基于FPGA的電火花線切割自整定脈沖電源的研制

張廣有，蘇國康，李佳旺，李俊飛，唐有貴，張永俊

（廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院, 廣東 廣州 510006）

脈沖電源是電火花線切割機床的關(guān)鍵部分，對線切割機床的各項工藝指標(biāo)有顯著影響，目前常用的脈沖電源有等電流脈沖電源、矩形波脈沖電源和高頻分組脈沖電源等。而隨著電火花加工技術(shù)向智能化、節(jié)能化和綠色化方向發(fā)展[1-2]，對脈沖電源的智能化水平和能量利用率提出了更高的要求。

國內(nèi)外學(xué)者對電火花脈沖電源做了大量研究并提出了各種新型脈沖電源[3-6]，主要分為節(jié)能脈沖電源、自適應(yīng)脈沖電源和自整定脈沖電源。節(jié)能脈沖電源旨在減少電源的能量損耗，如瑞士某公司[7]研制的HSS脈沖電源，該電源將限流電阻換成電感，避免了電阻發(fā)熱帶來的電能損耗，節(jié)能效果顯著。盧智良[8]提出限流節(jié)能電源，在主回路中加入電感以降低放電電流上升斜率，從而減緩電流突變對電極絲的轟擊作用，降低電極絲損耗。自適應(yīng)脈沖電源的設(shè)計目標(biāo)是通過放電狀態(tài)檢測模塊和機床運動控制系統(tǒng)的配合，使電極絲和工件間保持合適的加工間隙，實現(xiàn)根據(jù)當(dāng)前放電狀態(tài)實時調(diào)節(jié)機床進給頻率的效果。如哈爾濱工業(yè)大學(xué)的凡銀生[9]研制了一種自適應(yīng)脈沖電源，通過高頻脈沖調(diào)制提高放電狀態(tài)檢測精度，建立了放電狀態(tài)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，使得加工條件變化時能夠快速調(diào)整至合適的機床進給頻率，提高了加工速度。自整定脈沖電源是指能夠根據(jù)當(dāng)前放電狀態(tài)實時調(diào)節(jié)脈沖輸出頻率的新型脈沖電源，能夠抑制有害放電狀態(tài)提高加工效率。如黃瑞寧等[10]設(shè)計的微細(xì)電火花加工脈沖電源，該電源利用模糊控制算法對脈沖寬度和占空比進行調(diào)節(jié)，提高了加工精度和效率，但該電源采用的有效火花數(shù)檢測法需要對一段時間內(nèi)的放電狀態(tài)進行統(tǒng)計，電源輸出有一定的滯后性，且無法有效抑制電弧放電等有害狀態(tài)。宋恩禹[11]研究了一種新型電火花加工自適應(yīng)脈沖電源，同時也是一種自整定脈沖電源，該電源具有基于現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)的加工間隙狀態(tài)判別功能和基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)控制機制，可對脈沖輸出占空比和z軸進給量進行調(diào)節(jié)，保證加工間隙始終處于火花放電狀態(tài)。該電源設(shè)計中FPGA與上位機采用串口通信存在數(shù)據(jù)延遲，對z軸的控制存在滯后性，并且檢測到電弧放電時，輸出脈沖頻率降低，不能有效抑制其危害，因此會限制機床的加工效率。

本文提出一種基于FPGA的自整定脈沖電源，該電源通過脈寬電壓檢測法可精準(zhǔn)識別每個脈沖的放電狀態(tài)，并自動調(diào)整脈沖寬度的大小，如檢測到電弧放電時切斷電源輸出，有效抑制有害放電，提高機床的加工效率。

1 自整定脈沖電源總體設(shè)計

本文的自整定脈沖電源主要由直流電源模塊、主振控制模塊、直流斬波模塊和狀態(tài)檢測模塊組成[12]，自整定脈沖電源結(jié)構(gòu)如圖1所示。直流電源模塊將交流電轉(zhuǎn)換為輸出電壓可調(diào)的直流電，是脈沖電源的能量源。主振控制模塊采用FPGA作為控制器，驅(qū)動高速A/D轉(zhuǎn)換模塊實時獲取脈沖的放電狀態(tài)，同時生成頻率、脈沖寬度可調(diào)的方波信號。直流斬波模塊接收到方波信號后對其進行功率放大，將直流電源輸出的電壓轉(zhuǎn)換成單向脈沖電壓，并作用在電極絲和工件兩端，為放電加工提供能量。狀態(tài)檢測模塊采用脈寬電壓檢測法并配合高速A/D芯片3PA1030對不同的放電加工狀態(tài)進行識別。

圖1 自整定脈沖電源結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of self- adjusting pulse power supply

