CN114024463B - 一种中走丝脉冲电源的新型脉宽补偿均流控制方法 - Google Patents
一种中走丝脉冲电源的新型脉宽补偿均流控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114024463B CN114024463B CN202111143817.0A CN202111143817A CN114024463B CN 114024463 B CN114024463 B CN 114024463B CN 202111143817 A CN202111143817 A CN 202111143817A CN 114024463 B CN114024463 B CN 114024463B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- current
- switch tube
- tube
- switching tube
- fpga
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 38
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims abstract description 26
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 18
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 15
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 13
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 claims description 7
- 238000007514 turning Methods 0.000 claims description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 claims 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 abstract 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 14
- 230000000151 anti-reflux effect Effects 0.000 description 8
- 238000010892 electric spark Methods 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 4
- 238000002242 deionisation method Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 2
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000008186 active pharmaceutical agent Substances 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 1
- 238000011010 flushing procedure Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 239000012224 working solution Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M11/00—Power conversion systems not covered by the preceding groups
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
- B23H7/00—Processes or apparatus applicable to both electrical discharge machining and electrochemical machining
- B23H7/02—Wire-cutting
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
- B23H7/00—Processes or apparatus applicable to both electrical discharge machining and electrochemical machining
- B23H7/02—Wire-cutting
- B23H7/04—Apparatus for supplying current to working gap; Electric circuits specially adapted therefor
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
- H02M3/157—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators with digital control
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
- H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
