一种基于三路电容交错放电的可调型RC微细脉冲电源的制作方法

本发明涉及高频微细电火花加工技术，特别是涉及一种基于三路电容交错放电的可调型rc微细脉冲电源。

背景技术：

脉冲电源作为电火花加工机床的一个核心部分，对加工表面的粗糙度、工具电极的损害程度、加工精度、加工效率以及电能利用率有重要影响。因此，加工质量对脉冲电源的能量级、加工效率提出了很高的要求。目前，在微细电火花加工领域，脉冲电源主要采用张弛式或独立式拓扑结构，张弛式脉冲电源结构简单、单次放电能量小，但放电频率低，加工效率低下，此外，张弛式脉冲电源需要配备一定高压的直流电压源。独立式脉冲电源放电频率较高，放电脉宽可控，但其功率较大，且有阻尼损耗，不适合微细加工。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于三路电容交错放电的可调型rc微细脉冲电源，实现其能量可控和持续高频放电。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于三路电容交错放电的可调型rc微细脉冲电源，包括主功率回路、驱动电路、辅助电源、直流电压源、fpga控制器，所述主功率回路用于给间隙提供击穿电压和击穿后的放电能量；直流电压源为主功率回路提供电压；辅助电源为驱动电路提供电压；fpga控制器用于输出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，产生驱动信号驱动主功率回路中开关管的导通和关断；所述主功率回路采用输入电阻可调、三路电容交错并联的rc型电路为拓扑，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第一电感、输入电容、第一电容、第二电容、第三电容、第一二极管、第二二极管、第一电阻，第二电阻，其中，第七开关管、第八开关管与输入电容相接，另一端分别与第一电阻、第二电阻相接，第一电阻、第二电阻另一端和第四开关管连接，第四开关管另一端接于第一电感，第一电感另一端与第一二极管的阳极相接，第一开关管、第二开关管、第三开关管分别与第一电容、第二电容、第三电容相接，另一端连接第一二极管的阴极，第五开关管与第一二极管的阴极和第一开关管的连接点相接，另一端连接第二二极管的阳极，第二二极管的阴极与输入电容和第一电容、第二电容、第三电容的连接点相接，即与间隙接地点相接，第六开关管与第二二极管的阴极相接，另一端与输入电容和第一电容、第二电容、第三电容的连接点相接，即与间隙接地点相接。

所述第一开关管、第二开关管、第三开关管选用onsemiconductor公司的型号为fcp165n65s3的n沟道mosfet，所述第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管选用infineon公司的型号为ipp60r74c6的n沟道型mosfet。

所述第一电感选用sunlord公司的型号为mph201206s1r0mt。

所述fpga控制器选用型号为ep4ce15f23c8。

所述驱动电路选用驱动芯片ucc21521。

一种基于上述基于三路电容交错放电的可调型rc微细脉冲电源的间隙加工方法，包括如下步骤：

步骤一：在间隙未被击穿之前，由fpga控制器产生对应的多路pwm信号，经过驱动电路的放大后，控制第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管全部导通，控制第五开关管、第六开关管全部关断，根据生产要求控制第七开关管、第八开关管的通断来调节功率回路中的限流电阻阻值，此时由第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管，以及第七开关管和/或第八开关管构成rc电路的充电部分，直流电压源对三个放电电容，即第一电容、第二电容、第三电容进行充电，第一电感产生感应电势，对充电电压进一步抬升，第一二极管将抬升的电位箝住，加快充电速度；

步骤二：当间隙两端电压到达击穿电压后，间隙击穿，电极与工件之间形成放电通道，此时进入间隙放电期间，由fpga控制器产生对应的多路pwm信号，经驱动电路的放大后，去控制第四开关管、第六开关管关断，此时由第一开关管、第二开关管、第三开关管、第五开关管组成rc电路的放电回路部分，三个放电电容，即第一电容、第二电容、第三电容交错并联工作，经过第二二极管向间隙负载提供正向加工电流，间隙持续高频微能放电，实现对工件的精密加工；

步骤三：放电结束后，间隙进入消电离阶段，在单次放电结束后，下一个放电周期开始前，fpga控制器产生相应的pwm信号，经过驱动电路放大后，控制开关管导通，其他开关管均关断，使得间隙两端电压为零，间隙进入电路消电离阶段，为下一周期的放电做准备；

步骤四：重复上述三步骤，实现加工周期的循环。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）本发明微细脉冲电源结构简单、高效节能，放电能量很小以满足微细加工能量要求；2）本发明功率拓扑采用了三路充电电容交错并联的rc型电路，相比于传统脉冲电源，可以实现三倍放电频率，提高电源工作效率；3）在充电回路中采用双路电阻组合工作，能够灵活调节通过开关管改变充电电阻阻值，使限流电阻阻值、充电时间等参数可以任意调节，提高电源灵活性；4）充电回路中设置了一个电感和二极管串联的组合，二极管起箝位作用，以实现充电电压的抬升，缩短充电时间，进一步提高开关频率。

附图说明

图1为本发明基于三路电容交错放电的可调型rc微细脉冲电源的架构框图。

图2为本发明主功率回路的电路图。

图3为本发明驱动电路选用的驱动芯片原理应用图。

图4为本发明基于三路电容交错放电的可调型rc微细脉冲电源的放电波形示意图。

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，基于三路电容交错放电的可调型rc微细脉冲电源，包括主功率回路、驱动电路、辅助电源、直流电压源、fpga控制器。所述主功率回路用于给间隙提供击穿电压和击穿后的放电能量；直流电压源为主功率回路提供电压；辅助电源为驱动电路提供电压；fpga控制器用于根据给定的目标参数来输出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，产生驱动信号驱动主功率回路中开关管的导通和关断。

