基于sopc技術的電解加工高頻脈沖電源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于SOPC技術的電解加工高頻脈沖電源，包括依次連接的交流輸入端、初級整流濾波電路、全橋逆變電路、高頻變壓電路、次級整流濾波電路、斬波電路及脈沖輸出端，還包括能量釋放裝置、負載電流檢測電路及控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)與所述全橋逆變電路、斬波電路、能量釋放裝置及負載電流檢測電路連接，當所述負載電流檢測電路檢測的電流的上升率大于設定值連續(xù)4個采樣周期時，所述控制系統(tǒng)控制所述全橋逆變電路及斬波電路關閉，并輸出脈沖信號觸發(fā)所述能量釋放裝置。本發(fā)明配置了能量釋放裝置，加工出現(xiàn)異常，控制系統(tǒng)能夠及時觸發(fā)能量釋放裝置保護加工電極，提高了電解電源的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了電源的全數(shù)字式控制。
【專利說明】基于SOPC技術的電解加工高頻脈沖電源

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及脈沖電源，特別涉及一種基于SOPC技術的電解加工高頻脈沖電源。

【背景技術】
[0002]電解加工(Electrochemical Machining, ECM),是一種基于陽極金屬以“離子”形式溶解去除材料的方法，工件陽極和工具陰極接直流或者是脈沖電源(一般為10V?25V)。電解加工工藝具有加工效率高、工具無損耗、加工后工件表面無熱影響層、結構表面光滑、無內應力、無裂紋、加工不受材料硬度的限制等優(yōu)點，已在小型、微型、薄型、整體結構、特型零件加工領域中發(fā)揮出顯著優(yōu)勢。
[0003]脈沖電流電解加工(PulseElectrochemicial Machining, PECM),按電流的波形特征可以分為低頻(數(shù)十Hz)或高頻(kHf數(shù)十kHz)、寬脈寬UiT數(shù)十ms)、窄脈寬(數(shù)十UiT數(shù)百us)等類型。用脈沖電流電解加工替代直流電解加工改變了其加工過程的物理、化學特性，可以達到更高的加工精度和穩(wěn)定性。這是因為脈沖電解加工改善了流場的均勻性，使得電化學反應集中在電極周圍很小的區(qū)域內，實現(xiàn)定域蝕除，有利于提高電解加工精度。
[0004]當前國內外電解加工生產中絕大部分仍采用直流電源。早期采用直流發(fā)電機組，隨大功率晶閘管期間的發(fā)展，晶閘管調壓、穩(wěn)壓的直流電源又逐步取代了硅整流器電源。
[0005]逆變整流的電源拓撲結構的電解電源，以單片集成PWM控制芯片為主控制器，實現(xiàn)電源的穩(wěn)壓或穩(wěn)流輸出，輸出脈沖頻率在15KHz左右，電源容量達萬安培級別。
[0006]合肥工業(yè)大學研制了一套以IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)作為斬波元件的全橋逆變高頻脈沖電解加工電源。以SG3525為PWM (脈沖寬度調制)控制芯片的脈沖信號發(fā)生電路及調節(jié)電路。其主要參數(shù)為:輸出頻率最高為40kHz、輸出峰值電流可達2000A、輸出平均電壓達24V及占空比0.Γ0.9之間可調，快速短路保護系統(tǒng)采用關斷逆變全橋和極間并聯(lián)大容量IGBT結合實現(xiàn)快速關斷，可以有效保護電源和工具電極與工件。
[0007]華南理工大學研制了 SCR (晶閘管)調壓、穩(wěn)壓電源輸出的直流電流源快速換流成高頻、窄脈沖的脈沖電解電源。最大輸出電壓20V(峰值)；頻率可調范圍:100Hz?20kHz，連續(xù)可調。額定頻率:1000A為1kHz ；2000A為IkHz。
[0008][I]陳遠龍，楊勝.高頻脈沖電解加工電源的研制[J].機電工程技術，2012.[2]余艷青，王建業(yè)，韓冠軍.MOSFET高頻窄脈沖電解加工工程化電源研制[J].電加工與模具，2005。
[0009]晶閘管調壓直流電源的主要優(yōu)點是可靠性、經濟性好，存在的主要問題是變壓器體積大，主回路并聯(lián)支路仍然多，因此占地面積大。直流電解加工效率雖然高，但是加工精度不高，適合對加工精度要求不高，對加工效率要求高的加工場合。
[0010]逆變整流式脈沖電解電源，雖然電源容量可以做的比較大，電路簡單，加工精度相比直流電源電解加工精度有一定的提高，但也不適合加工精度要求高的場合，并且輸出峰值電壓固定，波形頻率與脈沖寬度不可調，不便于電解加工工藝的參數(shù)調節(jié)。
[0011]以SG3525為PWM (脈沖寬度調制)控制芯片，它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅動為推拉輸出形式，增加了驅動能力；內部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器，有過流保護功能，頻率可調，同時能限制最大占空比。但是對于逆變后整流濾波再斬波式的電解電源，因為這種拓撲結構的電解電源需要斬波器的PWM控制信號與逆變器的PWM控制信號有一定協(xié)同性。而SG3525主要是通過調節(jié)逆變器的脈沖寬度來實現(xiàn)電源的穩(wěn)壓或穩(wěn)流控制，所以對于逆變后整流濾波再斬波的電解電源就不是很適合。
[0012]直流電解電源與逆變整流電解電源存在加工精度不高的缺點，所以很難滿足高精度電解加工的要求，也不能發(fā)揮出電解加工工藝的優(yōu)勢。


