基于FPGA多輸出電火花線切割脈沖電源的研制

徐志偉，方偉文，張永俊，吳濤，梁遠(yuǎn)標(biāo)

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006，2.杭州諾貝爾集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311100）

基于FPGA多輸出電火花線切割脈沖電源的研制

徐志偉1，方偉文2，張永俊1，吳濤1，梁遠(yuǎn)標(biāo)1

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006，2.杭州諾貝爾集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311100）

針對(duì)自主研制的多工位同步電火花線切割機(jī)床，研制了一種多路輸出的脈沖電源，其原理類似于單路輸出脈沖電源，但采用了四路直流斬波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).采用了 FPGA作為控制器實(shí)現(xiàn)輸出電壓大小、頻率和占空比的控制，并對(duì)各輸出回路電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)反饋控制對(duì)各支路進(jìn)行保護(hù).設(shè)計(jì)了基于觸摸屏的人機(jī)交互系統(tǒng)，使電源的操作更加方便簡(jiǎn)單.

電火花線切割；脈沖電源；多輸出；FPGA

電火花線切割加工已成為機(jī)械加工行業(yè)一種不可或缺的重要加工方式.脈沖電源作為電火花線切割機(jī)床的關(guān)鍵組成部分，其性能直接影響電火花線切割加工的效率、穩(wěn)定性以及工件表面質(zhì)量［1］.

在輪胎模具加工中，需要根據(jù)輪胎型號(hào)、規(guī)格不同而將其切割為 8、12、16等份.傳統(tǒng)的輪胎模具加工采用切割方式一條條槽順序切割，但此方式存在應(yīng)力分布不均，工件產(chǎn)生變形，且加工效率極低等問(wèn)題.同時(shí)也有方案提出采用多臺(tái)機(jī)床分布在工作臺(tái)的四周同時(shí)進(jìn)行切割，但這使得成本、占地面積急劇增加.因此，當(dāng)前輪胎模具切割已成為影響輪胎模具加工質(zhì)量、效率的最主要的原因之一.本文針對(duì)大型環(huán)裝零件分塊切割加工效率低、變形量大的問(wèn)題，采用多輸出電火花線切割機(jī)床對(duì)此類加工應(yīng)用具有電源體積小，成倍地提高加工效率，解決環(huán)裝零件變形等重要意義.

1 電源的總體方案設(shè)計(jì)

本文提出針對(duì)專用的四工位電火花線切割機(jī)床設(shè)計(jì)四路獨(dú)立輸出的脈沖電源.多路輸出脈沖電源與單路輸出脈沖電源基本原理一樣，因此根據(jù)全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)電壓可調(diào)的共用直流電源，再由 FPGA控制器發(fā)送PWM3脈沖信號(hào)，經(jīng)光耦隔離后放大控制四路功率開關(guān)管通斷進(jìn)行斬波，最終得到四路脈沖電源.其原理圖如圖 1所示，當(dāng)其中某一支路發(fā)生短路時(shí)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)電路反饋至控制器，控制器發(fā)出信號(hào)分別對(duì)共用直流電源和各斬波支路同時(shí)關(guān)斷.這樣使得各支路加工的同時(shí)進(jìn)行從而保證了各加工部分變形量一致.

電路主要由包括 EMI濾波、整流濾波、全橋逆變器、高頻電壓器、二次整流濾波、斬波輸出、PWM控制、檢測(cè)電路、快速短路保護(hù)電路等組成.

圖1 電路整體結(jié)構(gòu)圖

1.1 可調(diào)直流主電路

直流電源主電路采用全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［2］，如圖2所示.輸入220V交流電經(jīng)EMI濾波，防止電源和電網(wǎng)之間相互干擾，經(jīng)整流器、濾波電路得到平滑約為 310V的 Uin直流高電壓，由FPGA控制器發(fā)送PWM1和PWM2脈沖信號(hào)經(jīng)光耦隔離后驅(qū)動(dòng)放大控制全橋逆變器功率開關(guān)管IGBT的通斷進(jìn)行逆變得到交變脈沖電壓，經(jīng)高頻變壓器變壓得到高頻交流低電壓，再經(jīng)過(guò)二次整流濾波得到可調(diào)直流電源，根據(jù)PWM調(diào)制原理，由FPGA控制器控制輸入到全橋逆變器的PWM1和PWM2實(shí)現(xiàn)電源輸出峰值電壓的調(diào)節(jié)［3］.

圖2 直流主電路示意圖

1.2 驅(qū)動(dòng)電路

全橋逆變器的驅(qū)動(dòng)模塊采用 KD202模塊，其外圍電路如圖3所示.PWM1和PWM2信號(hào)由FPGA控制器發(fā)出，經(jīng)光耦隔芯片 HCPL2630，主要是數(shù)字地和模擬地隔離，最后輸出至KD202.三極管 Q1、Q4和 Q2、Q3構(gòu)成互補(bǔ)的射級(jí)輸出端，其優(yōu)點(diǎn)是減輕 PWM控制 IC的負(fù)擔(dān)，特別適合應(yīng)用在頻率較高、被驅(qū)動(dòng)的功率管較大的場(chǎng)合，此芯片輸出+15V電壓和-8V電壓，可滿足驅(qū)動(dòng)全橋逆變主電路的要求［4］.

