（电机与电器专业论文）低速走丝电火花线切割脉冲电源的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h el o w - s p e e dw e d m p u l s ep o w e rs u p p l yi s a ni m p o r t a n to ft h el o w s p e e d m a c h i n et o o l s ，a n dh a sad i r e c ti m p a c to nm a c h i n et o o lt e c h n o l o g yi n d e x id e s i g n e da d i g i t a lp u l s ep o w e rs u p p l yo f d s p b a s e da f t e rid oa l o to ft h ee x i s t i n gr e c o r db yt h e p u l s ep o w e rs u p p l yt oc a r r yo u tas t u d yf o rl o w - s p e e dc h a - r a c t e r i s t i c so ft h em a c h i n e t 0 0 1 s t u d y e so ft h i st h e s i sa sf o l l o w ： f i r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h ec u r r e n td o m e s t i ca n df o r e i g nw e d m st h e s i t u a t i o no ft h ed e v e l o p m e n ta n dt r e n d s ，a n dl e a r nc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a d i t i o n a l p u l s ep o w e rs u p p l y t h e ne x p o u n dt h em e c h a n i s mp r i n c i p l e ，s ot h a tw eh a v ea p r e l i m i n a r yu n d e r s t a n d i n go fi t i n t h i ss e c t i o n ，w ef o c u so ne n e r g ya n a l y s i s a n d d e s c r i b e dt h ei m p a c to ft h ee l e c t r i cp a r a m e t e r s s e c o n d l y , t h i s t h e s i s b r i n g s f o r w a r dt h e d i g i t a lp u l s ep o w e rs u p p l y s h a r d w a r e d e s i g na n ds o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o nb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 12c o n t r o l l e ra n d g i v e st h es c h e m a t i co fh a r d w a r ea n ds o f h v a r ef l o wc h a r tt h eu s eo fp o w e r f u ld a t a - p r o c e s s i n gc a p a b i l i t ya n daw e a l t h o fr e s o u r c e sb o t h w i t h i na n do u t s i d ea n d h i 曲s p e e dr e a l t i m ec o n t r o lc a p a b i l i t y , t h er e a l i z a t i o no ft h es a m p l i n gd a t a , a d j u s t a n dc o n t r o lo fp w m ，c o m m u n i c a t i o n sa n ds oo n a d o p t i o no ft h i sc h i pm a k e st h e e x c i t a t i o nc o n t r o l l e rh a ss i m p l e rs t r u c t u r e ，s t r o n g e ra n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t ya n d h i g h e rs t a b i l i t y f i n a l l y , w ed e s i g n e dt w op ic o n t r o l l e ra