CN114024464B - 一种电火花脉冲电源单周期控制的动态调节策略 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电火花脉冲电源单周期控制的动态调节策略，通过预测开关管的占空比，使电路快速进入稳态，从而解决单周期非线性控制的超调和次谐波震荡问题。电火花脉冲电源主功率拓扑为Buck电路，采样电路对输入电压信号、输出电压信号和输出电流信号进行实时采样并送进FPGA中，FPGA判断电路状态并根据动态调节策略预测电路进入稳态所需要的占空比。该方法根据电流采样值与参考值的差值，判断电路状态，电路在电流动态调节阶段或次谐波震荡状态时启动动态调节策略，调整电流波形。该方法能有效去除超调引起的电流波形尖刺，改善加工质量，同时快速解决电流的震荡，维持输出稳定。

Description

一种电火花脉冲电源单周期控制的动态调节策略
技术领域
本发明属于电火花线切割、成形电火花等多场合大功率加工高频脉冲电源控制领域，尤其是涉及一种电火花脉冲电源单周期控制的动态调节策略。
背景技术
随着我国对高硬度、高熔点、高脆性等新型材料、复杂异形结构和高精密核心零部件 等加工需求的迅猛发展，现代绿色智能高端加工设备的研发和设计能力亟待提高。电火花 加工是一种非传统加工技术，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。电火花加工可对各类导体和半导体材料、特别是传统机械接触式加工难于或不能加 工的高硬度、高强度、高熔点、高韧性、高脆性等特殊材料、特殊结构以及复杂形状零部 件进行高效、精密加工，在微精加工制造领域发挥着重要的、甚至是不可或缺的作用。
脉冲电源是电火花加工机床的重要组成部分，早期大多数电火花加工机床采用非独立 式或晶体管式脉冲电源，这种电源能够输出稳定的脉冲波形，但是输出波形单一，且能量 利用率不高。随着电力电子技术的发展，新的电路拓扑和控制技术被引入脉冲电源中，新 的电路拓扑包括基于Buck的节能式电源、基于Flyback拓扑的微细电火花电源、基于LLC 和LCL的谐振式电源等，新的控制技术包括自适应控制、线性非线性结合控制、直接电流 控制等。近年来，有学者提出一种单周期非线性电流控制方法，这种控制方法能够快速调 节脉冲电源输出电流，动态响应能力好，电流跟随性好，稳定性强，适合应用于电火花电源控制中，通过电流参考值，电源能够输出不同波形和幅值的电流，极大丰富了脉冲 电源的输出波形，有利于电火花加工条件的进一步探究。单周期非线性电流控制算法是 一种基于电火花加工间隙性质的电流直接控制方法，能够使输出电流迅速跟上参考值， 输出期望的电流波形，但由于动态时拟合占空比与理想值有差距，电流动态调节时会产 生过冲，造成输出波形出现尖刺，同时，当电路稳态占空比大于0.5时，电路会产生次 谐波震荡，造成***失稳，因此需要提出一种电流动态调节补偿策略，用于解决电流过 冲和次谐波震荡问题。
已有研究提出了解决超调和次谐波震荡的方法，对于传统PID控制，通过降低比例系数、增大积分常数和合理匹配微分常数来降低超调，但传统方法调节时间长，不能满 足高动态要求；解决次谐波震荡问题的方法通常为斜坡补偿技术，这种技术已经较为成 熟，经典的斜坡补偿技术通过单一的补偿斜率对电流环进行补偿，这种方式补偿斜率固 定，不能满足不同占空比的电路要求；分段斜坡补偿设定了不同占空比下不同的斜坡补 偿斜率，改善了固定补偿斜率的缺陷，但是不能满足不同开关频率的需要；指数型斜坡 补偿方案实现了补偿斜率随频率的连续变化，并且在不同频率下的补偿斜率调节更为精 准，但是这种方法的动态性能不够好，不能满足电火花加工要求。因此提出一种单周期 控制的动态调节策略，通过预测电路到达稳态的占空比，使电路能够在1～2个开关周期 内到达稳态，满足不同占空比需求，适应不同的开关频率，动态响应好。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，在于提供一种电火花脉冲电源 单周期控制的动态调节策略，有效去除超调引起的电流波形尖刺，同时解决电流次谐波震荡问题。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于Buck电火花电路加工脉冲电源，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电源的输出电压和输出电流；所述的控制电路基 于FPGA实现电流动态调节补偿策略，通过输入电压、输出电压、输出电流和参考电流 预测电流到达稳态所需占空比，优化输出电流波形；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开关管Q1、续流开关管Q2、大功率加工切换开关管QH、 续流二极管D1、电感L1、防回流二极管DL1，其中开关管Q1的漏极与输入电压源相连， 源极与电感L1相连，电感的另一端与防回流二极管DL1的阳极相连，防回流二极管DL1的阴极与大功率加工切换开关管QH的漏极相连，大功率加工切换开关管QH源极接工件， 开关管Q2的漏极与续流二极管D1的阳极相连，并连接到开关管Q1与电感L1的连接点 处，开关管Q2的源极与续流二极管D1的阴极相连并接地。
