反激式微細(xì)電火花加工脈沖電源研究

官樂樂 ，蔣 毅 ，覃德凡，趙萬生

（ 1.江南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇省食品先進制造裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇無錫214122；2.南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京 210094；3.上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240 ）

隨著微小器件需求的增加以及機械制造的微細(xì)化發(fā)展趨勢，對微細(xì)電火花加工脈沖電源的要求也日益增高，提升微細(xì)加工脈沖電源的微細(xì)化能力成為了國內(nèi)外研究者的追求目標(biāo)[1]。 電火花放電加工主要是利用電極間周期性的放電脈沖能量來蝕除工件材料的一種加工方法，因此單個脈沖的放電能量直接決定了工件的加工表面質(zhì)量，對微細(xì)電火花脈沖電源來講，獲取小而可控的單周期脈沖放電能量極為重要[2-4]。

目前國內(nèi)外在微細(xì)電火花加工方面大多采用RC 式脈沖電源。 該電源成本低、結(jié)構(gòu)簡單且易實現(xiàn)窄脈寬，但具有的消電離環(huán)節(jié)不充分、單個脈沖能量不確定等缺點也制約其發(fā)展[3]。 為此，可控式RC脈沖電源被提出[5]，即在RC 充電回路串入高速開關(guān)管以切斷間隙與電源的通路，可精確控制脈寬和脈間的大小從而實現(xiàn)對微小能量的精確控制，以此獲取電蝕坑大小基本一致的加工表面。

為增加微細(xì)脈沖電源的靈活性并保持原有可控式RC 脈沖電源單脈沖能量小而可控的優(yōu)點，本文設(shè)計了一種基于單端反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的微細(xì)加工脈沖電源。 該電源采用現(xiàn)場可編程門陣列（fieldprogrammable gate array，F(xiàn)PGA）作為主控器件，通過改變輸入反激變換器原邊的能量，可生成不同能量等級的納秒級微能脈沖， 在具有可控式RC 脈沖電源脈寬窄、能量可控等優(yōu)點的同時，增加了電源的靈活性；集成了放電狀態(tài)檢測功能，可分辨出正常加工脈沖、短路脈沖及空載脈沖，為伺服跟蹤提供可靠的依據(jù)。 該電源可根據(jù)間隙的放電狀態(tài)在需要時加載能量較大的清掃脈沖以清除積聚在間隙的工件碎屑，獲取更好的極間狀態(tài)。 同時，通過精確的單周期檢測及能量控制，使自適應(yīng)多能級微細(xì)加工成為可能。

1 脈沖電源總體設(shè)計

1.1 需求分析

RC 式脈沖電源易獲得較窄的脈寬和較小的單脈沖放電能量，其實質(zhì)為電容上的能量轉(zhuǎn)移至放電間隙，放電脈寬的大小由放電電容值以及回路寄生電容值決定、放電電流峰值由存儲在電容中的能量決定，放電能量可由電容儲存的能量表示為[6]：

式中：C 為放電電容的容值；C′為放電回路中的寄生電容值；U 為放電間隙的開路電壓。 在C′無法改變的情況下， 通過減小C 可減小單個脈沖放電能量，但C 小到一定程度時，C′（由機床自身結(jié)構(gòu)及回路接線長度決定）會對C 產(chǎn)生影響，因此可通過降低U 的方式來減小放電能量。 當(dāng)C 與U 均確定時，電源的放電能量即被固定，雖可獲取質(zhì)量均一的加工表面， 但也在一定程度上限制了電源的可加工范圍。 為增加微細(xì)電源的靈活性，文獻[7]設(shè)計了改進式RC 脈沖電源， 加入多路帶開關(guān)管的儲能電容選擇回路， 通過不同回路的組合實現(xiàn)多檔加工的切換，滿足不同能量等級的加工需求。

