基于SOPC技术的电解加工高频脉冲电源

摘要

本发明涉及一种基于SOPC技术的电解加工高频脉冲电源，包括依次连接的交流输入端、初级整流滤波电路、全桥逆变电路、高频变压电路、次级整流滤波电路、斩波电路及脉冲输出端，还包括能量释放装置、负载电流检测电路及控制系统，控制系统与所述全桥逆变电路、斩波电路、能量释放装置及负载电流检测电路连接，当所述负载电流检测电路检测的电流的上升率大于设定值连续4个采样周期时，所述控制系统控制所述全桥逆变电路及斩波电路关闭，并输出脉冲信号触发所述能量释放装置。本发明配置了能量释放装置，加工出现异常，控制系统能够及时触发能量释放装置保护加工电极，提高了电解电源的稳定性，实现了电源的全数字式控制。

说明书

技术领域

    本发明涉及脉冲电源，特别涉及一种基于SOPC技术的电解加工高频脉冲电源。

背景技术

电解加工(Electrochemical Machining，ECM)，是一种基于阳极金属以“离子”形式溶解去除材料的方法，工件阳极和工具阴极接直流或者是脉冲电源（一般为10V~25V）。电解加工工艺具有加工效率高、工具无损耗、加工后工件表面无热影响层、结构表面光滑、无内应力、无裂纹、加工不受材料硬度的限制等优点，已在小型、微型、薄型、整体结构、特型零件加工领域中发挥出显著优势。

脉冲电流电解加工（Pulse Electrochemicial Machining,PECM）,按电流的波形特征可以分为低频（数十Hz）或高频（kHz~数十kHz）、 宽脉宽（ms~数十ms）、窄脉宽（数十us~数百us）等类型。用脉冲电流电解加工替代直流电解加工改变了其加工过程的物理、化学特性，可以达到更高的加工精度和稳定性。这是因为脉冲电解加工改善了流场的均匀性，使得电化学反应集中在电极周围很小的区域内，实现定域蚀除，有利于提高电解加工精度。

当前国内外电解加工生产中绝大部分仍采用直流电源。早期采用直流发电机组，随大功率晶闸管期间的发展，晶闸管调压、稳压的直流电源又逐步取代了硅整流器电源。

逆变整流的电源拓扑结构的电解电源，以单片集成PWM控制芯片为主控制器，实现电源的稳压或稳流输出，输出脉冲频率在15KHz左右，电源容量达万安培级别。

合肥工业大学研制了一套以IGBT(绝缘栅双极型晶体管) 作为斩波元件的全桥逆变高频脉冲电解加工电源。以SG3525为PWM（脉冲宽度调制）控制芯片的脉冲信号发生电路及调节电路。其主要参数为：输出频率最高为40kHz、输出峰值电流可达2000A、输出平均电压达24V及占空比0.1~0.9之间可调，快速短路保护系统采用关断逆变全桥和极间并联大容量IGBT结合实现快速关断，可以有效保护电源和工具电极与工件。

华南理工大学研制了SCR（晶闸管）调压、稳压电源输出的直流电流源快速换流成高频、窄脉冲的脉冲电解电源。最大输出电压20V(峰值)；频率可调范围：100Hz~20kHz,连续可调。额定频率：1000A为10kHz；2000A为1kHz。

[1]陈远龙,杨胜. 高频脉冲电解加工电源的研制[J].机电工程技术，2012.

[2] 余艳青,王建业,韩冠军. MOSFET高频窄脉冲电解加工工程化电源研制[J].电加工与模具,2005。

晶闸管调压直流电源的主要优点是可靠性、经济性好，存在的主要问题是变压器体积大，主回路并联支路仍然多，因此占地面积大。直流电解加工效率虽然高，但是加工精度不高，适合对加工精度要求不高，对加工效率要求高的加工场合。

逆变整流式脉冲电解电源，虽然电源容量可以做的比较大，电路简单，加工精度相比直流电源电解加工精度有一定的提高，但也不适合加工精度要求高的场合，并且输出峰值电压固定，波形频率与脉冲宽度不可调，不便于电解加工工艺的参数调节。

以SG3525为PWM（脉冲宽度调制）控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。但是对于逆变后整流滤波再斩波式的电解电源，因为这种拓扑结构的电解电源需要斩波器的PWM控制信号与逆变器的PWM控制信号有一定协同性。而SG3525主要是通过调节逆变器的脉冲宽度来实现电源的稳压或稳流控制，所以对于逆变后整流滤波再斩波的电解电源就不是很适合。

直流电解电源与逆变整流电解电源存在加工精度不高的缺点，所以很难满足高精度电解加工的要求，也不能发挥出电解加工工艺的优势。

发明内容

本发明的主要目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种基于SOPC技术的电解加工高频脉冲电源。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：一种基于SOPC技术的电解加工高频脉冲电源，包括：