圖3 驅(qū)動(dòng)電路與驅(qū)動(dòng)波形圖

1.3 斬波電路

斬波電路的功率開關(guān)管使用 MOSFET功率器件，斬波信號(hào)驅(qū)動(dòng)芯片使用 KA101，該芯片具有三段式過(guò)電流保護(hù)機(jī)制，即先降柵壓，再通過(guò)延遲判斷，確定短路時(shí)再實(shí)行軟關(guān)斷，同時(shí)封鎖短路信號(hào)并執(zhí)行一個(gè)完整地保護(hù)過(guò)程，能可靠的保護(hù)電源［5］.

如圖4所示，由FPGA控制器發(fā)送PWM3信號(hào)分別發(fā)到功率器件 Q11、Q12、Q13、Q14，分別進(jìn)行斬波.最后得到四路直流脈沖方波.斬波部分實(shí)現(xiàn)輸出電壓的頻率和占空比可調(diào)節(jié).

圖4 單路輸出斬波電路和驅(qū)動(dòng)波形圖

1.3 檢測(cè)電路

檢測(cè)電路包括電流檢測(cè)電流和電壓檢測(cè)電路.采樣間隙電壓在二次整流之后即U0的值.采樣電阻分壓法來(lái)檢測(cè)兩極之間的間隙電壓.電流采樣使用霍爾傳感器作為檢測(cè)過(guò)電流的器件，實(shí)現(xiàn)快速過(guò)流保護(hù)的功能.采集到的電流電壓信號(hào)將通過(guò)A/D轉(zhuǎn)化后進(jìn)入FPGA控制系統(tǒng). A/D轉(zhuǎn)化模塊采用平均電壓采樣檢測(cè)方法.A/D轉(zhuǎn)換模塊以 1Msps以上的采樣速率采集電壓值，并在 FPGA中計(jì)算平均電壓值，以此來(lái)判斷放電狀態(tài).FPGA接收到比較器和A/D轉(zhuǎn)化模塊輸入的檢測(cè)信號(hào)后，由FPGA做簡(jiǎn)單的處理，得出實(shí)時(shí)放電狀態(tài)的反饋信息，由此對(duì)放電狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，再通過(guò)串行通信輸入給上位機(jī).采用TLV1572串行逐次逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，采用5V電源供電，最高采樣速率可達(dá) 1.25Msps，具有自動(dòng)節(jié)電和內(nèi)部采樣保持功能.在TLV1572前端加上光耦隔離芯片HCN201，如圖 5所示，可以使模擬地與數(shù)字地完全隔離.在HCNR201前后均加油高速運(yùn)放芯片，使得HCNR201芯片降低電路中的干擾，更加運(yùn)行穩(wěn)定.

在電源加工過(guò)程中，電流和電壓經(jīng)過(guò)檢測(cè)反饋到FPGA控制器中的PWM1、PWM2、PWM3模塊，實(shí)時(shí)調(diào)整輸出電壓和電流.當(dāng)電源發(fā)生過(guò)壓、過(guò)流和短路等故障時(shí)，可迅速關(guān)斷電源保證電源、電極絲和工件的安全.

圖5 電壓檢測(cè)

圖6 電流檢測(cè)

1.4 保護(hù)電路

快速短路保護(hù)系統(tǒng)是脈沖電源的重要組成部分，它不僅要保護(hù)電源系統(tǒng)不致?lián)p壞，同時(shí)還要防止電極和工件在短路時(shí)發(fā)生燒傷［5］.保護(hù)電路的原理是高增益反相誤差放大器，在其反相輸入端輸入設(shè)定的參考電壓 （對(duì)應(yīng)一定保護(hù)電流、電壓門檻值），正相輸入端輸入電流電壓采樣信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到過(guò)流或過(guò)壓時(shí)，對(duì)會(huì)在比較器的輸出端輸出保護(hù).

為了安全起見，本電路經(jīng) LM219（電壓比較器）二次放大.本保護(hù)電路除了具有電流保護(hù)功能外，還有電壓保護(hù)功能，可防止變壓器故障輸出高電壓而造成電路損壞.LM219的每個(gè)封裝內(nèi)有兩個(gè)獨(dú)立收比較器，可由 5V單電源供電.其轉(zhuǎn)換速度快，輸入偏置電流小，輸出部分具有獨(dú)立的地線引出端，輸出與TTL/RTL/DTL電容相容.LM219的靈敏度高，能對(duì)弱小信號(hào)進(jìn)行比較，是一種輸出功率較大的精密電壓比較器，廣泛用于控制、測(cè)量等電子系統(tǒng)中.如圖所示為驅(qū)動(dòng)繼電器電路、此外為了保護(hù)電源還設(shè)計(jì)了 LM219芯片構(gòu)成窗口比較器將真有效值轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào) Udc接到比較器 LM219的引腳 5和引腳10，與基準(zhǔn)電壓1（引腳4輸入電壓 U1）和基準(zhǔn)電壓（引腳10輸入電壓U2）比較.當(dāng)Udc＜Ud2或者Udc＞U1時(shí)，認(rèn)為欠流或者過(guò)流，輸入為高電平，經(jīng)光耦隔離，并將電平轉(zhuǎn)換后輸入FPGA.