在電火花成形精加工中，主要依靠抬刀動作產(chǎn)生的負(fù)壓使加工液流動的同時帶走蝕除產(chǎn)物，若抬刀間隔太短，會影響加工效率，若太長，則蝕除產(chǎn)物的堆積易形成短路橋[8]；在微細(xì)電火花加工中，由于電極尺寸小且間隙寬度窄、沖液條件差，拉弧和短路的現(xiàn)象也十分嚴(yán)重。 對此有學(xué)者提出在微細(xì)電火花加工中加入清掃回路[9]，具體做法為：除正常RC放電回路外，在微細(xì)加工電源中加入了一路具有更高輸入電壓和更大放電電容的可控RC 回路， 同時減小該回路放電限流電阻的阻值，以獲取峰值電流更高、能量更大的清掃脈沖，并以此成功提升了微細(xì)電火花加工效率。

基于以上分析，本文設(shè)計了基于單端反激的微細(xì)脈沖電源。 與其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，反激式電源在原邊開關(guān)管關(guān)斷時向負(fù)載釋放變壓器所儲存的能量，磁芯可自然復(fù)位，無需增加磁復(fù)位措施，因此具有電路簡單、體積小等特點，并且反激變換器除了儲能作用外，還可起到隔離的功能，避免原邊開關(guān)管的開關(guān)動作對間隙造成影響。 脈沖電源通過改變輸入至反激變換器原邊的能量來改變副邊輸出至極間的能量， 在保持單個脈沖能量可控的前提下，實現(xiàn)多能量等級加工及清掃脈沖功能。

1.2 主放電回路設(shè)計

如圖1 所示，脈沖電源主回路主要由直流電壓源E、反激變換器T、二極管D、儲能電容C1～C2及高速開關(guān)管 Q1～Q4組成。

圖1 脈沖電源主回路

脈沖電源的工作分為以下三個階段：

（1）階段 1：E 在 Q1開通時間 tch內(nèi)，將能量輸入T 的原邊，此時D 反向截止。

（2）階段 2：Q1截止，D 正向?qū)?，T 中的能量由副邊電感通過 Q3、Q4傳遞至 C1、C2。

（3）階段 3：Q2導(dǎo)通，C1、C2中的能量提供至間隙完成一次放電加工，整個周期為ts。

其中，C1容值較小，用于正常加工模式儲能；C2容值較大，用于為清掃模式提供高能量脈沖。

圖2 是正常加工模式下一個周期內(nèi)各高速開關(guān)管的時序圖。其中，Q3常開，Q4常閉，由 C1為極間加工儲能。 對于微細(xì)加工來說，此時階段3 的時長為脈寬，階段1 與階段2 的時長之和為脈間。

圖2 正常加工模式下各開關(guān)管時序

在設(shè)計反激變換器T 時，應(yīng)根據(jù)微細(xì)加工的輸入電壓、加工頻率及最大輸出功率來設(shè)計原、副邊的電感值并選擇合適的磁芯，同時為抑制變換器的漏電感并保護回路開關(guān)管，應(yīng)設(shè)計與之匹配的RCD箝位電路。

微細(xì)電火花加工采用的功率開關(guān)管應(yīng)滿足如下要求：①為保證納秒級脈沖具有陡峭的上升沿與下降沿，開關(guān)速度應(yīng)較快（典型上升時間tr和下降時間tf較?。?；②耐壓VDSS較高，除了正常加工電壓外，原邊開關(guān)管還需承受由漏感折射回原邊的電壓尖峰； ③功率管可承受的連續(xù)電流ID應(yīng)大于2 A，本電源的功率開關(guān)管選用N 溝道STP10NK60ZFP MOSFET，其主要性能參數(shù)為 tr=20 ns、tf=20 ns、VDSS=600 V、ID=10 A，可滿足脈沖電源在各種工況下的要求；MOS 管選用隔離式雙通道驅(qū)動芯片UCC21521，該芯片具有高效率、高功率密度和速度快等特點。

2 脈沖電源控制實現(xiàn)