交流输入端，

初级整流滤波电路，与所述交流输入端连接，用于对所述交流输入端输入的交流电进行整流及滤波以形成直流电；

全桥逆变电路，与所述初级整流滤波电路连接，用于将所述直流电转换成高频脉冲交流电；

高频变压电路，与所述全桥逆变电路连接，用于将高频脉冲交流电转换为低频脉冲交流电；

次级整流滤波电路，与所述高频变压电路连接，用于对所述低频脉冲交流电进行整流滤波形成脉冲直流电；

斩波电路，与所述次级整流滤波电路连接，用于对脉冲直流电进行调频以形成电解加工的高脉冲直流电；

脉冲输出端，与所述斩波电路连接，包括正极输出端及负极输出端；

能量释放装置，并联连接于所述正极输出端及负极输出端之间；

负载电流检测电路，与所述负极输出端连接，用于检测加工状态下通过负载的电流；

控制系统，与所述全桥逆变电路、斩波电路、能量释放装置及负载电流检测电路连接，当所述负载电流检测电路检测的电流的上升率大于设定值连续4个采样周期时，所述控制系统控制所述全桥逆变电路及斩波电路关闭，并输出脉冲信号触发所述能量释放装置。

优选地，还包括：

初级电流检测电路，与所述全桥逆变电路连接，用于所述检测全桥逆变电路的电压值，当所述电压值大于设定阀值，则所述控制系统输出短路触发信号控制交流输入端短路以关闭电源。

优选地，所述控制系统为以NIOSII软核为处理器的SOPC控制系统。

优选地，所述斩波电路包括多个并联的高频MOSFET功率开关管，每个高频MOSFET功率开关管通过一功率管驱动电路驱动。

优选地，所述能量释放装置包括能量释放器及能量释放器驱动电路，能量释放器并联连接于所述正极输出端与负极输出端之间，所述能量释放器驱动电路连接于所述能量释放器及控制系统。

优选地，所述控制系统上连接有人机交互界面及串口通信接口。

本发明的有益效果是：本发明配置了能量释放装置，当负载电流检测电路检测到检测的电流的上升率大于设定值连续4个采样周期时，即此时加工出现异常，控制系统能够及时触发能量释放装置保护加工电极，提高了电解电源的稳定性，实现了电源的全数字式控制，此外，配置了初级电流检测电路，一实现全数字式短路保护。进一步的，集成了以32位NIOSii软核处理器为核心的SOPC电源控制系统，完成了高频脉冲电解电源的控制系统的搭建。同时通过人机交换接口及串口通信接口实现电解电源与电解机床运动控制系统实时交互，有效地提高电解加工的加工精度与适用范围。

附图说明

图1是本发明实施例基于SOPC技术的电解加工高频脉冲电源的原理图；

图2是本发明高频电解电源的电源保护原理图；

图3是本发明数字脉宽调制原理图；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施例详细说明本发明的技术方案，以便更清楚、直观地理解本发明的发明实质。

参照图1所示，本发明提供了一种基于SOPC技术的电解加工高频脉冲电源，包括交流输入端、初级整流滤波电路、全桥逆变电路、高频变压电路、次级整流滤波电路、斩波电路、脉冲输出端、能量释放装置、负载电流检测电路及控制系统。

其中，交流输入端连接220V单相交流电。

初级整流滤波电路与所述交流输入端连接，用于对所述交流输入端输入的交流电进行整流及滤波以形成直流电。该初级整流滤波电路包括整流桥BR1及滤波电容C1，交流输入端输入的交流电通过整流桥BR1整流，并通过滤波电容C1滤波后变成平直的高压直流电。

全桥逆变电路与所述初级整流滤波电路连接，用于将所述直流电转换成高频脉冲交流电；该全桥逆变电路由四个功率开关管（T1-T4）及全桥驱动电路2组成，全桥驱动电路2用于驱动四个功率开关管（T1-T4）。

高频变压电路与所述全桥逆变电路连接，用于将高频脉冲交流电转换为低频脉冲交流电；该高频变压电路包括高频变压器CT1及连接于高频变压器CT1初级线圈上的电容C2，高频变压器CT1将高频脉冲交流电经一定变比降压为低频脉冲交流电，而电容C2用于隔离高频变压器CT1初级线圈的直流分量。

次级整流滤波电路与所述高频变压电路连接，用于对所述低频脉冲交流电进行整流滤波形成脉冲直流电。该次级整流滤波电路包括由快恢复二极管D1和D2组成的整流电路及由滤波电感L1和滤波电容C3组成的滤波电路，低频脉冲交流电通过快恢复二极管D1和D2整流及滤波电感L1和滤波电容C3滤波后形成低频脉冲直流电。

斩波电路与所述次级整流滤波电路连接，用于对脉冲直流电进行调频以形成电解加工的高脉冲直流电；该包括斩波器Z1（由多个并联的高频MOSFET功率开关管组成），每个高频MOSFET功率开关管通过一功率管驱动电路5驱动。为达到理想均流效果，尽量选取特性一致的高频MOSFET功率开关管进行并联，每个高频MOSFET功率开关管对应独立的栅极电阻来消除寄生振荡，选取同样的功率管驱动电路5，高频MOSFET功率开关管布局尽可能对称和电路回路最短。