圖7 保護(hù)電路圖

2 FPGA控制系統(tǒng)及人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的核心為 FPGA，其內(nèi)部設(shè)計(jì)包括：硬件邏輯部分、NiosⅡ軟核部分、Analon總線部分以及 RS232通信部分等.FPGA硬件邏輯設(shè)計(jì)主要包括 AD采樣模塊、過(guò)流檢測(cè)模塊［6］.

人機(jī)界面的設(shè)計(jì)是用軟件虛擬按鈕來(lái)替代傳統(tǒng)的物理按鈕，既可以節(jié)省物理空間，且界面直觀友好，操作方便［5］.也使得電源系統(tǒng)數(shù)字化集成化.觸摸屏的設(shè)計(jì)主要包括人機(jī)界面的設(shè)計(jì)和通信協(xié)議的編寫.

圖8 控制系統(tǒng)與觸摸屏界面圖

圖9 電源輸出波形圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電源輸出電壓為 60～120V、頻率為 1～30K，占空比為 0.1～0.9，且都為連續(xù)可調(diào).檢測(cè)多槽電火花線切割脈沖電源的輸出波形，得到電源的輸出波形如圖所示：脈沖電源電壓可調(diào)節(jié)為60V、70V、80V、90V， 脈 沖 頻 率 1K、5K、10K、15K，占空比 0.1、0.2、0.3、0.4.

4 結(jié)語(yǔ)

研制出一套用于多工位電火花線切割脈沖電源，該電源采用逆變加斬波的電路結(jié)構(gòu)，減小了電源的體積，保證了多路輸出電源的一致性，對(duì)于大型環(huán)裝零件的線切割能保證加工效率、變形量小.其輸出電壓、頻率、占空比連續(xù)可調(diào).具有完善的短路保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)加工發(fā)生過(guò)流或短路時(shí)，能很好地保護(hù)電源功率器件免受過(guò)流損壞，同時(shí)提高電源的可靠性.FPGA的應(yīng)用，使輸出電壓、脈沖頻率和占空比連續(xù)可調(diào).通過(guò)觸摸屏，將電源與控制系統(tǒng)基于一體，便于操作.

［1］劉晉春,白基成，郭永豐.特種機(jī)加工［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］王志強(qiáng).開關(guān)電源設(shè)計(jì)［M］.電子工業(yè)出版社，2005.

［3］張淼，馮垛生，現(xiàn)代電力電子技術(shù)與應(yīng)用，北京：中國(guó)電力出版社［M］.2006.

［4］Keith Billings著，張占松，王仁皇，謝麗萍 譯，開關(guān)電源手冊(cè)［M］.2006.

［5］鐘文明,張永俊.基于 dsPIC單片機(jī)的電火花線切割脈沖電源的研制［J］.電加工與模具，2014.

［6］田耀杰,劉石安，吳蓉.基于 FPGA電火花加工脈沖電源的設(shè)計(jì)［J］.華僑大學(xué)，2014電子測(cè)試.

［責(zé)任編輯：王曉軍］

Xu Zhiwei1,FANG Weiwen2,Zhang Yongjun1,Wu Tao1,Liang Yuanbiao1

(1.Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006;2.Hangzhou nabel group co.,LTD,Hangzhou 311100)

Research of Multi-output WEDM Pulse Power Supply Based on FPGA

For self-developed multi-station synchronous WEDM,a multi-output pulsed power supply was researched.The principle of the pulsed power supply is the same as the principles of the single output pulse power, the main structure of the full-bridge topology DC main circuit output plus four independent branch chopper.By FPGA as the controller sends a pulse signal to control the PWM modulation output voltage magnitude,frequency and duty cycle.Ensure a consistent pulse signal of each branch,so the same parameters as the electrical output of each end.Collection for each output circuit voltage and current signals,after internal processing by FPGA output feedback signal for each branch protection.When one of one or more channels fails,the other circuit continues to work to ensure efficiency.Designed based on interactive touch-screen system,make the operation more convenient and simple power supply.

wire cutting;power supply;multiple output;FPGA

TH 162

A

1672-402X（2016）08-0057-04

2016-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金“多槽同步電火花線切割放電特性與控制模式研究”（批準(zhǔn)號(hào)：51275098）

徐志偉（1990-），男，江西南昌人，碩士研究生，研究方向：電火花線切割脈沖電源.