根据权利要求1所述的电火花加工脉冲电源，其特征在于，所述开关管Q1、续流 开关管Q2、大功率加工切换开关管QH选用N沟道增强型MOSFET，续流二极管D1、 防回流二极管DL1选用可快速恢复的肖特基二极管，电感L1采用扁平铜导线电感，可通 过大电流。
进一步的，所述控制电路采用基于FPGA的数字控制电路实现。
一种电火花加工脉冲电源单周期控制动态补偿策略，基于上述电火花加工脉冲电源，根据输入电压、输出电压、输出电流和参考电流判断电路状态，预测电流到达稳态 所需占空比，优化输出电流波形，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：根据加工质量需求选择合适的电流波形，包括矩形波、阶梯波、梳状波；
步骤3：根据开关频率fs和电流波形，确定脉宽时间Ton和脉间时间Toff，设置参考电流基准值iref；
步骤4：在加工周期开始阶段，控制开关管Q1、切换开关管QH开通，续流开关管 Q2关断，输入电压Vin加在间隙两端，直至间隙击穿；
步骤5：实时电源的电压信号和电流信号，分别进行AD转换得到电源输入电压、 输出电压和输出电流的数字信号，当检测到输出电压小于击穿电压阈值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，电源进入脉 宽时间Ton；
步骤6：脉宽时间Ton内，电流上升或下降阶段，根据输入电压Vin、输出电压Vd、 输出电流id_v和参考电流iref预测电流到达稳态所需占空比，开关频率为fs，线路感抗为 L，占空比d1表达式为：
然后通过驱动电路将生成的PWM信号送给开关管Q1，续流开关管Q2控制信号与 Q1相反，并留有一定死区时间，输出电流在上升或下降阶段迅速到达稳态，避免电流出 现过冲；
步骤7：脉宽时间结束后，进入脉间时间Toff，此时关闭所有开关管，电源输出电流为零，加工间隙进入消电离阶段；
步骤8：重复步骤4～7，进行下一个加工周期。
进一步的对于电路次谐波震荡问题，根据输出电流和参考电流的差值判断电路是否 进入了次谐波震荡，并计算电路重新进入稳态所需的占空比，解决电路的次谐波震荡问题，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：根据加工质量需求选择合适的电流波形，包括矩形波、阶梯波、梳状波；
步骤3：根据开关频率fs和电流波形，确定脉宽时间Ton和脉间时间Toff，设置参考电流基准值iref；
步骤4：在加工周期开始阶段，控制开关管Q1、切换开关管QH开通，续流开关管 Q2关断，输入电压Vin加在间隙两端，直至间隙击穿；
步骤5：实时电源的电压信号和电流信号，分别进行AD转换得到电源输入电压、 输出电压和输出电流的数字信号，当检测到输出电压小于击穿电压阈值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，电源进入脉 宽时间Ton；
步骤6：脉宽时间Ton内，电流稳态阶段，根据输出电流id_v和参考电流iref差值判 断电路是否发生次谐波震荡，发生次谐波震荡时，采样电流满足：
步骤7：电路发生谐波震荡后，根据输入电压Vin、输出电压Vd、输出电流id_v和参 考电流iref预测电流到达稳态所需占空比，占空比d1表达式为：
然后通过驱动电路将生成的PWM信号送给开关管Q1，续流开关管Q2控制信号与 Q1相反，并留有一定死区时间，输出电流脱离脱离次稳态迅速到达稳态；
步骤8：脉宽时间结束后，进入脉间时间Toff，此时关闭所有开关管，电源输出电流为零，加工间隙进入消电离阶段；
步骤9：重复步骤4～8，进行下一个加工周期。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.本发明控制方法能够预测电路到达稳态的占空比，使在能够在1～2个开关周期内到达稳态，优化电路输出波形；
2.本发明控制方法能够快速解决电流动态调节时的过冲问题；
3.本发明控制方法能够判断电路是否进入次谐波震荡，并快速解次谐波震荡问题， 使电路重新进入稳态；
4.本发明控制方法适应不同的占空比和开关频率，适应性好。