c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o ni nt h e t h e s i s ，b u tt h i sp a r ti st h es m a l lp i e c eb e c a u s et h i si sn o tt og oi n d e p t hs t u d ys ot h e c o n t r o lp a r a m e t e r sa r es t i l le x p e r i m e n t a ls t a g e t h r o u g ht h es i m u l a t i o n ，t h eb e t t e rt od e t e r m i n ev a l u eo fs e v e r a li m p o r t a n t c o m p o n e n t so nt h em a i nc i r c u i t a tt h es a m et i m e ，s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h em a i n c i r c u i tc u r r e n ti ss t a b i l i t y , a n da c h i e v et h ep u r p o s eo fd e s i g n k e yw o r d s ：e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ；p u l s eg e n e r a t o r ；d s p ：c o n s t a n t c u r r e n t i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：毒匆l 平 签字日期：硼多年眵月伽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：茌辛? 干导师签名：f 南滚 签字日期：训眸j7 月媚签字日期：加彤年j 月刀日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 低速走丝电火花线切割机床( l s - - w e d m ) 具有切割难加工材料和轮廓切 割的特点，以及在大厚度、深窄缝、微细槽加工中的优势，所以特别适合此类 零件要求，从而使电火花线切割加工获得广泛应用了。据统计，目前国内外的 l s w e d m 机床约占电加工机床的6 0 以上。 低速走丝线电火花线切割技术相当复杂。国外对此项技术的研究已比较完 善，如瑞士阿奇公司、日本三菱机电公司等开发研制的此类设备的加工精度在 - 4 - 0 0 0 2 m m 以内，表面粗糙度r a 小于0 2 微米，加工效率达3 5 0 5 0 0 m m 2 m i n ， 单机价格在2 0 0 万元以上。 精密数控电火花线切割机床可分为机械系统、数控系统、间隙伺服控制系 统、数字脉冲电源系统【1 】。国内目前不具备自主知识产权产品的主要原因是因为 没有掌握间隙伺服控制系统设计、数字脉冲电源系统设计两项关键技术。数字 脉冲电源提供击穿加工介质所需要的电压，并在间隙击穿后提供能量以蚀除金 属，它是影响加工工艺指标关键的设备之一，其性能的优劣直接影响放电加工 的效率、精度、稳定性、工件表面粗糙度，同时也是产品更新换代的标志。 对脉冲电源进行了两个方面的研究：硬件电路的设计与软件程序的编写。 硬件方面采用d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 作为电路的主控制器；软件部分主要是对 d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 中相关的功能模块进行编程，同时完成对慢走丝线切割数字 脉冲电源的程序控制。 1 2 课题的来源 本课题来源于导师与南昌大学机电系老师合作的江西省工业攻关项目，项 目全名为：“精密数控慢走线电火花切割机订关键技术的研究，是其分出来的 一个子项目。 第1 章绪论 1 3 研究脉冲电源的目标和意义 总体目标是制作一台省略次要结构与技术环节的低速走丝电火花线切割机 床样机，其次包括两项关键技术模块：( 1 ) 数字脉冲电源模块，此模块能完成 粗加工和精加工的要求；( 2 ) 间隙伺服控制模块，能保证切割加工过程高效平 稳进行。本课题研究目的是为了研究精密数控电火花线切割机床的数字脉冲电 源系统设计这个关键技术，它是精密数控电火花线切割机床两项关键技术之一， 为研究开发具有自主知识产权的精密数控电火花线切割机床提供必要的技术支 持。通过对其的研究，再配合机械上的设计以达到以下所列出的技术指标。本 课题的工作量比较大，因此分阶段来完成。 在现阶段的研究目标是：参阅文献，完成数字脉冲的软硬件设计，使脉冲 电源达到精加工时为l o o n s 粗加工时为2 0 0 n s ，峰值电流接近或达到2 0 0 a 。并 通过仿真使电路的设计更合理。 