脉冲输出端与所述斩波电路连接，包括正极输出端及负极输出端，正极输出端用于连接加工工件，而负极输出端用于连接工具阴极，通过输出端为电解加工提供高脉冲直流电。

能量释放装置并联连接于所述正极输出端及负极输出端之间。该能量释放装置具体包括能量释放器Z2及能量释放器驱动电路6，能量释放器Z2并联连接于所述正极输出端与负极输出端之间，所述能量释放器驱动电路6连接于所述能量释放器Z2及控制系统7。

负载电流检测电路与所述负极输出端连接，用于检测加工状态下通过负载的电流。该负载电流检测电路具体包括第二电流传感器HS2及与所述第二电流传感器连接的负载电流检测及滤波电路3，第二电流传感器HS2串联连接在负极输出端上。

控制系统7与所述全桥逆变电路、斩波电路、能量释放装置及负载电流检测电路连接，当所述负载电流检测电路检测的电流的上升率大于设定值连续4个采样周期时，所述控制系统7控制所述全桥逆变电路及斩波电路关闭，并输出脉冲信号触发所述能量释放装置，以保护工具阴极和加工的工件。具体的，控制系统7控制全桥逆变电路的四个功率开关管（T1-T4）及斩波电路的多个并联的高频MOSFET功率开关管关闭，然后再发出一连串的脉冲信号触发能量释放器。

进一步的，还包括电压隔离电路，该电压隔离电路具体包括电阻R1、R2、R3、电压隔离反馈及滤波电路4。

负载电流检测及滤波电路3、电压隔离反馈及滤波电路4部分，电源的输出电压与电流是通过12位高速AD芯片（TLV2541）的采样后，经过32阶FIR数字滤波后，通过PI运算输出来调整脉宽大小。

数字滤波对于数字电源是至关重要的，本发明采用32阶FIR低通数字滤波，有效地滤除了全桥逆变电路与斩波电路换流时造成的干扰，提高了电源的稳定性与控制精度。

在本发明的一个优选实施例中，本发明还包括初级电流检测电路，与所述全桥逆变电路连接，用于所述检测全桥逆变电路的电压值，当所述电压值大于设定阀值，则所述控制系统输出短路触发信号控制交流输入端短路以关闭电源。

具体参照图2所示，图2为高频电解电源的电源保护原理图，初级电流检测电路包括第一电流传感器HS1及与所述第一电流传感器HS1连接的初级电流检测及滤波电路1，第一电流传感器HS1主要用于检测全桥逆变电路的工作状态，设定一个阈值电压A，当第一电流传感器HS1反馈至控制系统7的电压值大于阀值电压A时，短路触发信号产生，控制电源关闭，为了更稳定的保护电源，当短路信号产生后有T0的盲区时间来确定是否真的短路，为了保证电源的安全，在短路触发信号消失后，有T1时间的短路信号保持，然后恢复电源的正常工作。第二电流传感器HS2主要用于检测电解加工工作状态，当电流上升角α大于设定值就表示加工处于放电或者短路状态，控制系统7立即关闭全桥逆变电路的功率开关管（T1~T4）及斩波电路，然后触发能量释放器Z2。

目前电解加工电流上升率都是通过硬件微分电路来检测，但是大功率高频开关电源换流时干扰很大，对检测电路会造成很大的干扰，而对于电解加工电源对可靠性要求高，否则会经常发生非正常损坏而频繁关断电源，导致电解加工的不稳定，本发明采用数字滤波后重复采样4个采样周期的电流变化率来判断电流的上升率。

参照图3所示，图3为数字脉宽调制原理图，全桥逆变电路的工作频率由周期寄存器给定，计数寄存器Value采用连续增/复位模式，由状态寄存器Sign来控制PWM1/PWM4与PWM2/PWM3的顺序激活，由死区控制寄存器控制死区时间来避免上下臂直通。

本发明的控制系统为以NIOSII软核为处理器的SOPC控制系统7，该SOPC控制系统7上连接有人机交互界面及串口通信接口8。也就是本发明构建了32位NIOSII软核为处理器的SOPC控制系统7，将电源控制模块、人机交互模块与串口通信功能集于一体，最大程度减少分立元器件数量。

综上所述，本发明配置了能量释放装置，当负载电流检测电路检测到检测的电流的上升率大于设定值连续4个采样周期时，即此时加工出现异常，控制系统能够及时触发能量释放装置保护加工电极，提高了电解电源的稳定性，实现了电源的全数字式控制，此外，配置了初级电流检测电路，一实现全数字式短路保护。进一步的，集成了以32位NIOSii软核处理器为核心的SOPC电源控制系统，完成了高频脉冲电解电源的控制系统的搭建。同时通过人机交换接口及串口通信接口实现电解电源与电解机床运动控制系统实时交互，有效地提高电解加工的加工精度与适用范围。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制其专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。