附图说明
图1为本发明的电火花加工脉冲电源的主电路拓扑示意图。
图2(a)为未加动态调节策略的电流上升段波形；
图2(b)为加动态调节策略的电流上升段波形。
图3(a)为未加动态调节策略的电流下降段波形；
图3(b)为加动态调节策略的电流下降段波形。
图4(a)为电路次谐波震荡波形；
图4(b)为加动态调节策略的电流波形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
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所示，一种电火花加工脉冲电源，包括主功率拓扑、检测电路、基于FPGA 控制电路和驱动电路，所述主功率拓扑用于为间隙提供击穿电压和击穿后的放电能量； 所述检测电路实时检测电路中的输入电压、输出电压和输出电流信号，经过信号调理和 模数转换得到数字信号，然后传输给FPGA控制器；所述控制电路基于提出的动态调节 方法，输出控制开关管的PWM信号；所述驱动电路将PWM信号放大，用于驱动开关 管开通与关断。
所述主功率拓扑包括开关管Q1、续流开关管Q2、大功率加工切换开关管QH、续流 二极管D1、电感L1、防回流二极管DL1，其中开关管Q1的漏极与输入电压源相连，源 极与电感L1相连，电感的另一端与防回流二极管DL1的阳极相连，防回流二极管DL1的 阴极与大功率加工切换开关管QH的漏极相连，大功率加工切换开关管QH源极接工件， 开关管Q2的漏极与续流二极管D1的阳极相连，并连接到开关管Q1与电感L1的连接点 处，开关管Q2的源极与续流二极管D1的阴极相连并接地。
所述单周期控制动态调节策略用于电流的动态调节，如图3(a)为未加调节策略电流 上升阶段波形，电流经过几个开关周期的调节才能到达稳态点，电流波形上升段有明显过冲，图3(b)在电流上升段接入动态调节策略，预测电流到达稳态的占空比，如图所示 电流在一个开关周期迅速到达稳态点，电流波形得到优化。如图4(a)为未加调节策略电 流下降阶段波形，同样的电流需要经过几个开关周期的调节才能到达稳态点，电流波形 上升段有明显的波动，图3(b)在电流下降段接入动态调节策略，预测电流到达稳态的占 空比，如图所示电流在一个开关周期迅速到达稳态点，电流迅速达到期望值。
如图4(a)，电路在2Ts时刻加入一个占空比扰动电路进入次谐波震荡，电流波形出现很大程度的畸变，严重影响脉冲电源性能，在电路稳态阶段引入动态调节策略， 判断电路是否进入次谐波震荡，并预测电路到达稳态所需的占空比，使电路迅速到达稳 态，稳定电流输出波形，如图4(b)所示。
本发明控制电路是FPGA和AD9226模块共同构成的数字控制电路，AD9226模块 是12位并行高速模数转换模块，最高转换频率为50MHz，该模块能实时将电源输入电 压、输出电压和输出电流传递给控制器，控制器根据d1＝Vd(Vin+Vd)/2Vin 2+fsL(iref-id_v)/Vin判 预测到达稳态的占空比，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：根据加工质量需求选择合适的电流波形，包括矩形波、阶梯波、梳状波；
步骤3：根据开关频率fs和电流波形，确定脉宽时间Ton和脉间时间Toff，设置参考电流基准值iref；
步骤4：在加工周期开始阶段，控制开关管Q1、切换开关管QH开通，续流开关管 Q2关断，输入电压Vin加在间隙两端，直至间隙击穿；
步骤5：实时电源的电压信号和电流信号，分别进行AD转换得到电源输入电压、 输出电压和输出电流的数字信号，当检测到输出电压小于击穿电压阈值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，电源进入 脉宽时间Ton；
步骤6：脉宽时间Ton内，电流上升或下降阶段，根据输入电压Vin、输出电压Vd、 输出电流id_v和参考电流iref预测电流到达稳态所需占空比，然后驱动电路根据生成的 PWM信号控制开关管Q1、续流开关管Q2的导通与关断，输出电流在上升或下降阶段 迅速到达稳态，避免电流出现过冲；
步骤7：脉宽时间结束后，进入脉间时间Toff，此时关闭所有开关管，电源输出电流为零，加工间隙进入消电离阶段；
步骤8：重复步骤4～7，进行下一个加工周期。
进一步的对于电路次谐波震荡问题，控制器根据id_v≥±10％|iref-vd(vin-vd)/2fsvinL|和 d1＝Vd(Vin+Vd)/2Vin 2+fsL(iref-id_v)/Vin判断电路状态并预测到达稳态的占空比，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：根据加工质量需求选择合适的电流波形，包括矩形波、阶梯波、梳状波；