电火花 j l l - i - ( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ，英文缩写e d m ) 是诞生于2 0 世 纪4 0 年代的一种特种加工方法，主要特点是工件和电极之间非接触加工，利用 瞬时火花放电的电能和热能去蚀除金属材料，目前在机械制造业中占十分重要 的地位，在很多情况下( 高硬度、高韧性、高脆性、高弹性材料的零件) ，是唯一 有效的加工手段，可以实现常规加工不可能或需花费昂贵代价的加工。电火花 加工的发明是始于放电腐蚀，是利用电能的一种物理现象，电能来源称为电火 花电源，通过分析电火花加工机理，人们认识到电火花加工的电源必须是脉冲 性的电源。 我国是制造业大国，模具制造业、汽车制造业、航空航天制造业正处于迅 猛发展时期，尤其是模具制造业，每年以2 0 的增长速度增长，远远高于全国 的g d p 的增长速度，因此迫切希望拥有自主知识产权的精密数控电火花线切割 机床。 精密数控电火花线切割机床市场需求旺盛，2 0 0 4 年全国销售量约为1 0 0 0 台， 销售总价为6 亿元，2 0 0 5 年销售量为约1 8 0 0 台，销售总价为1 5 亿元，2 0 0 6 年 销售量预计为2 4 0 0 台，销售总价为2 2 亿元。因此本课题的研究具有良好的市 场前景。 2 第1 章绪论 1 4 脉冲电源的现状与发展趋势 电火花线切割加工技术作为一种特种加工技术，具有很强的实用价值，在 医学、航空、电子、电器、汽车、家电、轻工业等生产领域起到了重要的作用， 其工艺手段在许多情况下是常规制造技术无法取代的。其中主要的原因是电火 花线切割加工方法几乎可加工具有任何硬度的导电金属材料，且加工过程中不 受宏观力的作用，从而可保证较好的加工精度与表面质量。随着生产领域对电 火花加工技术需求的不断增加，近几年电火花线切割加工技术的发展主要表现 在以下几个方面1 2 刮。 ( 1 ) 新型的走丝系统除了能保证加工过程稳定及自动穿丝等传统的要求 外，还能在保证加工精度的前提下提高加工效率。双走丝系统能实现在一台机 床上自动交换两种材质、直径都不同的电极丝，从而解决高精度与高速度加工 的矛盾。瑞士阿奇夏米尔公司的高精度线切割机具有双丝切割交换系统，可进 行全自动穿丝，细丝直径为2 0 l x r n ，可实现轮廓精度l 2 岬，r a u ，则沿伺服反方向后退，反之则进给，因些，s v 大，则平均 放电间隙愈大，反之则小。伺服参考电压的高低，决定着放电间隙的大小，同 样影响着加工工艺指标。 从以上讲述可以看出，论文中所要求脉冲时间小很多，峰值电流比较大， 这主要原因是项目要求的，同时；b n - r 功率比较小，能更好的进行精加工。 2 6 电火花加工的控制策略 2 6 1 数字p i d 理论 在计算机控制系统中，由于计算机控制是一种采样控制，只能根据采样时 刻的偏差值计算控制量，因此需要对连续p i d 控制器方程进行离散化。传统的 p i d 控制器的数字调节算法分为两种：位置式和增量式 1 h 3 】。位置式算法表达式 如式( 2 9 ) ，增量式算法表达式如式( 2 1 0 ) ： ttm u ( k r ) = k p e ( k r ) + 知专p ( 丁) + 岛等k ( 忉一p ( 后丁一丁) 】 ( 2 9 ) 1 j = o a u ( k t ) = 研戢乃一e ( k t 一乃 + 如专戢7 ) + 岛等乃一2 e ( k t t ) + e ( k t 一2 纠 ( 2 1 0 ) u ( k t ) = u ( k t 一丁) + a u ( k t ) ( 2 1 1 ) 设岛= 岛亿仍) ，幻= 如( ，乃仃) ，则式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) 转换为以下形式： “( 后乃= 岛p ( 尼d + 七，e ( j t ) + k d e ( k t ) - e ( k r - t ) 】 ( 2 1 2 ) j = o a u ( k z ) = k 缸e ( k t ) - e ( k r 一乃j + t 础d + 吒m 乃一2 e ( k t - d + 舷r 一2 乃】 ( 2 1 3 ) 式中：卜采样序号，k - - o ，l ，2 ，；u ( 灯) 一第k 次采样时刻的计算 机输出值；e ( 七丁) 一第k 次采样时刻输入偏差值，它等于给定值与测量值之差； e ( 七正丁) 一第缸1 次采样时刻输入的偏差值；e ( 杯2 丁) 一第k - 2 次采样时刻输 入的偏差值；卜采样周期，必须使丁足够小，才能保证系统有一定的精度；u ( | 丁) 一第k 次采样时控制器的输出值：u ( 尼互丁) 一第肛1 次采样时控制器的 输出值；a u ( 尼丁) 一第k 次采样时控制器输出的增值，它的大小等于u ( 尼丁) u ( k t - t ) ；如，岛，幻一分别称为比例系数，积分系数，微分系数；野一控制器的 积分时间常数；乃一控制器的微分时间常数； 在位置式控制算法中，由于采用全量输出，所以每次输出都与原来位置量 有关。位置式算法需要对e ( 忌) 量进行累加，由于初始阶段系统偏差e ( 七) 比 1 7 第2 章电火花加工的机理研究与控制策略 较大，累加后，可能会引起a u ( 后丁) 的溢出，造成数据不准确，引起误动作。 