如图2所示，所述主功率回路采用输入电阻可调、三路电容交错并联的rc型电路为拓扑，包括第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3、第四开关管q4、第五开关管q5、第六开关管q6、第七开关管q7、第八开关管q8、第一电感l1、输入电容cin、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第一二极管d1、第二二极管d2、第一电阻r1，第二电阻r2，其中，第七开关管q7、第八开关管q8与输入电容cin相接，另一端分别与第一电阻r1、第二电阻r2相接，第一电阻r1、第二电阻r2另一端和第四开关管q4连接，第四开关管q4另一端接于第一电感l1，第一电感l1另一端与第一二极管d1的阳极相接，第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3分别与第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3相接，另一端连接第一二极管d1的阴极，第五开关管q5与第一二极管d1的阴极和第一开关管q1的连接点相接，另一端连接第二二极管d2的阳极，第二二极管d2的阴极与输入电容cin和第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3的连接点相接，即与间隙接地点相接，第六开关管q6与第二二极管d2的阴极相接，另一端与输入电容cin和第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3的连接点相接，即与间隙接地点相接。d1起箝位作用，d2能够防止间隙电压震荡而发生电流反向流。第二二极管d2的阴极与第六开关管q6相连，另一端与第五开关管q5连接，第六开关管q6连接在间隙两端。主功率回路分为充电回路和放电回路，充电回路采用两路充电电阻并联，通过开关通断来调节电阻阻值的变化，另外，通过充电回路中串联的电感产生感应电动势，将进一步抬升充电电压，缩短充电时间以提高加工频率；放电回路采用三路电容交错并联的组合，通过开关管的时序控制，实现高频率的充电、放电过程，从而使间隙击穿放电，单次放电结束后，开关管q6导通，间隙两端电压被拉至0v，间隙进入消电离阶段，为下周期击穿做准备。

主功率回路中，开关管q1、q2、q3选用onsemiconductor公司的型号为fcp165n65s3的n沟道mosfet，其漏源极耐压vds高达650v，额定电流id为19a，开关管q4、q5、q6、q7、q8选用infineon公司的型号为ipp60r74c6的n沟道型mosfet，其漏源极耐压vds高达600v，额定电流id为57.7a，工作频率高达1mhz，可以用在高频、高压、小电流的微细电火花加工中。第一电感选用sunlord公司的型号为mph201206s1r0mt，感值为1μh，二极管选用型号为ffp30s60s，反向耐压600v，正向连续导通电流30a。

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，本发明驱动电路采用自带隔离的高低端驱动芯片，这里采用texasinstruments公司推出的型号为ucc21521的栅极驱动ic芯片，接受fpga的pwm输出信号，经驱动芯片放大，再去驱动功率回路中的开关管。它是双通道、高速、内部隔离、带有使能脚的栅极驱动芯片，带宽高达5mhz，隔离电压高到5.7kv，浪涌抗干扰电压为12.8kv。此驱动芯片可以同时产生高端和低端驱动，并且原、副边隔离，减小了主电路和控制电路之间的干扰。

本发明基于三路电容交错放电的可调型rc微细脉冲电源，采用功率电感抬升电压、三路充电电容交错并联的rc型电路，并在电源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，电容储能，无阻、高效节能，相比于传统电源，将放电频率提升至三倍，并且对直流电压源的电压要求不高，控制灵活可靠。

图4是一个加工周期的间隙电压电流波形示意图，一个加工周期中包括三次击穿放电过程。在加工周期刚开始时，间隙输出电压为空载电压；充电电容完成充电后，当间隙两端电压到达击穿电压时，间隙击穿发生，间隙电压迅速下降到维持电压，此时间隙电流也迅速上升，在单个加工周期中，三路充电电容交错并联工作，依次给间隙提供击穿电压，从而实现放电频率的三倍化，放电结束后，间隙电流降至0。在一个加工周期结束后，开关管q6导通，间隙进入消电离阶段。基于三路电容交错放电的可调型rc微细脉冲电源的间隙加工方法，其具体步骤如下：

步骤一：在间隙未被击穿之前引弧阶段，由fpga控制器产生对应的多路pwm信号，经过驱动电路的放大后，控制第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3、第四开关管q4全部导通，控制第五开关管q5、第六开关管q6全部关断，根据生产要求控制第七开关管q7、第八开关管q8的通断来调节功率回路中的限流电阻阻值，此时由第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3、第四开关管q4，以及第七开关管q7和/或第八开关管q8构成rc电路的充电部分，直流电压源vin对三个放电电容，即第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3进行充电，第一电感l1产生感应电势，对充电电压进一步抬升，第一二极管d1将抬升的电位箝住，加快充电速度；

步骤二：当间隙两端电压到达击穿电压后，间隙击穿，电极与工件之间形成放电通道，此时进入间隙放电期间，由fpga控制器产生对应的多路pwm信号，经驱动电路的放大后，去控制第四开关管q4、第六开关管q6关断，此时由第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3、第五开关管q5组成rc电路的放电回路部分，三个放电电容，即第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3交错并联工作，经过第二二极管d2向间隙负载提供正向加工电流，间隙持续高频微能放电，实现对工件的精密加工；

步骤三：放电结束后，间隙进入消电离阶段，在单次放电结束后，下一个放电周期开始前，fpga控制器产生相应的pwm信号，经过驱动电路放大后，控制开关管q6导通，其他开关管均关断，使得间隙两端电压为零，间隙进入电路消电离阶段，为下一周期的放电做准备；

步骤四：重复上述三步骤，实现加工周期的循环。