2.1 放電模式控制

本電源在電容放電的基礎(chǔ)上，可實現(xiàn)多能量等級加工及清掃模式加工。 在一個加工周期內(nèi)輸入反激變換器原邊電感的能量為：

式中：Uin為外部輸入電壓 E；ts為加工周期；tch為 Q1開通時間；L1為反激變換器T 的原邊電感值。 因此在E 不變且T 已設(shè)計完成的情況下， 通過修改Q1的開通時間tch，即可改變輸入T 的能量。

多能量等級加工主要為電源在不同場合的工作提供更高的靈活性，如成形精加工、往復(fù)走絲多次切割小能量修刀、以加工效率為主的微細(xì)加工及以表面粗糙度為指標(biāo)的微細(xì)加工。 確定加工場合后， 由機床控制器發(fā)送反激變換器原邊MOS 管Q1的開通時間tch及副邊電感Q3、Q4的選擇開通這兩個電源參數(shù)，使脈沖電源達到相應(yīng)加工所需的能量要求。

清掃模式則以間隙脈沖識別的結(jié)果為依據(jù)，當(dāng)間隙出現(xiàn)多個有害脈沖時，由FPGA 自動控制選擇高能量等級的電源參數(shù)，向間隙加載連續(xù)幾個高能量脈沖，破壞由蝕除產(chǎn)物所造成的短路通道，并通過高能量脈沖放電帶來爆炸效應(yīng)， 將蝕除產(chǎn)物拋出，使間隙脫離短路狀態(tài)。 當(dāng)檢測到間隙放電脈沖恢復(fù)至正常水平時，F(xiàn)PGA 自動由清掃模式回到原先的正常加工模式，避免大能量脈沖對工件表面的粗糙度要求造成額外影響。

2.2 電源具體控制實現(xiàn)

脈沖電源電源的結(jié)構(gòu)框圖見圖3， 主要由控制模塊和功率模塊兩部分組成。 脈沖電源的電參數(shù)通過CAN 總線發(fā)送至控制模塊， 由控制模塊生成相應(yīng)的脈沖波形，同時根據(jù)電壓檢測回路的結(jié)果識別極間的放電狀態(tài)， 將放電率通過CAN 總線返回給控制器并判斷是否進入清掃模式。 功率模塊則根據(jù)控制模塊的指令，給加工極間提供蝕除工件材料所需的能量。

圖3 電源結(jié)構(gòu)框圖

由于FPGA 具有高速并行和硬件可編程等優(yōu)點，故用其作為整個電源系統(tǒng)的主控芯片。 在外接50 MHz 晶振及PLL 芯片內(nèi)部時鐘管理模塊的控制下，最小可產(chǎn)生周期為10 ns 的方波，使脈沖電源的脈寬、脈間可任意調(diào)節(jié)。FPGA 內(nèi)部有大量的乘法器及LUT 資源，具有一定計算能力，可處理電壓檢測回路所采集的極間數(shù)據(jù)， 并判斷極間放電狀態(tài)。CAN 總線作為一種工業(yè)現(xiàn)場總線, 具有實時性強、抗電磁干擾能力強及傳輸距離遠(yuǎn)等特點，是一種較為適合電火花加工現(xiàn)場的總線通訊方式，本研究采用 FPGA 開源網(wǎng)站 Opencores 的 CAN 通訊 IP 核，通過Verilog 語言將其作為子模塊例化在FPGA 中，以此作為微細(xì)機床控制器與脈沖電源之間的通訊橋梁。 本電源所用 FPGA 為 CycloneIV 系列中的EP4CE6，其內(nèi)部包含 2 個 PLL 模塊、6000 多個邏輯單元及100 多個可配置IO 引腳， 可滿足脈沖電源所需各個任務(wù)模塊的編程需求。

采用脈寬平均電壓檢測法作為放電間隙的檢測方式，當(dāng)極間處于脈寬時，AD 采樣芯片開始采集經(jīng)分壓、運放等處理后的極間電壓數(shù)據(jù)，作為判斷脈沖類型的依據(jù)。 采樣芯片選用高速并行的AD9226，其具有12 位檢測精度及65 MSPS 轉(zhuǎn)換速率。 在脈間時計算均值并與設(shè)定值進行比較，以此實現(xiàn)間隙脈沖識別。 在固定時間內(nèi)，將正常放電脈沖、短路脈沖及空載脈沖三種脈沖類型的計數(shù)值通過CAN 總線返回至微細(xì)機床控制器， 作為伺服跟蹤的走步依據(jù)。