而从式( 2 1 3 ) 可以看出，当采用恒定的采样周期丁时，一旦确定了知，忽，幻， 只要使用前后三次测量值的偏差，就可以求出控制量，图2 6 给出了增量式p i d 控制系统的示意图： 图2 6 增量式p i d 控制系统框图 位置式和增量式p i d 算法在本质上并无大的差别，增量式p i d 算法只不过 将计算机的一部分累加功能转化为由执行机构去完成，但这一点算法上的改动， 却带来了不少优点： ( 1 ) 由于控制器只输出增量，所以当计算机误动作时，u 虽可能有较大幅 度的变化，但对系统造成的影响比位置式p i d 控制算法小，控制的作用不会发 生大幅度变化，必要时还可用逻辑判断的方法去掉； ( 2 ) 算法中不需做累加，控制增量u 只跟最近几次采样值有关，容易通过 加权处理获得较好的控制效果并且消除了当偏差存在时发生饱和的危险； ( 3 ) 采用增量式p i d 算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。 但增量式p i d 算法也有不足之处：积分截断效应大，有静态误差，溢出影 响较大。 2 6 2p i 控制算法 本系统由比例、积分环节控制即可得到满意的控制效果。微分项的加入在 某些场合可以提高系统的动态品质，但其运算和参数调整较为复杂，控制过程 会占用较多机时，反而降低了响应的快速性。所以，本系统采用p i 控制算法。 p i 控制算法的控制规律如下： 材( ，) = 吒p ( ，) + 亭f p ( ，) 西】 ( 2 1 4 ) 18 第2 章电火花加工的机理研究与控制策略 写出传递函数的形式为： g ( s ) = u ( s ) e ( s ) = ( 1 + l t , s ) ( 2 1 5 ) 在d s p 中，使用的数字p i 控制器，将上式改写为： u ( s ) = ( + 七f s ) e ( s ) ( 2 1 6 ) 对式( 2 1 6 ) 取z 变换得： u ( z ) = lk p + z c ( z 1 ) ) l e ( z ) ( 2 1 7 ) 以离散时域表示为： 甜 ) = “ 一1 ) + 七p ) 一p 一1 ) ) + 色p 伍) 】 ( 2 1 8 ) u ( 七) 、u ( k - 1 ) 分别是系统前一步和这一步的输出量。在实际的控制系统 中，需要的是控制量是驱动脉冲( p w m ) 的宽度，这样变换式( 2 1 8 ) 可以得到： p w m 。= p w m o l a + 口幸p 坼) + 宰p 忙一1 ) ( 2 1 9 ) p ( 后) 、e ( k - 1 ) 分别为第k 次和第k 1 次功率给定值与反馈值之差；p w m n 咖、 p w m o l d 分别为第k 次和第k 1 次p w m 脉冲的宽度；口、的值需通过大量实 验整定后确定。 2 7 本章小结 本论文的工作是对低速走丝电火花线切割脉冲电源研究，首要就是要明白 是什么是低速走丝电火花线切割机床，什么是电火花加工，其原理和过程如何， 怎样才能更好的研制出来，如何研制出更好的电源。本章介绍了电火花丝切割 加工的原理、特点及应用；极间放电电压特性：电火花线切割脉冲能量；在研 制的过程中有哪些电参数必须得注意。精密数控电火花线切割机床可分为机械 系统、数控系统、间隙伺服控制系统、数字脉冲电源系统。国内目前不具备自 主知识产权产品的主要原因是因为没有掌握间隙伺服控制系统设计、数字脉冲 电源系统设计两项关键技术。作为精密数控电火花线切割机床两大关键技术之 一的脉冲电源的研究是极其有意义的。本章所介绍的电火花加工的理论知识， 就是为研制低速走丝电火花线切割脉冲电源做准备。在最后一小节讲述了与p i d 控制的基本理论，根本实际情况采用了p i 的控制算法去对放电过程进行控制。 1 9 第3 章脉冲电源的硬件设计 第3 章脉冲电源的硬件设计 3 1 数字化脉冲电源的总体方案设计 低速走丝电火花线切割脉冲电源的硬件分为两部分，分别是主电路和控制 电路。控制电路部分包含检测单元、执行单元、供电电源和s c i 通讯接口电路 的设计。为了更快的对工况做出反应，快速的对主电路中两个i g b t 的通断进行 切换( 同时满足课题的要求：精加工时脉冲宽度为l o o n s ，粗加工时为2 0 0 n s ) ， 采用了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 这一款3 2 位定点高速数字处理器。其总体结构图如图3 1 所示【1 4 - 2 h 。 图3 1 电源总体结构图 2 0 第3 章脉冲电源的硬件设计 在电源总体结构图中，主电路采用了两路变压、整流并采用了三个i g b t ， 设计中使击穿和放电分离击穿和放电分离，高压用来击穿，低压用来放电，以 满足项目的设计要求。控制电路采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ( d s p ) 控制核心，设置事 件管理器a 的两个通用定时器和事件管理器b 的一个通用定时器，产生三路 p w m 波，并采用程序的编写，来控制电火花的加工。 3 2 主电路 3 3 1 主电路的研究 ( 1 ) 调压型脉冲电源主电路结构 哈工大和中国石油大学( 华东) 等高校都曾研制调压型脉冲电源。