2 直流斬波模塊

直流斬波模塊的作用是將直流電轉(zhuǎn)換成火花放電所需的脈沖電壓[13]，由FPGA發(fā)送PWM(Pulse-Width Modulation)控制信號，經(jīng)TLP350芯片放大處理后控制絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而實現(xiàn)斬波效果。IGBT是一種大功率開關(guān)管，可實現(xiàn)高頻率導(dǎo)通關(guān)斷，具有開關(guān)速度快、承載能力強、飽和壓降低等優(yōu)點[14]。本設(shè)計采用TSG60N100型N溝道IGBT來構(gòu)建斬波和功率放大電路，其電路原理如圖2所示。為了防止外部電源回路對FPGA內(nèi)部信號造成干擾和破壞，選用TLP350光耦芯片進行隔離防護，同時將FPGA產(chǎn)生的PWM信號進行放大。為了提高IGBT的開關(guān)速度，減少功率器件開關(guān)過程損耗，采用QA01專用電源模塊為其提供+15 V、-9 V的雙電源。

圖2 斬波電路原理圖Fig.2 Chopper circuit schematic

3 放電狀態(tài)檢測模塊

在電火花放電加工過程中極間放電狀態(tài)復(fù)雜多變，為了準(zhǔn)確識別每個脈沖的放電狀態(tài)，本設(shè)計采用脈寬電壓檢測法，即只對工件兩端的有效脈沖寬度電壓進行采集，并配合高速A/D轉(zhuǎn)換芯片3PA1030實現(xiàn)放電狀態(tài)的精確檢測。3PA1030是一款10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最高轉(zhuǎn)換速率可達50 Msps，滿足對間隙電壓采樣的要求。放電間隙電壓采樣電路如圖3所示，首先通過R5、R6、R9進行分壓采樣，再經(jīng)過二極管D3、D4對采樣電壓進行鉗位保護，鉗位后電壓經(jīng)過運算放大器作二次降壓同時對電路進行阻抗匹配，隨后輸出電壓經(jīng)過高速A/D芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送給FPGA作進一步處理。由于A/D轉(zhuǎn)換后的信號存在雜波，本設(shè)計采用FIR濾波器對數(shù)據(jù)進行濾波處理，F(xiàn)IR濾波器的傳遞函數(shù)為

圖3 極間電壓采樣電路示意圖Fig.3 Schematic diagram of voltage sampling circuit

式中：y(n)為x(n) 與h(m) 的線性卷積，x(n)為輸入信號，h(m) 為抽頭系數(shù)，m為FIR濾波器有限序列。

電火花加工極間放電狀態(tài)主要分為：火花擊穿放電、電弧放電、短路、空載，如圖4所示為電火花加工過程的電壓波形圖[15]。根據(jù)脈沖寬度電壓大小可明確區(qū)分短路、空載和火花放電，但擊穿放電與電弧放電的電壓大小相近，無法通過比較電壓大小來區(qū)分[16]。擊穿放電與電弧放電的區(qū)別在于擊穿放電存在擊穿后電壓跌落的現(xiàn)象，可根據(jù)采集到的電壓變化率來區(qū)分二者。在FPGA中放電狀態(tài)檢測的原理如下：設(shè)置放電閾值電壓Voc和短路閾值電壓Vsc，當(dāng)接收到的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果Vad大于放電閾值電壓Voc時為空載狀態(tài)，此時空載標(biāo)志位置1，否則為0；當(dāng)Vad小于短路閾值電壓Vsc時為短路狀態(tài)，此時短路標(biāo)志位置1，否則為0；當(dāng)Vad位于Voc和Vsc之間時，判斷當(dāng)前Vad的變化率kt與設(shè)定斜率Kp的關(guān)系，若kt大于Kp則為擊穿放電，此時擊穿放電標(biāo)志置1，反之則為電弧放電。

圖4 電火花放電電壓波形圖Fig.4 Waveform of electrical discharge voltage

4 主振控制模塊

主振控制模塊是自調(diào)整脈沖電源的核心部分，主要實現(xiàn)以下功能：與上位機串口通訊、生成自整定PWM信號、放電狀態(tài)檢測。FPGA具有集成度高、抗干擾能力強、執(zhí)行速度快等特點[17]。為節(jié)省開發(fā)成本，本設(shè)計采用Altera公司EP4CE6E22C8N型號的FPGA作為電源主控模塊芯片，該芯片具有6 272個LES邏輯單元，2個PLL鎖相環(huán)，10個全局時鐘，滿足使用要求。

自整定脈沖電源的主振控制程序框架見圖5，在FPGA內(nèi)部主要有串口發(fā)送接收模塊、放電狀態(tài)檢測模塊、脈沖波形整定模塊以及脈沖生成模塊。其執(zhí)行過程為：串口接收模塊將上位機發(fā)送的指令進行解析，并傳遞給波形整定模塊用以設(shè)定輸出脈沖的頻率、脈沖寬度等參數(shù)，另一方面串口發(fā)送模塊將當(dāng)前放電間隙的電壓值和放電火花率發(fā)送至上位機。放電狀態(tài)檢測模塊識別每個脈沖的放電狀態(tài)并生成相應(yīng)的放電標(biāo)志位，脈沖波形整定模塊根據(jù)其標(biāo)志位實時調(diào)節(jié)PWM頻率，另外檢測模塊對放電標(biāo)志位進行統(tǒng)計，得到當(dāng)前的放電火花率。