- H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
- H02M3/1584—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
- Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)
Abstract
本发明公开了一种应用于中走丝脉冲电源的均流方法及其控制方法，包括电压采样电路、电流采样电路、FPGA数字控制器及主功率电路。针对“割一”加工方式进行设计，第一刀是对工件进行切割。第一刀加工时主电路上管以及切断管导通，电压加在间隙两端，FPGA检测间隙击穿后，FPGA控制四路电路同时导通，当上升到FPGA中设定的电流阈值时，FPGA通过对四路交错导通顺序进行控制，当完成单个加工放电周期时，FPGA控制四路电路同时关断。本发明实现了对一次加工四路电路导通顺序的控制和各段时间内电路平均加工电流均衡，达到加工电流的精确控制，减小加工电流纹波，防止电路单路过热，保证了工件表面的光洁度及电源运行的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于电火花线切割、成形电火花等场合加工用高频脉冲电源电流控制领域，特别是涉及一种高速往复走丝(中走丝)脉冲电源的新型具有脉宽补偿的均流控制方法。
背景技术
电火花加工是目前应用最为广泛的非传统加工方式之一，其原理是在一定的工作液中，通过在电极丝和工件间施加连续高频脉冲，形成火花放电通道，对金属材料进行熔化、气化蚀除加工。为解决更高加工效率与加工表面质量之间的矛盾，具有多次切割功能的往复走丝电火花线切割，即“中走丝”加工技术已获得普遍认可，为进一步推动线切割加工技术的发展提供了新的研究思路和方法。
我国关键核心零部件自主制造能力不足的问题愈发明显，对于高效率、高精度、高质量加工技术的需求愈发迫切。对被加工的材料种类，加工后工件表面精度，持续加工时长，加工效率等都有了较高的要求，而现有加工机床使用的的脉冲电源大部分仍采用电阻式，无法控制电流，能量损耗严重，因此现已有的传统的机械加工方式已经很难满足上诉要求。随着电力电子技术的发展，目前已有学者将Buck变换器应用于电火花脉冲电源中，用Buck变换器的储能电感代替阻式脉冲电源的电阻，同时实现节能和加工过程中电流可控。同时为减小电流纹波，提高加工电流可控性，已有学者使用四路Buck 变换器交错并联构成新式电火花脉冲电源。但是实际加工中会出现某路Buck变换器发热较其它几路Buck变换器更为严重的情况，这会影响脉冲电源持续加工时长和长时间加工稳定性，这是由各路Buck变换器流过电流不均所造成的，为解决这个问题，本发明提出了一种中走丝脉冲电源的新型脉宽补偿均流控制方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种中走丝脉冲电源的新型均流控制方法，为电火花脉冲电源的长时间稳定加工提供保障。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种中走丝脉冲电源的新型均流控制方法，包括主功率电路、电压和电流检测电路、FPGA控制电路、驱动电路以及切换电路，所述的主功率电路用于电火花线切割一次加工中；所述电压和电流检测电路用于检测与采集间隙电压和间隙电流；所述的FPGA控制电路，基于计数器计时控制，通过调整PWM 波顺序，在单个放电加工周期内按一定规律循环往复产生开关管导通关断控制信号；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、切断管Qoff、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、第一防回流二极管D1、第二防回流二极管D2、第三防回流二极管D3、第四防回流二极管D4。
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D1、第二防回流二极管D2、第三防回流二极管 D3、第四防回流二极管D4的阳极相连并且第一防回流二极管D1、第二防回流二极管D2、第三防回流二极管D3、第四防回流二极管D4的阴极与切断管Qoff的漏极相连，切断管 Qoff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的连接点分别与第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8的漏极相连，第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8的源极接地。
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、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8和切断管Qoff选用金属氧化物半导体场效应晶体管。第一防回流二极管D1、第二防回流二极管D2、第三防回流二极管D3、第四防回流二极管D4选用MBR40250TG型二极管，第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4采用扁平铜导线电感。
所述电流检测电路采用电流检测芯片ACS732和两级运算放大器AD4084组合，电流检测芯片ACS732接收间隙电流信号转换为电压信号，经过两级运算放大器AD4084 转换为FPGA模数转换模块可接受电压范围。