调压型 脉冲电源采用了逆变式电源结构，通过改变d c d c 变换器p w m 波控制器的给 定来改变控制器输出的占空比，从而获得高低压输出，实现了根据加工状态的 变化进行调压的控制，从而用电感元件取代了耗能严重的电阻元件。此种电源 结构简单，控制容易，且易得到较好的电压波形。但是由于受其主电路结构、 开关元件的开关速度和调压过程的调节速度的限制，一方面：由于高低压的交 接是个调节过程，易发生间隙已击穿而间隙电压还没有调到低压导致主回路中 流过大电流冲击而烧毁元器件；另一方面：主回路使用了电感元件，具有电流 不可突变的特点，使得每个加工阶段都是一个加工电流从零建立和渐渐降到零 的过程，存在电流爬坡和拖尾现象。其次：逆变调压电源的p w m 波控制器的占 空比变化大对系统得稳定性和安全性不利。解决这一系列问题的关键在于对电 路拓扑结构的研究和控制策略的改进。主电路图如图3 2 。 图3 2 调压型脉冲电源主电路结构副2 2 】 2 l 第3 章脉冲电源的硬件设计 ( 2 ) 电流型脉冲电源的主电路设计现状 电流型脉冲电源的电路拓扑结构是随着大功率电子器件和电力电子学等相 关学科的发展而发展来的。哈尔滨工业大学特种加工及机电控制研究所于和南 京航空航天大学都做了相关研究。 ( a ) p w m 控制电火花加工脉冲电源 如图3 3 所示为哈尔滨工业大学特种加工及机电控制研究所于2 0 0 0 年提出 的电源电路拓扑结构【2 3 1 。其主回路结构为高低压复合型式，低压回路为串联型 开关稳流电路和续流电路相结合的新型拓扑电路，储能元件电感代替限流电阻 而使电能利用率显著提高，解决了电流爬升速度和电流拖尾的问题，有较高的 实用性，解决了电流拖尾现象。 图3 3p w m 控制电火花加t 脉冲电源主电路 其缺点是：首先，使用了两套直流电源，提高了电源加工系统的制造成本、 体积和复杂性；其次，p w m 器件的占空比在脉宽、脉间阶段变化较大( 2 5 - 8 0 ) ， 对系统的稳定性不利；最后，采用传统的单一控制器，控制复杂，效果不好， 有待改进。 ( b ) 复合结构电流型e d m 电源 如图3 a 是南京航空航天大学2 0 0 2 年研制的复合结构电流型e d m 电源。 第3 章脉冲电源的硬件设计 煳 岫 d ，p o i d 6 ： 且-_ 【侧u 崩mu 一 玎 川，r 7 1 |! 广r l r d t嘲5 、7 | l 撕c 2 一 i u 监 = c 丫 = 一l 翻匡 m 2 刘臣m 几 - _ jl _ | 啪d 躲 d 口d c 皴嚣 j i i 冲形威二坎她 赶弧培 图3 4 复合结构电流型e d m 电源主电路【2 4 1 系统同样采用了高低压复合结构，由高压引弧电路和低压放电回路组成， 电源启动后，间隙时间段内，高压作用于间隙，电感电流经m 5 旁路建立，检测 到间隙击穿后，关闭m 5 电流流过间隙维持放电，低压回路采用了双管正激式 d c d c 变换器。 ( c ) 电流型p w m 波控制式电火花加工脉冲电源 如图3 5 是哈尔滨工业大学2 0 0 2 年研制的电流型p w m 波控制火花加工脉 冲电源【2 5 1 ，对2 0 0 0 年的研究成果进行了改进。 e 2 图3 5 电流型p w m 控制电火花加工脉冲电源土电路 它仍然采用了高低压复合结构的模式，但在i j i 两者的电路结构和控制方法 第3 章脉冲电源的硬件设计 上有所改进，去掉了低压回路的一个电源装置，简化了系统，对电流采用了p w m 的闭环控制，解决了电流爬坡拖尾现象，并用单片机改进了时序控制方法，q 2 和q 3 的组合提高了控制的速度。但是，仍然有待改进之处：使用了更多的开关 管，不仅使得结构复杂，控制复杂，还因为功率管之间要求配合控制导通关断 的模式，会造成更多的不稳定和安全隐患：电流闭环控制器采用了传统开关电 源使用的t l 4 9 4 p w m 控制器，输出频率低，使得电流脉动大，同时也限制了放 电频率。 ( 3 ) 数字化电火花加工脉冲电源主电路 以上所列出的主电路都是模拟脉冲电源，随着科学技术的进步，脉冲电源 在向着数字化，自动化，智能化的方向迈进，陆续出现了一些数字化的电火花 加工脉冲电源，由于具体的主电路形式与上面所列出的大同小异，只是体现在 电路控制的不同上，在这就不把图画出来了。大量文献表明在现代，大多数的 数字化脉冲电源都是用单片机，微型计算机来充当控制器，来实现脉冲的发生， 时序的控制。 3 3 2 主电路的设计 从电火花加工电源的国内外研究现状来看，关于闭环控制电火花加工脉冲 电源的研究已成为当今的研究热点之一。除国外一些知名研究机构外，国内哈 尔滨工业大学、南京航空航天大学和石油大学等高校也不断进行了深入研究。 从相关文献上看【2 6 。3 ，他们设计的大多是模拟脉冲电源，通常采用三角波做为 载波与调制波比较而产生脉冲，在电路中还加入一个时序控制器来参与控制功 率管的通断，在加上一系列的保护电路，这样构成的电路就显太繁锁。在论文 中所设计的是数字脉冲电源，主电路在实现功能的基础上力求简单和可靠：改 控制功能的模拟电路实现为由控制器通过程序控制完成：过流和过压保护在设 计时都由d s p 通过程序来实现。 