步骤3：根据开关频率fs和电流波形，确定脉宽时间Ton和脉间时间Toff，设置参考电流基准值iref；
步骤4：在加工周期开始阶段，控制开关管Q1、切换开关管QH开通，续流开关管 Q2关断，输入电压Vin加在间隙两端，直至间隙击穿；
步骤5：实时电源的电压信号和电流信号，分别进行AD转换得到电源输入电压、 输出电压和输出电流的数字信号，当检测到输出电压小于击穿电压阈值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，电源进入 脉宽时间Ton；
步骤6：脉宽时间Ton内，电流稳态阶段，根据输出电流id_v和参考电流iref差值判 断电路是否发生次谐波震荡，根据输入电压Vin、输出电压Vd、输出电流id_v和参考电流 iref预测电流到达稳态所需占空比，然后通过驱动电路根据生成的PWM信号控制开关管 Q1、续流开关管Q2的导通与关断，使输出电流脱离脱离次稳态迅速到达稳态；
步骤8：脉宽时间结束后，进入脉间时间Toff，此时关闭所有开关管，电源输出电流为零，加工间隙进入消电离阶段；
步骤9：重复步骤4～8，进行下一个加工周期。
本发明的电火花脉冲电源单周期控制的动态调节策略，能够优化已有的电流控制算 法，在动态调节阶段，通过预测电路到达稳态的占空比，调节电流在1～2个开关周期到达稳态，优化电流输出波形，在稳态阶段，该策略能够判断电路状态，并在电路到达次 谐波状态时快速调节电路进入稳态，优化电流波形。
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 (3)

1.一种电火花脉冲电源单周期非线性控制的动态调节策略，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；
所述大功率加工电路包括开关管Q1、续流开关管Q2、大功率加工切换开关管QH、续流二极管D1、电感L1、防回流二极管DL1，其中开关管Q1的漏极与输入电压源相连，源极与电感L1相连，电感的另一端与防回流二极管DL1的阳极相连，防回流二极管DL1的阴极与大功率加工切换开关管QH的漏极相连，大功率加工切换开关管QH源极接工件，开关管Q2的漏极与续流二极管D1的阳极相连，并连接到开关管Q1与电感L1的连接点处，开关管Q2的源极与续流二极管D1的阴极相连并接地；
在电流次稳态阶段，根据输出电流和参考电流的差值判断电路是否进入了次谐波震荡，并计算电路重新进入稳态所需的占空比，解决电路的次谐波震荡问题，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：根据加工质量需求选择合适的电流波形，包括矩形波、阶梯波、梳状波；
步骤3：根据开关频率fs和电流波形，确定脉宽时间Ton和脉间时间Toff，设置参考电流基准值iref；
步骤4：在加工周期开始阶段，控制开关管Q1、切换开关管QH开通，续流开关管Q2关断，输入电压Vin加在间隙两端，直至间隙击穿；
步骤5：实时电源的电压信号和电流信号，分别进行AD转换得到电源输入电压、输出电压和输出电流的数字信号，当检测到输出电压小于击穿电压阈值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，电源进入脉宽时间Ton；
步骤6：脉宽时间Ton内，电流稳态阶段，根据输出电流id_v和参考电流iref差值判断电路是否发生次谐波震荡，发生次谐波震荡时，采样电流满足：
步骤7：电路发生谐波震荡后，根据输入电压Vin、输出电压Vd、输出电流id_v、电感L1和参考电流iref预测电流到达稳态所需占空比，占空比d1表达式为：
然后通过驱动电路将生成的PWM信号送给开关管Q1，续流开关管Q2控制信号与Q1相反，并留有一定死区时间，输出电流脱离脱离次稳态迅速到达稳态；
步骤8：脉宽时间结束后，进入脉间时间Toff，此时关闭所有开关管，电源输出电流为零，加工间隙进入消电离阶段；
步骤9：重复步骤4～8，进行下一个加工周期。
2.根据权利要求1所述的一种电火花脉冲电源单周期非线性控制的动态调节策略，其特征在于，所述开关管Q1、续流开关管Q2、大功率加工切换开关管QH选用N沟道增强型MOSFET，续流二极管D1、防回流二极管DL1选用可快速恢复的肖特基二极管，电感L1采用扁平铜导线电感，可通过大电流。
3.根据权利要求1所述的一种电火花脉冲电源单周期非线性控制的动态调节策略，其特征在于，所述控制电路采用基于FPGA的数字控制***来实现。
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