所述电压检测电路采用差分采样电路，通过差分采样间隙输出电压转换为FPGA模数转换模块可接受电压范围。
所述FPGA数字控制电路采用AX515，模数转换模块选用ALINX9226，数字隔离芯片选用ADUM1100。模数转换模块ALINX9226接收间隙电压电流模拟信号，转换为数字信号传输给FPGA，FPGA生成相应PWM控制驱动芯片UCC21521。
一种中走丝脉冲电源的新型均流控制方法，基于上述中走丝脉冲电源，根据间隙电压与间隙电流情况进行开关管导通与关断控制，通过控制开关管按一定规律循环往复导通使得在单个放电加工周期内各路Buck变换器平均电流相等，具体步骤如下：
步骤1：根据加工材料和加工工件厚度，设置好脉冲电源的开关频率fs、输入电压V1、电压采样频率kv、电流采样频率ki；
步骤2：在第一刀大功率切割时，选择电流波形为矩形波；
步骤3：根据开关频率fs和电流波形，确定施加脉冲的时间Ton和消电离时间Toff，设置矩形波峰值电流Iset；
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，使得间隙储能以最快的速率上升；
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，此时引入均流控制策略，FPGA生成PWM信号，经驱动芯片控制第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4继续同时导通，当间隙电流上升到Iset后，按1、 2、3、4；2、3、4、1；3、4、1、2……在均流时间内，上管导通时对应下管关断，上管关断时对应下管关断，如此规律循环往复控制开关管交替导通，使得每路电路电流平均值相等。
步骤6：电流放电完成后，进行消电离；
步骤7：重复步骤3-6，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.本发明控制方法能够使各路电路在放电加工过程中的平均电流相等，避免单路过热，提高中走丝脉冲电源长时间加工稳定性。
2.***具有良好的均流瞬态响应特征，且***稳定，可应用于在线切割加工中的第一刀，且控制加工电流波形为矩形波。
3.本发明控制电路采用了FPGA架构实现，采用数字控制方法，与传统的模拟控制电路相比，成本更低，并且其控制精度较高、开关管导通关断顺序控制调整更为方便、加工电流峰值连续可调。
4.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***的效率。
附图说明
图1为本发明的中走丝脉冲电源框架示意图。
图2为驱动电路选用的隔离的高低侧双路输出的驱动芯片的原理图。
图3为补偿占空比示意图。
图4本发明的中走丝工脉冲电源的矩形波电流加工示意图。
图5为本发明的中走丝脉冲电源的均流控制示意图。
图6为本发明的中走丝脉冲电源的主电路拓扑。
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。
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。
如图1和2所示，一种电火花中走丝脉冲电源，可用于大功率粗加工和微细精加工，包括主功率电路、检测电路、控制电路和驱动电路。所述的主功率电路用于电火花线切割的第一刀加工过程；所述的检测电路用于检测间隙电压和间隙电流；所述的控制电路基于FPGA实现中走丝脉冲电源第一刀加工各路电流均流控制，以单个放电加工周期为例，通过按照一定规律循环往复产生控制开关管导通和关断的信号使各路电流的平均值相等；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；
所述主功率电路，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、切断管Qoff、第五续流开关管Q5、第六续流开关管Q6、第七续流开关管Q7、第八续流开关管Q8、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第一防回流二极管D1、第二防回流二极管D2、第三防回流二极管D3、第四防回流二极管D4，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D1、第二防回流二极管D2、第三防回流二极管D3、第四防回流二极管D4的阴极相连，切断管Qoff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的连接点分别与第五续流开关管Q5、第六续流开关管Q6、第七续流开关管Q7、第八续流开关管Q8的漏极相连，第五续流开关管Q5、第六续流开关管Q6、第七续流开关管Q7、第八续流开关管Q8的源极接地。
本发明主功率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。由于本发明需要应用于电火花线切割这种加工情况比较复杂的电加工场合，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MOSFET晶体管，该型号MOSFET的漏源极电压VDS高达600V，漏极电流ID为57.7A，可以适用于多种功率不同的电火花加工场合。
本发明中的二极管为肖特基二极管，型号为MBR40250TG。
如图4所示，对于驱动电路，本发明采用自带隔离的高低端驱动芯片，这里采用Texas Instruments公司推出的型号为UCC21521的栅极驱动IC芯片，这是双通道，高速，隔离，带有使能脚的栅极驱动芯片，带宽高达5MHz，隔离电压高到5.7kV，浪涌抗干扰电压为12.8kV。此驱动芯片可以同时产生高侧和低侧驱动，并且原边和副边隔离，减小了主电路和控制电路之间的干扰。
