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与流程

本发明涉及脉冲电源技术，具体涉及一种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。

背景技术：

脉冲电源作为电火花加工机床的一个核心部分，决定着加工表面的粗糙度、电极丝损耗、加工精度、加工效率以及电能的利用率等，因此零件加工对脉冲电源的效率等提出了非常高的要求。在中走丝线切割电火花工业领域有相当一部分商用机床的脉冲电源采用电阻式晶体管电源，通过调节功率回路的串联电阻阻值大小来调节输出电流，但是这样的脉冲电源损耗很大，效率低。

此外，电源间隙放电状态是机床伺服跟踪的唯一依据，精准识别脉冲电源的间隙放电状态有利于提高加工效率和放电率。传统的间隙放电状态识别，根据滤波后的间隙平均电压进行状态识别，其检测时间在毫秒级，而每个加工周期一般在微秒级，因此采用传统方法不能知道每个加工周期的间隙放电状况，及时处理有害脉冲（比如排屑不好引起的瞬时短路）。其次，实际加工时，根据不同的加工需求，脉宽脉间比会进行相应调整，导致三种间隙放电状态的平均电压阈值的相对大小也会变化，因此间隙平均电压的状态识别方法不再适用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无阻式中走丝脉冲电源的间隙放电状态识别方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种无阻式中走丝脉冲电源，包括功率回路、驱动电路、fpga控制器、电压检测电路和电流检测电路，其中功率回路用于给间隙提供击穿电压和击穿后的放电能量；所述电压检测电路和电流检测电路用于实时检测间隙的电压和电流信号，进行滤波和调理后得到模拟信号，再进行模数转换得到数字信号给fpga控制器；所述fpga控制器用于根据电流、电压以及给定的目标参数输出pwm控制信号给驱动电路，同时对电流和电压信号进行分析，识别每个加工周期的间隙放电状态，为伺服系统的进给方向和速度提供依据；所述驱动电路对pwm控制信号进行数字隔离和放大，产生驱动信号驱动功率回路中mos管的通断。

所述功率回路采用无输出电容的降压型同步整流buck型电路为主拓扑，包括输入稳压电解电容，第一开关管、第二开关管，电感和二极管，其中第一开关管和第二开关管一端连接，第一开关管和第二开关管另一端分别与输入稳压电解电容的两端连接，第一开关管和第二开关管的连接点和电感连接，电感的另一端连接二极管的阳极，二极管的阴极和第二开关管与输入稳压电解电容的连接点分别连接间隙两端。

所述第一开关管和第二开关管选用infineon公司的型号为ipp200n25nfd的n沟道mosfet，所述电感采用功率扁平导线电感，所述二极管选用型号为sbr60a300ct。

所述fpga控制器选取型号为ep4ce15f23c8。

所述驱动电路采用数字隔离器加不隔离的半桥驱动芯片结构，数字隔离器选用型号为adum1100的芯片，半桥驱动芯片选用型号为ucc27714的驱动芯片，adum1100接受fpga的pwm输出信号，然后输出隔离的信号给ucc27714的原边，经驱动芯片放大，再去驱动功率回路中的mos管。

所述电压检测电路采用仪用运放电路。

所述电流检测电路包括霍尔电流传感器以及运算放大器构成后级的调理电路。

一种基于无阻式中走丝脉冲电源的加工方法，包括如下步骤：

步骤1：在引弧阶段，即一个加工周期开始时，由fpga控制器产生pwm信号，经过驱动电路放大后，控制第一开关管导通，第二开关管关断，向负载间隙提供输入电压；

步骤2：若在设定的最大等待击穿时间阈值内，电流检测电路检测到电流上升，电压检测电路检测到电压下降，则间隙被击穿或短路，进入间隙放电期间，第一开关管继续导通，直到检测到电流达到期望值或者异常放电，由fpga控制产生pwm信号，控制第一开关管断开，经过死区时间后，再控制第二开关管开通，为电感电流续流，当电流到零时，进入间隙截止阶段，此时关断第二开关管；