主电路提高峰值电流的方法主要有三种：在间隙上并联电容、采用变压器 和主回路串联电感。在论文中所采用的是第三种方法，该方法能有效地解决电 流爬坡拖尾现象。而对过流，过压的保护，都由d s p 通过软件程序来实现。 论文在参考其他电路的基础上，特别是上小节所列出的主电路结构的基础 上，考虑到课题对脉冲电源的要求，主电路采用独立的电流型高低压复合结构， 在电路实现了击穿和放电的分离，能够实现高压击穿和低压放电。高压电路采 第3 章脉冲电源的硬件设计 用2 2 0 v 的日常用电作为电源，经过变压和整流为3 0 0 v 击穿电压，对加工间隙 进行击穿的工作；低压电路采用3 8 0 v 的工业用电作为电源，经变压和整流为8 0 v 电压，再经滤波、稳流电感、i g b t 、电阻i 毪提供给加工间隙2 0 v 左右的加工 电压，同时由稳流环节提供2 0 0 a 左右的加工间隙电流，进行对加工间隙的放电 工作。主电路如图3 6 所示【2 2 。1 1 。 逼、： 吕 图3 6 主电路图 2 5 第3 章脉冲电源的硬件没计 与图3 5 相比较，主电路中同样设计了一个由q l 、l 1 、q 2 、d 3 、d 4 、d 5 组成的电流闭环结构，但比图3 5 所示电路少了一个i g b t ( 图3 5 的q 2 ) ，这 样做使得电路得到简化、节省了成本，而且两个i g b t 所要完成的工作由一个 i g b t 来完成：续流用i g b t 通则起续流作用，断则进行对加工间隙的放电。电 路中q l 起对电感加压充电的作用；q 2 起续流作用；q 3 对间隙加击穿电压的作 用。当加工放电电路断路，续流用q 2 又关断时，通过d 3 形成一个电流的回路； 当q l 断开时，通过d 4 形成续流回路，这些电路都能起到保护开关器件和电感 的作用。采用d s p 做为主控制器，不需再采用数字逻辑电路，以完成线切割加 工时序切换，实现电感稳流闭环和放电能量闭环的p w m 控制。d s p 的脉冲 t i p w m 、t 2 p w m 、t 3 p w m ( 对应主电路图中网络标签的i g b t l 、i g b t 2 、i g b t 3 ) 分别控制q 1 3 的导通和截止。 电路的工作过程如下：上电之初，q 3 导通，高压电路开始向加工间隙进行 击穿的工作。同时在低压回路中，q 1 、q 2 导通。q 1 的导通使低压电路中的l 1 充能；q 2 的导通，使l i 、q 2 、d 4 形成的回路，选取合适的电感参数，并采用 电流闭环对q l 进行p w m 开关控制，可使电流达到稳态放电峰值要求。加工间 隙击穿之后，q 3 截止，高压电路断开。同时q 2 进行放电脉冲能量的p w m 闭 环控制，将稳流引到加工支路上，开始放电，进行电火花加工。从原理上讲， 高压回路只提供足够的工作电压，并不消耗能量，只起能量传递的作用，低压 回路才是真正的功率提供者，用来蚀除金属。高压回路和低压回路在d s p 的控 制下实时切换，完成高压作用下的击穿延时、低压作用下放电和断路消电离加 工状态的循环，各部分具有独立的电气特性。 3 3 3 主要元器件的选取 ( 1 ) 整流桥 主电路三相整流桥采用s q l 3 0 0 a 1 0 0 0 v ，最大耐流3 0 0 a ，最大耐压1 0 0 0 v ： 单相整流桥采用h d l 0 4 0 a 1 0 0 0 v 最大耐流4 0 a ，最大耐压1 0 0 0 v 。 ( 2 ) 变压器 三相变压器：在不考虑整流桥换相电阻的情况下，并使三相整流出来后的 电压值为8 0 v 。 以= 2 3 4 ( 3 1 ) 式中：为单相变压器副边的电压，整流电压平均值 第3 章脉冲电源的硬件设计 = 2 3 4 = 3 0 0 2 3 4 = 3 4 6 ( 3 2 ) 刀= u l = 3 8 0 3 4 6 = 1 1 ( 3 3 ) 单相变压器：在不考虑整流桥换相电阻的情况下，并且高压击穿电路要求 的击穿电压( 3 0 0 v ) 。 = 0 9 u 2 ( 3 4 ) 从而： = 0 9 = 8 0 0 9 = 8 8 9 1 ( 3 5 ) 以= u = 2 2 0 8 8 9 = 2 5 ( 3 6 ) ( 3 ) 功率开关管 本设计功率开关管采用了三菱高速i g b t 模块c t 3 5 s m 一8 ，采用t 0 5 封装。 以前常用的2 m b l 2 0 0 等大功率i g b t 的封装都比较大，不适合用于机床上用的 脉冲电源。其优点是体积小，耐压耐流比较大。c t 3 5 s m 一8 的v c e s 电压可以达 到4 0 0 v ，c m 电流可达到2 0 0 a 。本设计要求达到的0 2 0 0 a 的电流完全可以达 到。频率可以达1 0 m h z ，其内阻比较小。 ( 4 ) 稳流电感 电感的大小决定了输出电流的纹波大小，理论上电感越大纹波越小，但大 电感必然导致电流调整速度缓慢，应合理选择电感，用p s p i c e 软件对主电路进 行仿真可以帮助选择合适的电感。 设放电加工时，纹波大小不超过1 0 ，根据放电时的纹波公式3 7 ： 1 = l t , 一一1 l 曲= p l u g 归乙三 = u g 妒一乙) l ( 3 7 ) 同时根据在p s p i c e 软件平台进行的仿真波形可确定电感为2 5 m h 。