如图3所示，电压检测电路，采用仪表用运算放大电路，通过差分采样间隙输出电压转换为FPGA数模转换模块可接受电压范围。
如图4所示，电流检测电路采用电流检测芯片ACS732和两级运算放大器AD4084 组合，电流检测芯片ACS732接收间隙电流信号转换为电压信号，经过两级运算放大器 AD4084转换为FPGA数模转换模块可接受电压范围。
并且对应FPGA开发板的型号为AX515。
本发明控制电路由FPGA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，FPGA再根据采样得到的间隙电压、间隙电流进行间隙状态判断，并按照FPGA内部计数器计时情况，按照一定规律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。
基于上述中走丝脉冲电源的新型均流控制方法，将间隙电压和间隙电流作为间隙状态判断的依据，根据均流控制思想，上述均流控制方法就是通过在一个放电加工周期内，对应于每一个小的四路电路交错导通周期，使得各个开关管导通顺序在每个小的交错周期内不同，并满足在一个放电周期内，各个开关管在各个导通顺序上所占的比例相同。
具体包括如下步骤：
步骤1：根据加工材料和加工工件厚度，设置好脉冲电源的开关频率fs、输入电压V1、电压采样频率kv、电流采样频率ki；
步骤2：在第一刀大功率切割时，选择电流波形为矩形波；
步骤3：根据开关频率fs和电流波形，确定施加脉冲的时间Ton和消电离时间Toff，设置矩形波峰值电流Iset；
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，此时引入均流控制策略，FPGA生成PWM信号，经驱动芯片控制第一开关管Q1、第二开关管 Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4继续同时导通，当间隙电流上升到Iset后，按1、2、 3、4；2、3、4、1；3、4、1、2……如此规律循环往复控制开关管交替导通，使得每路电路电流平均值相等。
步骤6：电流放电完成后，进行消电离；
步骤7：重复步骤3～6，进行下一个加工周期。
具体步骤进行详细描述如下：
步骤一：根据第一刀加工需要，设置好脉冲电源的开关频率fs、输入电压V1、电压采样频率kv、电流采样频率ki，单个四路交错周期为tj，单路开通时间ts，单个交错周期内，相邻开通两路，前一路关断时刻和后一路导通时刻的间隔为t1
步骤二：以单个加工周期为例，第一刀加工开始时，FPGA数字控制电路输出PWM，控制第一开关管(Q1)、第三开关管(Q3)，第二开关管(Q2)，第四开关管(Q4)同时开通，切断管Qoff开通，控制第五开关管(Q5)、第六开关管(Q6)，第七开关管(Q7)，第八开关管(Q8)关断，输入电压V1加在间隙两端，给间隙充电，以便间隙击穿。
步骤三：间隙击穿后放电电流开始快速上升，当电流值上升至FPGA设置的电流阈值后，FPGA计数器1和计数器2从零开始计数，第一开关管(Q1)继续开通，第五开关管(Q2)关断，第一路电流继续上升，第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)关断，第六开关管(Q6)、第七开关管(Q7)、第八开关管(Q8)导通，第二、三、四路电流续流并下降。
步骤四：当FPGA计数器2计到ts时，第一开关管(Q1)关断，第五开关管(Q5) 导通，第一路电流同样续流，四路电流同时下降。
步骤五：当FPGA计数器2计到ts+t0时，第二开关管(Q2)开始开通，第六开关管 (Q6)关断，第二路电流开始上升，第一开关管(Q1)、第三开关管(Q3)、第四开关管 (Q4)关断，第五开关管(Q5)、第七开关管(Q7)、第八开关管(Q8)导通，第一、三、四路电流续流并继续下降。
步骤六：当FPGA计数器2计到2ts+t0+d'ts时，第二开关管(Q2)关断，第六开关管(Q6)导通，第二路电流开始同样续流，四路电流同时下降，FPGA继续计数。
步骤七：当FPGA计数器2计到2ts+2t0+d'ts时，第三开关管(Q3)开始开通，第七开关管(Q7)关断，第三路电流开始上升，第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第四开关管(Q4)关断，第五开关管(Q5)、第六开关管(Q6)、第八开关管(Q8)导通，第一、二、四路电流续流并继续下降。
步骤八：当FPGA计数器2计到3ts+2t0+2d'ts时，第三开关管(Q3)关断，第七开关管(Q7)导通，第三路电流开始同样续流，四路电流同时下降，FPGA继续计数。
步骤九：当FPGA计数器2计到3ts+3t0+2d'ts时，第四开关管(Q4)开始开通，第八开关管(Q8)关断，第四路电流开始上升，第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)关断，第五开关管(Q5)、第六开关管(Q6)、第七开关管(Q7)导通，第一、二、三路电流续流并继续下降。
步骤十：当FPGA计数器2计到4ts+3t0+3d'ts时，第四开关管(Q4)关断，第八开关管(Q8)导通，第四路电流开始同样续流，四路电流同时下降，FPGA继续计数。
步骤十一：当FPGA计数器1计到tj时，计数器1继续计数、计数器2清零并开始重新计数。重复步骤三到步骤十，在计数器2时间分配相同的条件下，对上开关管和下开关管进行开通关断控制，顺序分别为：前四个开关管对应第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)、第一开关管(Q1)；后四个开关管对应第六开关管(Q6)、第七开关管(Q7)、第八开关管(Q8)、第五开关管(Q5)。