3 加工測試

將本文設(shè)計的微細(xì)加工脈沖電源接入微細(xì)機床進行加工測試，以驗證上述功能，其中外部輸入電壓E=80 V。

3.1 多能量等級加工驗證

選取 C1=2.2 nF、C2=100 nF 通過 Q1的不同開通時長tch以及Q3、Q4的選擇開通，組合出不同能量等級的加工脈沖，具體選取的參數(shù)組合見表1。

表1 不同能量等級參數(shù)表

表1 所示六種不同的加工參數(shù)在微細(xì)機床中的放電電壓及電流波形見圖4。 其中，Uopen為空載電壓，Ipeak為放電峰值電流， 其放電波形與傳統(tǒng)的RC電源電容放電波形一致，證明了該電源單脈沖能量小而可控的思想。 由圖4a～圖4c 可見，由同一電容C1放電的電流波形放電脈寬一致， 而電流峰值不同， 驗證了通過改變tch來改變電容儲存的能量大小， 從而為電源提供多能量等級加工的可行性；由圖4d～圖4f 可見， 當(dāng)選用容值更大的C2進行儲能時，放電脈沖的脈寬更大，所具有的能量更高。

根據(jù)式（1）可計算出六種加工參數(shù)對應(yīng)能量的近似值。圖5 是不同參數(shù)下能量分布折線圖。可見，該電源可實現(xiàn) 10～6J 的極小能量加工至 10～3J 的較大能量加工， 即電源可選擇的能量等級范圍較廣，且從理論上來說， 通過對tch進行更小幅度的修改，可近似實現(xiàn)能量在一定范圍內(nèi)的無級調(diào)節(jié)。

圖5 不同參數(shù)下能量分布折線圖

3.2 清掃脈沖功能驗證

選取 C1=2.2 nF、C2=10 nF。 在初始加工時，將FPGA 設(shè)定為正常加工模式， 使用小能量進行微細(xì)加工，當(dāng)檢測回路探測到間隙出現(xiàn)連續(xù)5 個短路脈沖時，F(xiàn)PGA 進入清掃模式，自動切換為高能脈沖參數(shù)并向間隙加載連續(xù)高能放電脈沖。 兩種模式的參數(shù)對比情況見表2。 其中，ton為放電電流脈寬。

表2 正常模式及清掃模式參數(shù)對比表

圖6 是微細(xì)脈沖電源處于清掃模式時，間隙的放電波形。 可知，選取C=10 nF 作為清掃模式儲能電容時，放電電流脈沖ton增加了1 倍，放電電流峰值Ipeak增加了3 倍。經(jīng)過清掃加工之后，原本使間隙短路的堆積加工屑被沖碎，極間恢復(fù)至正常加工狀態(tài)，避免了長時間的拉弧或短路對工件表面造成灼傷等影響。

圖6 清掃脈沖放電波形

4 結(jié)束語

本文通過對微細(xì)加工脈沖電源的適用加工范圍和清掃功能的分析，設(shè)計了一種能量范圍可調(diào)且具有清掃模式功能的微細(xì)脈沖電源。 該電源以單端反激為主拓?fù)?，以FPGA 為控制芯片，通過控制反激變換器原邊的充電時間以及副邊雙路電容選擇回路獲取不同能量等級的加工脈沖，并可依據(jù)集成的間隙檢測電路，自動進入清掃模式。 加工測試結(jié)果表明，該電源能夠?qū)崿F(xiàn)多能量放電加工，其清掃模式可避免有害脈沖帶來的不良影響，對維持正常間隙狀態(tài)具有積極作用； 同時由于其能量可調(diào)范圍廣、調(diào)節(jié)方便，為微細(xì)電火花自適應(yīng)多能級微細(xì)加工提供了可行的思路。