具体的波 形见第5 章。 3 3 控制电路 上一个小节讲述了主电路的硬件构成，对其的控制在本小节中进行讲述。 在本小节中，分成5 个部分分别介绍。 3 3 1 主控芯片 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是美国t i 公司新推出的3 2 位定点数字信号处理器( d s p ) 芯片，主要面向逆变器控制、电机控制等自动控制领域，可以很方便地实现诸 2 7 第3 章脉冲电源的硬件设计 如a d 采样、p w m 输出、非屏蔽中断等功能。可以在单个指令周期内完成3 2 3 2 位的乘累加运算，具有增强的电机控制外设、高性能的1 2 位a d 转换能力和改 进的通讯接口，具有1 m b 的线性地址空间，采用低电压供电( 3 3 v 外设、1 8 v 内核) 。而且，由于拥有工作频率达1 5 0 m h z 的3 2 位d s p 内核处理器，可以高 效可靠地实现诸如自适应控制、卡尔曼滤波和状态控制等先进控制技术。因此， t m s 3 2 0 f 2 8 x 系列d s p 越来越成为自动控制领域的首选控制芯片。表3 1 为其 它应用于控制领域的单片机和d s p 与t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的性能比较 3 2 - 4 1 】。 表3 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 与其它控制芯片的性能比较 t m s 3 2 0t m $ 3 2 0t m s 3 2 0 i n t e l 8 x cm c 6 8 f 2 8 1 2f 2 4 0 7 af 2 4 01 9 6 m ch c l 6 单周期3 0 个周期1 2 个周期， 乘加指令单周期6 6 n s单周期2 5 n s 5 0 n s1 9 9 0 n s4 8 0 n s 硬件乘法器 3 2 x 3 21 6 1 61 6 x 1 6 无无 2 个1 2 位，1 62 个1 0 位，1 6 2 个1 0 位， 1 个8 l 啦，1 个8 1 0 位，6 a d 转换器 1 6 路， 路，8 0 n s路，5 0 0 n s 1 3 路，1 1 u s路，8 6 u s 6 1 u s p w m 1 6 路1 6 路1 2 路 8 路4 路 定时器4 个4 个3 个2 个2 个 s p i ，s c i ， s p i ，s c i ， 内置通讯外设 s p i ，s c i 无无 e c a nc a n 由上表可以看出，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是一款d s p 控制芯片，它不仅具有运算速 度快的特点，而且集成了丰富的片内外设，与其它应用于控制领域的芯片相比， t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 具有明显的优势，能够满足主控制器对控制、测量、保护、开关 量输入输出、故障检测、与上位机通讯等多方面的要求，因此，考虑到功能和 适用性等各个方面原因，论文中选择了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为励磁控制器的核心处 理器。 3 3 1 1d s p 板上硬件资源 ( 1 ) d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 为3 2 位定点高速数字处理器，采用高性能的静 态c m o s 技术，最高工作频率1 5 0 眦( 时钟周期6 6 7 n s ) ； ( 2 ) d s p 片内内置1 8 k x l 6 位s ra m ； ( 3 ) 5 6 个可配置的通用的i o 引脚； ( 4 ) d s p 片内内置1 2 8 k x l 6 位f l a s h ，可存放用户程序，f l a s h 可加密； 2 8 第3 章脉冲电源的硬件设计 ( 5 ) 3 个3 2 位c p u 定时器；3 个外部中断源；外设扩展模块( p r o ) ，支持 4 5 个外设中断； ( 6 ) 1 2 位模数转换模块：2 x 8 通道输入接口，2 个采样保持电路，输入 电压范围：o 3 v 。 ( 7 ) 通讯接口：串行外设接e i ( s p i ) ，两个u a r t 接口模块( s c o ，一个增 强的e c a n 2 0 b 接口模块，一个多通道缓冲串i z l ( m c b s p ) ； ( 8 ) 2 个e v 模块：每个模块均包括2 个1 6 位通用定时器( g p t ) 、3 个比较 器、8 通道1 6 位p w m 单元、3 个捕获单元和3 个正交编码脉冲电路( q e p ) 。 3 3 1 2d s p 片内相关资源模块 由于论文中需要重点用到d s p 中的几个重要模块，因此有必要对这几个模 块进行较为详细的介绍【3 2 泓】： ( 1 ) f 2 8 1 2a d c 模块 f 2 8 1 2 的a d c 模块共有1 6 个采样通道，可以将其配置为2 个各自独立的8 通道模块，方便为事件管理器a 和事件管理器b 服务；两个独立的8 通道模块 可以级连成为一个1 6 通道的模块。