步骤十二：当FPGA计数器1计到2tj时，计数器1继续计数、计数器2清零并开始重新计数。重复上述步骤，在计数器2时间分配相同的条件下，对上开关管和下开关管进行开通关断控制，顺序依次左移一位，分别为：前四个开关管对应第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)、第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)；后四个开关管对应第七开关管(Q7)、第八开关管(Q8)、第五开关管(Q5)、第六开关管(Q6)。
步骤十三：当FPGA计数器1计到ntj(n＝3、4、5、6......)时，计数器1继续计数、计数器2清零并开始重新计数。重复上述步骤，在计数器2时间分配相同的条件下，对上开关管和下开关管进行开通关断控制，顺序依次左移一位。通过对开关管的开通和关断顺序进行循环往复控制，使得每路电路所对应电流在单个放电周期内的平均值相等，从而达到均流的目的。
步骤十四：当FPGA计数器1计到Ton时，第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)关断；第五开关管(Q5)、第六开关管(Q6)、第七开关管(Q7)、第八开关管(Q8)导通。电流下降，当检测到电流下降到零时，第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)关断；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。切断管Qoff同样关断，直至计数器1计到Ts，至此单个加工周期完成，然后计数器1清零，重复上述步骤二至步骤十四。直至完成第一刀加工。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.中走丝脉冲电源的均流方法及其控制策略，其特征在于包括主功率电路、电压检测电路、电流检测电路、FPGA数字控制电路，其中主功率电路用于直接控制加工电流；电流检测电路和电压检测电路用于实时检测一刀加工过程中间隙的电流和电压信号；FPGA数字控制电路用于间接控制加工电流，用于设定电流阈值，接收实时间隙电压电流信号进行数模转换，与给定阈值比较，输出PWM信号控制开关管导通关断，所述脉冲电源主电路包括输入直流源(Vin)，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)、电感L1、电感L2、电感L3、电感L4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、切断管(Qoff)，线缆寄生电感(Lp)，所述开关管(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8)，电感L1、电感L2、电感L3、电感L4构成四路并联同步整流Buck电路，所述第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4阳极分别接在靠近电感L1、电感L2、电感L3、电感L4的一端，阴极接在靠近输出侧的一端，所述开关管(Qoff)串联在四路Buck电路与工件正极间，连接主功率电路和工件正极，所述电感(Lp)为四路Buck并联电路输出端与机床加工间隙相连接电缆所对应的寄生电感；
步骤一：根据第一刀加工需要，设置好脉冲电源的开关频率fs、输入电压V1、电压采样频率kv、电流采样频率ki，单个四路交错周期为tj，单路开通时间ts，单路补偿的占空比为d'，L为被补偿路电感感值；单个交错周期内，相邻开通两路，前一路关断时刻和后一路导通时刻的间隔为t0；其中补偿占空比d'为：
步骤二：以单个加工周期为例，第一刀加工开始时，FPGA数字控制电路输出PWM，控制第一开关管(Q1)、第三开关管(Q3)，第二开关管(Q2)，第四开关管(Q4)同时开通，切断管Qoff开通，控制第五开关管(Q5)、第六开关管(Q6)，第七开关管(Q7)，第八开关管(Q8)关断，输入电压V1加在间隙两端，向间隙提供能量，以便间隙击穿；
步骤三：间隙击穿后放电电流开始快速上升，当电流值上升至FPGA设置的电流阈值后，FPGA计数器1和计数器2从零开始计数，第一开关管(Q1)继续开通，第五开关管(Q5)关断，第一路电流继续上升，第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)关断，第六开关管(Q6)、第七开关管(Q7)、第八开关管(Q8)导通，第二、三、四路电流续流并下降；
步骤四：当FPGA计数器2计到ts时，第一开关管(Q1)关断，第五开关管(Q5)导通，第一路电流同样续流，四路电流同时下降；
步骤五：当FPGA计数器2计到ts+t0时，第二开关管(Q2)开始开通，第六开关管(Q6)关断，第二路电流开始上升，第一开关管(Q1)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)关断，第五开关管(Q5)、第七开关管(Q7)、第八开关管(Q8)导通，第一、三、四路电流续流并继续下降；
步骤六：当FPGA计数器2计到2ts+t0+d'ts时，第二开关管(Q2)关断，第六开关管(Q6)导通，第二路电流开始同样续流，四路电流同时下降，FPGA继续计数；