圖5 主振控制模塊的程序框架Fig.5 Program framework of main vibration control module

脈沖波形整定模塊是脈沖電源主振控制的核心部分。當(dāng)檢測到開路狀態(tài)時，即空載標(biāo)志位有效，降低PWM的頻率。脈沖電源輸出低頻脈沖進行加工，可以降低電火花線切割過程中電解效應(yīng)的不利影響。當(dāng)火花擊穿標(biāo)志有效時，加工處于正?；鸹ǚ烹姞顟B(tài)。此時程序中的一個計數(shù)器在擊穿標(biāo)志有效時開始計數(shù)，計數(shù)到預(yù)設(shè)值時關(guān)斷功率管，同時設(shè)置脈沖間隔為4倍脈沖寬度，以達到排除極間切屑、消除電離和冷卻的作用。當(dāng)電弧標(biāo)志有效時，極間處于有害放電狀態(tài)，會對工件表面造成破壞，此時立即關(guān)斷功率管抑制有害加工。當(dāng)檢測到短路狀態(tài)時，F(xiàn)PGA間歇發(fā)送脈沖并發(fā)送運動回退信號，直到恢復(fù)正常加工狀態(tài)。

5 實驗結(jié)果與討論

為驗證自整定脈沖電源的優(yōu)越性，在本課題組自主研制的雙向同步電火花線切割加工應(yīng)力槽機床上進行對比實驗，機床實物圖如圖6，實驗加工條件為：脈沖電源輸出電壓70～100 V，峰值電流可達30 A，脈寬脈間時間比1∶4，走絲速度10 m/s，電極絲直徑0.14 mm，實驗對象為46MnVS5連桿材料，工件厚度30 mm，選擇等頻率脈沖和自整定脈沖兩種放電模式。圖7為切割后的工件實物圖，實驗結(jié)果如圖8～9所示。

圖6 連桿切槽機床實物圖Fig.6 Connecting rod slotting machine picture

圖7 切割后的工件照片F(xiàn)ig.7 Photo of the workpiece after cutting

圖8 輸出電壓對加工速度的影響曲線Fig.8 Influence curve of output voltage on machining speed

圖8為脈沖寬度20 μs，不同輸出電壓加工時的結(jié)果。從圖8中可知，加工速度隨著輸出電壓增大而增大，且在不同輸出電壓加工時，采用自整定脈沖加工時的切割速度均大于等頻率脈沖加工的切割速度。圖9為輸出電壓80 V，不同脈沖寬度加工時的結(jié)果。從圖9中可知，脈沖寬度越大切割速度也隨之增大，且在不同脈沖寬度加工時，采用自整定脈沖加工時的切割速度均大于等頻率脈沖加工的切割速度。分析認(rèn)為，在電源參數(shù)一致的條件下，自整定脈沖電源能夠抑制有害放電，加工過程中能量利用率高，因此有效提升了切割速度。

圖9 脈沖寬度對加工速度的影響曲線Fig.9 Influence curve of pulse width on machining speed

圖10為30 μs脈沖寬度條件下加工時的電壓、電流波形圖，其中采用等頻率脈沖電源加工時會出現(xiàn)電弧有害放電，并且火花擊穿延遲的時間不一致，每個脈沖的放電能量不均勻，采用自整定脈沖電源加工時明顯提高了放電火花率，而且脈沖頻率隨著放電狀態(tài)的變化進行實時調(diào)整，能夠保證相同的有效放電時間，每個脈沖的放電能量均勻。圖11為自整定脈沖電源測試時的電壓波形，從圖11中可以看出在開路、電弧放電等不良狀態(tài)時能實現(xiàn)預(yù)設(shè)的控制效果，對有害放電有顯著的抑制作用。

圖10 加工過程中電壓、電流波形圖Fig.10 Waveform of voltage and current of discharge pulse

圖11 自整定脈沖電源放電波形圖Fig.11 Discharge waveform of self-adjusting pulse power supply

6 結(jié)語

本文研制了自整定脈沖電源，包括基于IGBT的斬波電路、采樣電路和基于FPGA的主振控制電路等硬件設(shè)計。同時在軟件上采用脈寬電壓檢測法采集極間電壓并判斷放電狀態(tài)，根據(jù)不同的放電情況FPGA發(fā)送不同的PWM信號實時調(diào)整電源輸出頻率。實驗結(jié)果表明：自整定脈沖電源有效抑制了有害放電，提高了雙向同步電火花線切割加工應(yīng)力槽機床的加工效率。