若第一开关管导通设定的最大等待击穿时间阈值后，电流检测电路和电压检测电路仍没有检测到间隙击穿，则此加工周期不放电，第一开关管，等待进入下一个加工周期；

步骤3：重复上述两步骤，实现加工周期的循环。

一种基于无阻式中走丝脉冲电源的间隙放电状态识别方法，包括如下步骤：

步骤1：一个加工周期开始时，即从第一开关管（q1）导通到设定的最大等待击穿时间阈值时，检测该时间段内的间隙电压计算平均电压，若平均电压为空载电压时，识别间隙为空载状态；否则转入步骤2进行正常放电和短路放电判断；

步骤2：当第一开关管（q1）断开，且死区时间后，第二开关管（q2）导通时，检测间隙电流计算电流下降斜率的变化率，如果斜率变化率超过设定的下降斜率变化率阈值，则识别间隙为短路，若果斜率几乎不变或变化小，则识别间隙为正常放电；

步骤3：重复步骤1、2，识别每个加工周期间隙放电状态。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1）本发明脉冲电源结构简单、电感储能、高效节能，并且无需高压击穿回路，控制灵活可靠；2）本发明功率拓扑采用了无输出电容的降压型同步整流buck型电路，并且在电感输出侧串联一个二极管，能够防止间隙电压震荡而发生电流反向流；3）本发明电压检测采用运放电路，电流检测采用霍尔电流传感器加调理电路，这保证了电压电流测量的稳定精确、高带宽和实时性，为之后单个加工周期放电状态的实时识别提供了保证；4）本发明识别方法综合了间隙的实时电压和电流，放电状态识别的准确性不受放电脉宽和脉间时间比、加工周期的影响，多种加工参数可以任意调节。

附图说明

图1为本发明无阻式中走丝脉冲电源的系统架构框图。

图2为本发明无阻式中走丝脉冲电源的功率回路电路图。

图3为本发明所用数字隔离器和驱动芯片原理应用图。

图4为差分电压采样电路图。

图5为霍尔电流传感器应用图。

图6为中走丝加工时单个加工周期的放电波形示意图。

图7为三种间隙放电状态的电压电流示意图。

图8为本发明空载、正常放电及短路三种状态的间隙电压、电流实验波形图。

图9为本发明不同脉宽脉间比时连续加工放电的间隙电压、电流实验波形图。

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。

如图1所示，无阻式中走丝脉冲电源包括功率回路、驱动电路、现场可编程门阵列fpga控制器、电压检测电路和电流检测电路。其中功率回路负责给间隙提供击穿电压和击穿后的放电能量；电压检测电路、电流检测电路实时检测负载（间隙）的电压和电流，信号经过滤波和调理后得到模拟信号，模拟信号经过模数转换得到数字信号，最后给fpga控制器；fpga控制器根据得到的电流、电压检测信号以及给定的目标参数，输出pwm控制信号给驱动电路，驱动电路对pwm控制信号进行数字隔离和放大，产生驱动信号驱动功率回路中mos管的通断。同时检测的电压、电流信号经过fpga控制器的分析运算，来实时识别每个加工周期的间隙放电状态，并且由fpga输出相应状态的信号给伺服跟踪，为伺服系统的进给方向和进给速度提供必要依据。

如图2所示，功率回路采用无输出电容的降压型同步整流buck型电路为主拓扑，包括一个输入稳压电解电容cin，2个开关管q1、q2，1个电感l1和一个二极管dout。q1和q2分别作为上下管，和l1构成同步整流拓扑，l1的另一端接dout的阳极，dout的阴极和下管q2的另一端接间隙两端。由于在电感输出侧串联一个二极管，能够防止间隙电压震荡而发生电流反向流。

功率回路中开关管采用sic材料的功率mos管，选取了金属-氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。这里根据实际快走丝电火花线切割脉冲电源的需求选用infineon公司的型号为ipp200n25nfd的n沟道mosfet，其漏源极耐压vds高达250v，额定电流id为61a，导通内阻小于22毫欧姆，其允许的最大脉冲电流256a，工作频率高达1mhz，可以用在高频率，大电流的中小功率的快走丝线切割。电感采用功率扁平导线电感，电感值为3.3uh，二极管选用型号为sbr60a300ct，反向耐压300v，正向连续导通电流60a。