步骤七：当FPGA计数器2计到2ts+2t0+d'ts时，第三开关管(Q3)开始开通，第七开关管(Q7)关断，第三路电流开始上升，第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第四开关管(Q4)关断，第五开关管(Q5)、第六开关管(Q6)、第八开关管(Q8)导通，第一、二、四路电流续流并继续下降；
步骤八：当FPGA计数器2计到3ts+2t0+2d'ts时，第三开关管(Q3)关断，第七开关管(Q7)导通，第三路电流开始同样续流，四路电流同时下降，FPGA继续计数；
步骤九：当FPGA计数器2计到3ts+3t0+2d'ts时，第四开关管(Q4)开始开通，第八开关管(Q8)关断，第四路电流开始上升，第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)关断，第五开关管(Q5)、第六开关管(Q6)、第七开关管(Q7)导通，第一、二、三路电流续流并继续下降；
步骤十：当FPGA计数器2计到4ts+3t0+3d'ts时，第四开关管(Q4)关断，第八开关管(Q8)导通，第四路电流开始同样续流，四路电流同时下降，FPGA继续计数；
步骤十一：当FPGA计数器1计到tj时，计数器1继续计数、计数器2清零并开始重新计数；重复步骤三到步骤十，在计数器2时间分配相同的条件下，对上开关管和下开关管进行开通关断控制，顺序分别为：前四个开关管对应第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)、第一开关管(Q1)；后四个开关管对应第六开关管(Q6)、第七开关管(Q7)、第八开关管(Q8)、第五开关管(Q5)；
步骤十二：当FPGA计数器1计到2tj时，计数器1继续计数、计数器2清零并开始重新计数；重复上述步骤，在计数器2时间分配相同的条件下，对上开关管和下开关管进行开通关断控制，顺序依次左移一位，分别为：前四个开关管对应第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)、第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)；后四个开关管对应第七开关管(Q7)、第八开关管(Q8)、第五开关管(Q5)、第六开关管(Q6)；
步骤十三：当FPGA计数器1计到ntj(n＝3、4、5、6......)时，计数器1继续计数、计数器2清零并开始重新计数；重复上述步骤，在计数器2时间分配相同的条件下，对上开关管和下开关管进行开通关断控制，顺序依次左移一位；通过对开关管的开通和关断顺序进行循环往复控制，使得每路电路所对应电流在单个放电周期内的平均值相等，从而达到均流的目的；
步骤十四：当FPGA计数器1计到Ton时，第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)关断；第五开关管(Q5)、第六开关管(Q6)、第七开关管(Q7)、第八开关管(Q8)导通；电流下降，当检测到电流下降到零时，第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)关断；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；切断管Qoff同样关断，直至计数器1计到Ts，至此单个加工周期完成，然后计数器1清零，重复上述步骤二至步骤十四；直至完成第一刀加工。
2.根据权利要求1所述的中走丝脉冲电源的均流方法及其控制策略，其特征在于，所述开关管、采用Infineon公司的型号为IPP6R074C6的MOSFET，二极管选用F1515S，电感采用扁平铜导线电感。
3.根据权利要求1所述的中走丝脉冲电源的均流方法及其控制策略，其特征在于，所述电流检测电路采用电流检测芯片ACS732和两级运算放大器AD4084组合，电流检测芯片ACS732接收间隙电流信号转换为电压信号，经过两级运算放大器AD4084转换为模数转换模块可接受电压范围。
4.根据权利要求1所述的中走丝脉冲电源的均流方法及其控制策略，其特征在于，所述电压检测电路采用差分采样电路，转换为模数转换模块可接受电压范围。
5.根据权利要求1所述的中走丝脉冲电源的均流方法及其控制策略，其特征在于，所述FPGA数字控制电路采用AX515，模数转换模块选用ALINX9226；模数转换模块ALINX9226接收间隙电压电流模拟信号，转换为数字信号传输给FPGA，FPGA计算生成相应的PWM信号经驱动芯片到MOSFET开关管。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111143817.0A CN114024463B (zh) | 2021-09-28 | 2021-09-28 | 一种中走丝脉冲电源的新型脉宽补偿均流控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111143817.0A CN114024463B (zh) | 2021-09-28 | 2021-09-28 | 一种中走丝脉冲电源的新型脉宽补偿均流控制方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114024463A CN114024463A (zh) | 2022-02-08 |
| CN114024463B true CN114024463B (zh) | 2024-04-16 |
Family
ID=80055022
