击穿，形成放电通道。

步骤二：当间隙击穿后，形成放电通道，进入间隙放电阶段，此时间隙采样电压低于电压阈值上限V_H，FPGA控制器产生饱和占空比(占空比等于1)的PWM信号去控制第一开关管Q₁、第三开关管Q₃、第五开关管Q₅、第七开关管Q₇开通；第二开关管 Q₂、第四开关管Q₄、第六开关管Q₆、第八开关管Q₈关断，即非线性控制。此时电感处于耦合状态，等效电感最小，间隙电流迅速上升。

步骤三：当放电电流达到电流设定值I_{d_peak}时，FPGA控制器根据稳态运行时间隙采样电流与电流设定值I_{d_peak}的误差信号输出多路PWM信号控制四路同步整流Buck电路交错工作，四路驱动信号之间的相移时间相等，总的相移时间相加等于开关周期，即线性控制。在加工过程中，如果出现短路或者电弧放电等不正常放电现象，此时间隙采样电压低于电压阈值下限V_L，FPGA控制器产生饱和占空比(占空比等于0)的PWM 信号去控制第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄、第五开关管Q₅、第六开关管Q₆、第七开关管Q₇、第八开关管Q₈关断，即非线性控制。放电电流迅速下降，将不正常放电对脉冲电源的危害降到最低。

步骤四：当放电持续时间t_s(脉宽)达到时间设定值t_L时，FPGA控制器产生饱和占空比(占空比等于0)的PWM信号控制第二开关管Q₂、第四开关管Q₄、第六开关管 Q₆、第八开关管Q₈开通；第一开关管Q₁、第三开关管Q₃、第五开关管Q₅、第七开关管Q₇关断，即非线性控制。此时进入放电拖尾阶段。

步骤五：由于电火花成形加工中的电解液绝缘性很高，因此不需要外部消电离。在间隙电流降到零之后，FPGA控制器控制所有的开关管关断，进入电路消电离阶段，为下一周期的放电做准备。

步骤六：重复上述五步骤，实现加工周期的循环。

综上所述，在一个加工周期的不同阶段，结合电火花加工的负载特性，根据间隙采样电压v_d、间隙采样电流i_d和脉宽计数值t_s，FPGA控制器灵活选择线性控制与非线性控制。在负载突变时，切换到非线性控制，可以实现变换器的最佳动态响应。在稳态运行阶段，切换至线性控制，可以提高脉冲电源主电路的稳态性能，实现放电脉宽和放电电流波形灵活变换，即实现放电能量的可控。多路交错并联的电路结构等效提高了电路的开关频率，有效的减小了输出电流纹波，降低输出滤波器的容量。

Claims (7)

1.基于线性非线性控制的交错并联磁集成电火花脉冲电源，其特征在于，包括直流输入电源、脉冲电源主电路、间隙电压检测电路、间隙电流检测电路、驱动电路、FPGA控制器，直流输入电源用于给脉冲电源主电路供电；脉冲电源主电路用于提供放电能量；电压检测电路和电流检测电路用于对间隙电压和间隙放电电流进行采样，得到电压和电流采样信号；FPGA控制器根据电压和电流采样信号产生多路PWM信号；驱动电路用于对PWM信号进行滤波、放大，控制脉冲电源主电路中开关管的导通和关断；

所述脉冲电源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(Q₄)、第五开关管(Q₅)、第六开关管(Q₆)、第七开关管(Q₇)、第八开关管(Q₈)、第一电感(L₁)、第二电感(L₂)、第三电感(L₃)、第四电感(L₄)、第一电容(C_p1)、第一输出二极管(D₁)、第二输出二极管(D₂)、第三输出二极管(D₃)、第四输出二极管(D₄)，其中第一开关管(Q₁)、第二开关管(Q₂)、第一电感(L₁)、第一输出二极管(D₁)组成第一路同步整流Buck电路；第三开关管(Q₃)、第四开关管(Q₄)、第二电感(L₂)、第二输出二极管(D₂)组成第二路同步整流Buck电路；第五开关管(Q₅)、第六开关管(Q₆)、第三电感(L₃)、第三输出二极管(D₃)组成第三路同步整流Buck电路；第七开关管(Q₇)、第八开关管(Q₈)、第四电感(L₄)、第四输出二极管(D₄)组成第四路同步整流Buck电路；四路同步整流Buck电路的上管的一端连接到输入直流电源的正极，另一端和电感串联；四路同步整流Buck电路的下管的一端连接到电感与上管之间的串联点，另一端接到直流输入电源的负极，即为接地；四路同步整流Buck电路的输出二极管的正极连接电感的另一端，负极连接间隙的正极；每个电感一端接在上下管的公共点，另一端连接到输出二极管的正极，其中第一电感(L₁)和第二电感(L₂)反向耦合，第三电感(L₃)和第四电感(L₄)反向耦合；第一电容(C_p1)和直流输入电源并联连接；

所述电火花脉冲电源的工作方法，包括如下步骤：

步骤一：在击穿延时阶段，FPGA控制器产生PWM信号，控制第一开关管(Q₁)导通，其余开关管关断，此时由第一开关管(Q₁)、第二开关管(Q₂)构成单路同步整流Buck电路向间隙提供正向输入电压，以便间隙能够击穿，形成放电通道；

步骤二：当间隙击穿后，形成放电通道，进入间隙放电阶段，此时间隙采样电压低于阈值电压上限(V_H)，FPGA控制器产生饱和占空比的PWM信号去控制第一开关管(Q₁)、第三开关管(Q₃)、第五开关管(Q₅)、第七开关管(Q₇)开通；第二开关管(Q₂)、第四开关管(Q₄)、第六开关管(Q₆)、第八开关管(Q₈)关断，即非线性控制，此时第一至第四电感处于耦合状态，等效电感最小，间隙电流迅速上升；

步骤三：当放电电流达到电流设定值(I_{d_peak})时，FPGA控制器根据稳态运行时间隙采样电流与电流设定值(I_{d_peak})的误差信号输出多路PWM信号控制四路同步整流Buck电路交错工作，四路驱动信号之间的相移时间相等，总的相移时间相加等于开关周期，在加工过程中，如果出现短路或者电弧放电不正常放电现象，此时间隙采样电压低于电压阈值下限(V_L)，FPGA控制器产生饱和占空比的PWM信号去控制第一开关管(Q₁)、第二开关管(Q₂)、第三开关管(Q₃)、第四开关管(Q₄)、第五开关管(Q₅)、第六开关管(Q₆)、第七开关管(Q₇)、第八开关管(Q₈)关断，放电电流迅速下降，将不正常放电对脉冲电源的危害降到最低；

步骤四：当放电持续时间(t_s)达到时间设定值(t_L)时，FPGA控制器产生饱和占空比的PWM信号控制第二开关管(Q₂)、第四开关管(Q₄)、第六开关管(Q₆)、第八开关管(Q₈)开通；第一开关管(Q₁)、第三开关管(Q₃)、第五开关管(Q₅)、第七开关管(Q₇)关断，即非线性控制此时进入放电拖尾阶段；

步骤五：在间隙电流降到零之后，FPGA控制器控制所有的开关管关断，进入电路消电离阶段，为下一周期的放电做准备；

步骤六：重复步骤一至五，实现加工周期的循环。

2.根据权利要求1所述的线性非线性控制的交错并联磁集成电火花脉冲电源，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)、第五开关管(Q₅)、第六开关管(Q₆)、第七开关管(Q₇)、第八开关管(Q₈)采用金属-氧化物半导体场效应晶体管。

3.根据权利要求1所述的线性非线性控制的交错并联磁集成电火花脉冲电源，其特征在于，所述第一输出二极管(D₁)、第二输出二极管(D₂)、第三输出二极管(D₃)、第四输出二极管(D₄)均采用肖特基二极管。

4.根据权利要求1所述的线性非线性控制的交错并联磁集成电火花脉冲电源，其特征在于，所述间隙电压检测电路选择电阻分压电路。

5.根据权利要求1所述的线性非线性控制的交错并联磁集成电火花脉冲电源，其特征在于，所述间隙电流检测电路选择电流霍尔传感器。

6.根据权利要求1所述的线性非线性控制的交错并联磁集成电火花脉冲电源，其特征在于，所述FPGA控制器选用AX4010系列开发板。

7.根据权利要求1所述的线性非线性控制的交错并联磁集成电火花脉冲电源，其特征在于，所述驱动电路选用自带隔离的高低侧双路输出的驱动芯片。

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