功率回路中控制mos管的通断的信号均由fpga控制器产生。在本发明中fpga选取型号为ep4ce15f23c8，为altera公司cycloneiv系列的高速处理器，其时钟频率高达472mhz，配备两路高速、高精度ad转换芯片用于采样信号的输入。

考虑到fpga不足以驱动开关管的通断，以及功率回路和弱电电路之间的相互影响，因此本发明fpga和功率电路之间需要隔离型的驱动电路，用来对fpga发出的控制信号进行放大，输出一定电压幅值满足驱动能力的驱动信号。

如图3所示，此隔离型驱动电路，采用数字隔离器加不隔离的半桥驱动芯片构成。数字隔离器选用型号为adum1100的芯片，接受fpga的pwm输出信号，然后输出隔离的信号给驱动芯片ucc27714的原边，经驱动芯片放大，再去驱动功率回路中的mos管。ucc27714可通过独立输入配置高、低侧，完全运行时的hs脚电压高达600v，灌/拉电流为4a，专用于驱动功率金属氧化物半导体场效应管（mosfet），或绝缘栅双极晶体管。

无论是功率回路本身的控制，要实现保护功能和等能量放电，还是为了提高放电率，而为伺服跟踪系统提供间隙放电实时状态，这些都需要实时，精准的电压电流检测。如图4所示，电压检测电路采用仪用运放电路（差分电压采样），具有高输入阻抗、高共模抑制比、增益调节方便、带宽高、采样精确等优点；如图5所示，电流检测电路采用霍尔电流传感器以及运算放大器构成后级的调理电路，具有隔离、安全可靠、精度高等优点。二者均采用高速、宽带宽的运放芯片lmh6643max/nopb，抗干扰强、精确度高、稳定性好。电流霍尔传感器选用allegro公司的型号为acs732的电流芯片，输出带宽可以达到1mhz，量程为40a，满足本脉冲电源的检测要求。

综上所述，本发明无阻式中走丝脉冲电源，其功率拓扑采用了无输出电容的降压型同步整流buck型电路，并且在电感输出侧串联一个二极管，能够防止间隙电压震荡而发生电流反向流。脉冲电源结构简单，电感储能，无阻、高效节能，并且无需高压击穿回路，控制灵活可靠。

如图5所示，一个完整的加工周期，包括加工阶段和消电离阶段，加工阶段又包括引弧阶段和放电阶段，td为引弧阶段，ton为放电阶段，toff为消电离阶段，三个加起来便是一个完整的加工周期ts。这里以等能量三角波加工为例，在一个加工周期开始时，即t0时刻，q1导通，相当于同步整流buck型功率电路全占空比打开，在输出端的间隙两端产生一个比较高的击穿电压（也称空载电压），大小为输入电压，便于在伺服系统控制间隙足够近的时候，能够击穿放电，设置一个最大的等待击穿时间tdm（即td的最大值），若当td大于tdm时，还未检测到间隙电压下降，电流上升，则认为没有击穿，直接关断q1，不放电（ton为零），进入消电离阶段。

若当td小于或等于tdm时，检测到间隙击穿，则进入放电阶段，电流检测电路检测到间隙电流达到预设的目标值，就断q1，经过100ns的死区后，再开通q2，提供续流回路，电流开始下降，当电流下降为0时，断开q2，放电阶段结束，开始进入消电离阶段，一直持续到下一个加工周期。

如果间隙是短路状态，则没有引弧阶段（td），只要q1一通，电流就开始上升，然后到达目标值，断开q1，死区时间后开q2，电流下降到0，断开q2，一直到这个加工周期结束。

综上所述，无阻式中走丝脉冲电源的控制加工方法，包括如下步骤：

步骤1：在引弧阶段（间隙未被击穿），一个加工周期开始时，由fpga产生pwm信号，经过驱动电路放大后，控制q1导通，q2关断，向负载间隙提供比较高的击穿电压，大小等于输入电压，以便于在间隙距离比较近时，能击穿放电。若当q1开通5us（设定的最大等待击穿时间阈值，即在此时间内，提供高压给间隙），电流电压检测并没有检测到间隙击穿，则此加工周期不放电，断开q1。等待进入下一个加工周期。

步骤2：若当q1开通时间小于5us时，检测到电流上升，电压下降，则间隙被击穿（或短路），进入间隙放电期间，q1继续开通（不受5us的时间阈值限制），直到检测到电流大小达到期望值后（或者异常放电，如短路），由fpga产生pwm信号，控制q1断开，经过100ns的死区时间后，再控制q2开通，为电感电流续流。当电流到零时，进入间隙截止阶段（脉间），此时关断q2。

步骤3：重复上诉两步骤，实现加工周期的循环。

图6是三个加工周期的间隙电压电流波形示意图，包括了三种间隙放电状态，即空载、正常放电和短路。可以看出，空载时，间隙电压很高，为输入电压，并且有很小的漏电流；对于正常放电状态，在加工周期刚开始时，间隙输出电压为空载电压，持续一段时间，当间隙击穿时，间隙电压迅速下降到维持电压，此时间隙电流也迅速上升；当间隙为短路状态时，一个加工一开始，间隙电压就下降得非常低，此时电流也迅速上升，并且在电流下降阶段的斜率变化比较大。据此，本发明还提出了一种新的间隙放电状态监测方法，通过检测从提供高压时刻到之后的tdm（最大击穿等待时间）时间内的间隙平均电压，以及电流下降阶段的斜率变化，来判断间隙放电状态，具体包括如下步骤：

步骤1：由电压检测电路和电流检测电路测得间隙实时电压电流波形，ad转换后传给fpga模块，经过软件滤波后，将一个加工周期开始时，即从q1开通时到接下来的5us（设定的最大等待击穿时间阈值）内的电压波形测出，并计算出平均电压vavg，记空载、正常放电、短路状态的平均电压分别为vavg1、vavg2、vavg3；

在中走丝电火花线切割机床上做实验，得到间隙在空载、正常放电以及短路三种状态时的真实间隙电压、电流波形图如图8所示，有以下结论：空载时，vavg1大小等于空载电压；正常放电时，vavg2介于空载电压和维持电压之间；短路时，vavg3大小等于短路电压；其中空载电压等于脉冲电源的最大输出电压，一般选取80v，维持电压一般取20v，稍大于短路电压，短路电压一般在10v以下，可以看出vavg1远大于vavg2，vavg2稍大于vavg3。然而，如果实际加工中伺服跟踪跟得比较紧，脉冲电源连续放电，则正常放电时的击穿等待时间几乎为零，此时的vavg逼近于短路电压，因此根据此平均电压大小可以识别空载状态，正常放电和短路状态根据平均电压无法完全识别，即当计算出的平均电压vavg为空载电压时，识别间隙为空载状态，否则转入步骤2进一步判断是正常放电还是短路状态。

步骤2：当q1断开，等待死区时间（一般取100ns），q2通时，电流开始下降，通过电流采样得到电流下降阶段的实时波形，计算电流下降斜率的变化，如果斜率变化得大，超过设定的下降斜率阈值，则识别间隙为短路，若果斜率几乎不变或变化小，则识别间隙为正常放电。

步骤3：完成一个加工周期的间隙放电状态识别。重复步骤1、2，识别每个加工周期间隙放电状态，便于为伺服跟踪提供进给方向和进给速度的重要指标。利用本发明的间隙放电状态检测方法进行伺服跟踪，得到如图9所示的连续放电波形，可以间接证明，本发明提出的这种新型识别方法，三种放电状态的临界输出平均电压阈值确定，不受放电脉宽和脉间时间比、加工周期的限制，多种加工参数可以任意调节。