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111143817.0A Active CN114024463B (zh) | 2021-09-28 | 2021-09-28 | 一种中走丝脉冲电源的新型脉宽补偿均流控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114024463B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103079314A (zh) * | 2012-12-28 | 2013-05-01 | 电子科技大学 | 多路电流源切换装置 |
| CN106849682A (zh) * | 2017-04-18 | 2017-06-13 | 中国石油大学(华东) | 一种三相交错并联llc谐振变换器稳压均流控制方法 |
| CN111313739A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-06-19 | 南京理工大学 | 基于线性非线性控制的交错并联磁集成电火花脉冲电源 |
| CN112636592A (zh) * | 2020-11-29 | 2021-04-09 | 南京理工大学 | 一种电火花脉冲电源的新型单周期控制方法 |
-
2021
- 2021-09-28 CN CN202111143817.0A patent/CN114024463B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103079314A (zh) * | 2012-12-28 | 2013-05-01 | 电子科技大学 | 多路电流源切换装置 |
| CN106849682A (zh) * | 2017-04-18 | 2017-06-13 | 中国石油大学(华东) | 一种三相交错并联llc谐振变换器稳压均流控制方法 |
| CN111313739A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-06-19 | 南京理工大学 | 基于线性非线性控制的交错并联磁集成电火花脉冲电源 |
| CN112636592A (zh) * | 2020-11-29 | 2021-04-09 | 南京理工大学 | 一种电火花脉冲电源的新型单周期控制方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114024463A (zh) | 2022-02-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111313739B (zh) | 基于线性非线性控制的交错并联磁集成电火花脉冲电源 | |
| CN107276405B (zh) | 微细电火花脉冲电源及基于该电源的分段控制方法 | |
| CN112636592B (zh) | 一种电火花脉冲电源的新型单周期控制方法 | |
| US8040702B2 (en) | DC/DC power converting apparatus | |
| CN108672858B (zh) | 全桥交错并联的双极性电火花线切割脉冲电源及加工方法 | |
| US11205948B2 (en) | Gate driver and power converter | |
| CN111193428B (zh) | 微细高频分组脉冲电源 | |
| CN111277138B (zh) | 针对腰鼓问题加工用中走丝线切割脉冲电源及其加工方法 | |
| CN111224576A (zh) | 基于Boost和Buck并联的高低压复合型脉冲电源 | |
| CN110328419B (zh) | 无阻式电火花脉冲电源及其加工和间隙放电状态识别方法 | |
| CN109980945A (zh) | 一种基于电流采样的自适应前沿消隐控制电路 | |
| CN113857594B (zh) | 分组式微细电火花加工脉冲电源 | |
| CN114024463B (zh) | 一种中走丝脉冲电源的新型脉宽补偿均流控制方法 | |
| CN111669034B (zh) | 碳化硅与硅混合并联开关管驱动电路 | |
| CN114888373B (zh) | 一种用于电火花加工的三电平buck脉冲电源 | |
| CN114039501B (zh) | 一种中走丝脉冲电源的放电周期内均流控制方法 | |
| CN115070142B (zh) | 一种应用于电火花加工脉冲电源的新型峰值电流控制方法 | |
| CN114499113A (zh) | 驱动电压和电阻可调的SiC MOSFET驱动控制电路 | |
| CN111431431A (zh) | 防电解高低压复合微细脉冲电源 | |
| CN112620842B (zh) | 一种用于电火花线切割加工的反激式脉冲电源 | |
| CN111293921B (zh) | 一种基于三路电容交错放电的可调型rc微细脉冲电源 | |
| CN115642800A (zh) | 一种非隔离高电压增益单开关dc-dc变换器及其控制方法 | |
| CN115070143A (zh) | 一种四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源及其控制方法 | |
| CN112077406B (zh) | 用于高速往复走丝电火花线切割加工的微能脉冲电源 | |
| CN2792678Y (zh) | 一种在放电回路中无限流元件的脉冲电源 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |