基于双DSP架构的电火花加工智能高效脉冲电源的研究

摘要

脉冲电源与伺服控制系统在电火花加工工艺中起着至关重要的作用，而传统电火花加工控制系统普遍存在电源功耗大、加工效率低、智能化程度差等问题，亟待解决。本课题结合电火花加工机理分析、计算机检测与智能控制技术和现代电力电子技术等领域的最新研究成果，采用机理建模仿真与工艺试验相结合的方法，基于双DSP架构对电火花加工节能脉冲电源与伺服控制系统进行研究，并在电火花加工间隙放电状态检测与辨识方法、基于分布式人工智能控制技术的电火花加工电源与伺服系统自适应协调控制策略等方面取得了创新性的研究成果。
　　 本文针对电火花加工对脉冲电源的要求，改进了一种基于PWM调压技术的智能化节能脉冲电源拓扑结构，基于状态空间平均法结合其电路拓扑结构建立了该电源的数学模型，并利用闭环小信号分析法推导出该电源的闭环传递函数，根据系统的性能指标和加工工艺要求对电路相关参数进行了仿真研究，并对其进行了综合优化。
　　 针对现有的电火花加工放电状态检测方法存在的问题，引入了暂态能量思想的放电状态辨识原理，并与脉冲宽度检测原理和高频分量检测分析有机结合，提出了一种复合判据的放电状态综合辨识方法，并构建了加工间隙放电状态多判据辨识方法的检测流程，可有效提高放电状态的辨识正确率。
　　 基于分布式人工智能思想提出了脉冲电源与伺服系统之间的协调控制策略，根据电火花加工机理分析，对脉冲电源与伺服系统进行任务分配，并通过模糊解耦方法建立了不同放电状态下的协调控制策略，有效提高了电火花加工过程的正常放电率。
　　 针对传统电火花加工伺服控制系统存在的不足，基于模糊控制理论设计了电火花加工伺服电机模糊控制器，基于伺服电机的数学模型推导出传递函数，并设计出转速、电流的双闭环控制模型，并结合电火花加工工艺要求建立了伺服电机模糊控制规则，对输入输出参数进行模糊解耦，实现了对伺服电机的有效控制。
　　 本文基于提出的双DSP架构加工电源与伺服控制系统的实现方法，研制完成了调压式智能脉冲电源及智能伺服控制系统的试验样机。与NH250成机进行了电极损耗、加工速度、加工表面质量、电能损耗以及可靠性等方面的对比实验。实验结果表明，研制的调压式智能脉冲电源与伺服控制系统的各项工作性能均优于传统的电火花加工系统。

目录

文摘

英文文摘

论文创新点摘要

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 非导电材料电火花加工工艺的研究现状

1.2.1 高压电火花加工

1.2.2 辅助电极电火花加工

1.2.3 电解电火花加工

1.2.4 机械电解电火花复合磨削加工

1.3 电火花加工脉冲电源的研究现状

1.3.1 国内外脉冲电源的研究

1.3.2 脉冲电源智能化发展趋势

1.4 电火花加工伺服系统的研究现状

1.4.1 电火花加工间隙放电状态检测方法的研究

1.4.2 国内外伺服控制系统的研究现状

1.5 智能控制技术在电火花加工中的应用

1.5.1 模糊控制在电火花加工中的应用

1.5.2 神经网络在电火花加工中的应用

1.6 研究目的和内容

1.6.1 研究目的

1.6.2 研究内容

第二章 调压式节能脉冲电源的动态特性研究

2.1 调压式脉冲电源的动态特性

2.2 调压式脉冲电源主回路动态数学模型的建立

2.2.1 状态空间平均法

2.2.2 脉冲电源主回路动态数学模型的建立

2.3 调压式节能脉冲电源的仿真

2.3.1 调压式节能脉冲电源的电路仿真

2.3.2 调压式节能脉冲电源的参数仿真

2.4 调压式节能脉冲电源主电路相关参数的设计

2.4.1 高频脉冲变压器的设计

2.4.2 输出滤波电感的设计

2.4.3 输入输出滤波电容的设计

2.5 本章小结

第三章 电火花加工状态检测与协调控制策略研究

3.1 电火花加工间隙放电状态的传统检测方法

3.2 电火花加工间隙放电状态复合检测方法

3.2.1 基于暂态能量的放电状态检测原理

3.2.2 基于脉宽检测的放电状态检测原理

3.2.3 基于高频分量分析的放电状态辨识原理

3.2.4 电火花加工放电状态综合辨识方法

3.3 基于分布式人工智能的电火花加工协调控制方法

3.3.1 分布式人工智能技术原理

3.3.2 基于分布式人工智能的电火花加工协调控制策略

3.3.3 空载率过高时的协调控制策略

3.3.4 过度放电率过高时的协调控制策略

3.4 实验结果及分析

3.5 本章小结

第四章 电火花加工智能伺服控制系统的研究

4.1 电火花加工模糊控制器

4.1.1 模糊逻辑控制系统的基本结构

4.1.2 电火花加工协调控制策略的控制目标

4.1.3 输入输出参数的选择

4.1.4 模糊控制策略的制定

4.1.5 电火花伺服进给模糊控制的仿真研究

4.2 电火花加工直流伺服电机的数学模型

4.3 H桥PWM变换器和测速环节的传递函数

4.4 电流和转速控制器的设计

4.4.1 电流环调节器ACR的设计

4.4.2 转速环调节器ASR的设计

4.5 伺服系统的仿真模型及仿真结果

4.5.1 系统的仿真模型

4.5.2 仿真结果

4.6 本章小结

第五章 电火花加工智能控制器的设计

5.1 基于双DSP架构的电火花加工控制器

5.1.1 基于双DSP架构控制器设计

5.1.2 双DSP的数据交换

5.1.3 控制系统的整体结构

5.2 电火花加工控制器的硬件设计

5.2.1 主控芯片的选择

5.2.2 电源电压转换电路

5.2.3 接口电平转换电路

5.2.4 参数存储电路

5.2.5 系统看门狗设计

5.2.6 电压检测电路

5.2.7 电流检测电路设计

5.2.8 智能功率模块IPM接口电路的设计

5.2.9 键盘及显示部分的设计

5.3 软件系统设计

5.4 本章小结

第六章 基于双DSP架构的调压式智能电源实验研究

6.1 调压式脉冲电源试验样机的技术参数

6.2 调压式脉冲电源电压电流输出特性

6.2.1 调压式脉冲电源的脉宽调制特性

6.2.2 调压式脉冲电源的脉冲放电特性

6.3 调压式脉冲电源的工艺试验

6.3.1 实验平台的构成

6.3.2 调压式脉冲电源的极性效应加工实验

6.3.3 调压式脉冲电源的工艺实验

6.4 调压式脉冲电源电火花加工表面质量分析

6.4.1 加工表面微观形貌分析

6.4.2 加工表面微裂纹分析

6.4.3 加工表面成分分析

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

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