虽然具有丰富的输入通道和两个排序器，但 是a d c 模块中只有一个转换器。 a d c 模块的主要功能包括： ( a ) 内建有两个采样保持( s h ) 的1 2 位a d c 核心； ( b ) 同步采样或者顺序采样模式； ( c ) 模拟输入电压范围0 3 v ： ( d ) 快速的转换时间( a d c 的时钟配置为2 5 m h z 时，最高采样带宽为 1 2 5 m s p s ) ： ( e ) 有1 6 个结果寄存器( 可独立寻址) 用于存放a d c 的转换结果，输入 模拟电压对应的数字值公式为： 数字值：4 0 9 5 箜全型塑竖笔 二业 j ( f ) 灵活的中断控制机制，允许在每一个或者每隔一个转换序列结束( e o s ) 时产生中断请求； ( g ) 在双排序器模式时，e v a 和e v b 可以独立的触发s e q l 和s e q 2 ； ( h ) 采样保持获取时间窗具有单独的预分频控制。 第3 章脉冲电源的硬件设计 ( 2 ) f 2 8 1 2p w m 模块 d s p 事件管理器( e v ) 模块提供了强大而丰富的控制功能，非常适合应用 于运动控制和电机控制等领域。f 2 8 1 2 数字信号处理器有两个事件管理器模块， 每个事件管理器包括通用定时器( g p t ) 、全比较p w m 单元、捕获单元以及正 交编码脉冲( q e p ) 电路。e v a 和e v b 两个模块具有完全相同的结构和功能， 因此可以用于多电机的控制。当通过互补的p w m 信号来控制驱动桥时，每个时 间管理器都能控制一个三相逆变桥的工作。除此之外，它还能附加提供两路非 互补的p w m 输出信号。 与论文有关的主要有以下几部分：事件管理器模块、串行通讯接口模块、 模数转换模块等。论文中的控制器用d s p 产生p w m 输出，其工作原理如下： ( 3 ) f 2 8 1 2s c i 模块 d s p 串行通信接口( s c i ) 是一个两线制异步串行接口，通常被称为u a r t 。 s c i 模块支持c p u 与其他异步外设之间使用标准非归零码( m 屹) 进行数字通 信。s c i 的接口器和发送器各有一个1 6 级深度的f i f o ，这样可以大大的减少 c p u 资源开销。当不使用f i f o 时，s c i 的接收器和发送器都是双级缓冲传送数 据。s c i 有自己的独立的使能和中断位，它们可以半双工或全双工通讯。为了保 证数据的完整性，串行通信接口可以对接收到的数据进行间断、奇偶性、超时 和帧错误的检查。通过对1 6 位的波特率控制寄存器进行编程，可配置不同的串 行通信接口波特率，最高可高达6 4 k b p s 。 串行通信接口( s c i ) 的主要特点如下： ( a ) 两个外部引脚： 一s c i t x d ：s c i 数据发送输出引脚； - - s c i r x d ：s c i 数据接收输入引脚； 如果不用于s c i 通信，两个引脚都可以作为通用i o 口。 ( b ) 可以编程为多达6 4 k 种不同的波特率； ( c ) 数据字的格式： 一l 位起始位； 一1 8 位可编程数据字长度； 一可选择奇校验、偶校验或者不进行奇偶校验； 一1 2 位的停止位； ( d ) 4 个错误检测标志位：奇偶校验、溢出、帧错误和间断侦测； 第3 章脉冲电源的硬件设计 ( e ) 两种处理器唤醒方式：空闲线( i d l e - - l i n e ) 和地址位( a d d r e s sb i t ) ； ( f ) 半双工或者全双工操作； ( g ) 双缓冲接收和发送数据功能； ( h ) 发送器和接收器可以通过具有状态标志的中断驱动或者p o l l e d 算法来 完成操作： ( i ) 独立的发送器中断使能位和接收器中断使能位( 除b 砌t ) ： ( j ) 非归零码( n r z ) 通信格式； ( k ) 1 3 个s c i 模块控制寄存器位于控制寄存器，帧起始地址为7 0 5 0 h ； ( 1 ) 自动通信速率检测和1 6 级发送接收f i f o 缓冲器。 3 3 2 检测单元 3 3 2 1 电参量检测电路 论文所设计的数字控制器所要检测的是间隙放电电压、间隙放电电流、电 感电流、走丝速度、加工不正常信号，在检测环节上做到实时并精确地反映电 参量瞬时值的大小，而此外d s p 芯片自带a d c ，使得硬件电路还简单可靠，方 便以后控制器升级和应用到d s p 参数检测装置中。这些信息在控制中起着非常 重要的作用，使得主控制器更好的控制p w m 波的输出。而对速度的检测与电参 量的检测过程大致相同，在论文中就不再叙述了。 电参量检测的输入通道原理图如图3 7 所示： 一一- i 信号预处理电路卜攀 放电电流1 l 输入- i 信号预处理电i 啦t l l p 墅乌 7 i1 日jj 咒：x l j 王己 7 电感电流1 2 输入，l 信口 预处理电路凹 采样 。1 n m 保持 r in 7 1 一，卞耳1 7 自霄l 切割速度s 输入l 信号预处理电路 _ ! 重堕乌 7 l 佰芍坝处埋i 巳踊r