【發(fā)明內容】

[0013]本發(fā)明的主要目的在于，針對上述現(xiàn)有技術中的不足，提供一種基于SOPC技術的電解加工高頻脈沖電源。
[0014]本發(fā)明解決現(xiàn)有技術問題所采用的技術方案是:一種基于SOPC技術的電解加工高頻脈沖電源，包括:
交流輸入端，
初級整流濾波電路，與所述交流輸入端連接，用于對所述交流輸入端輸入的交流電進行整流及濾波以形成直流電；
全橋逆變電路，與所述初級整流濾波電路連接，用于將所述直流電轉換成高頻脈沖交流電；
高頻變壓電路，與所述全橋逆變電路連接，用于將高頻脈沖交流電轉換為低頻脈沖交流電；
次級整流濾波電路，與所述高頻變壓電路連接，用于對所述低頻脈沖交流電進行整流濾波形成脈沖直流電；
斬波電路，與所述次級整流濾波電路連接，用于對脈沖直流電進行調頻以形成電解加工的高脈沖直流電；
脈沖輸出端，與所述斬波電路連接，包括正極輸出端及負極輸出端；
能量釋放裝置，并聯(lián)連接于所述正極輸出端及負極輸出端之間；
負載電流檢測電路，與所述負極輸出端連接，用于檢測加工狀態(tài)下通過負載的電流；控制系統(tǒng)，與所述全橋逆變電路、斬波電路、能量釋放裝置及負載電流檢測電路連接，當所述負載電流檢測電路檢測的電流的上升率大于設定值連續(xù)4個采樣周期時，所述控制系統(tǒng)控制所述全橋逆變電路及斬波電路關閉，并輸出脈沖信號觸發(fā)所述能量釋放裝置。
[0015]優(yōu)選地，還包括:
初級電流檢測電路，與所述全橋逆變電路連接，用于所述檢測全橋逆變電路的電壓值，當所述電壓值大于設定閥值，則所述控制系統(tǒng)輸出短路觸發(fā)信號控制交流輸入端短路以關閉電源。
[0016]優(yōu)選地，所述控制系統(tǒng)為以N1SII軟核為處理器的SOPC控制系統(tǒng)。
[0017]優(yōu)選地，所述斬波電路包括多個并聯(lián)的高頻MOSFET功率開關管，每個高頻MOSFET功率開關管通過一功率管驅動電路驅動。
[0018]優(yōu)選地，所述能量釋放裝置包括能量釋放器及能量釋放器驅動電路，能量釋放器并聯(lián)連接于所述正極輸出端與負極輸出端之間，所述能量釋放器驅動電路連接于所述能量釋放器及控制系統(tǒng)。
[0019]優(yōu)選地，所述控制系統(tǒng)上連接有人機交互界面及串口通信接口。
[0020]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明配置了能量釋放裝置，當負載電流檢測電路檢測到檢測的電流的上升率大于設定值連續(xù)4個采樣周期時，即此時加工出現(xiàn)異常，控制系統(tǒng)能夠及時觸發(fā)能量釋放裝置保護加工電極，提高了電解電源的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了電源的全數(shù)字式控制，此外，配置了初級電流檢測電路，一實現(xiàn)全數(shù)字式短路保護。進一步的，集成了以32位N1Sii軟核處理器為核心的SOPC電源控制系統(tǒng)，完成了高頻脈沖電解電源的控制系統(tǒng)的搭建。同時通過人機交換接口及串口通信接口實現(xiàn)電解電源與電解機床運動控制系統(tǒng)實時交互，有效地提高電解加工的加工精度與適用范圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明實施例基于SOPC技術的電解加工高頻脈沖電源的原理圖；
圖2是本發(fā)明高頻電解電源的電源保護原理圖；
圖3是本發(fā)明數(shù)字脈寬調制原理圖；
本發(fā)明目的的實現(xiàn)、功能特點及優(yōu)點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。

【具體實施方式】
[0022]以下將結合附圖及具體實施例詳細說明本發(fā)明的技術方案，以便更清楚、直觀地理解本發(fā)明的發(fā)明實質。
[0023]參照圖1所示，本發(fā)明提供了一種基于SOPC技術的電解加工高頻脈沖電源，包括交流輸入端、初級整流濾波電路、全橋逆變電路、高頻變壓電路、次級整流濾波電路、斬波電路、脈沖輸出端、能量釋放裝置、負載電流檢測電路及控制系統(tǒng)。
[0024]其中，交流輸入端連接220V單相交流電。
[0025]初級整流濾波電路與所述交流輸入端連接，用于對所述交流輸入端輸入的交流電進行整流及濾波以形成直流電。該初級整流濾波電路包括整流橋BRl及濾波電容Cl，交流輸入端輸入的交流電通過整流橋BRl整流，并通過濾波電容Cl濾波后變成平直的高壓直流電。
[0026]全橋逆變電路與所述初級整流濾波電路連接，用于將所述直流電轉換成高頻脈沖交流電；該全橋逆變電路由四個功率開關管(T1-T4)及全橋驅動電路2組成，全橋驅動電路2用于驅動四個功率開關管(T1-T4)。
[0027]高頻變壓電路與所述全橋逆變電路連接，用于將高頻脈沖交流電轉換為低頻脈沖交流電；該高頻變壓電路包括高頻變壓器CTl及連接于高頻變壓器CTl初級線圈上的電容C2，高頻變壓器CTl將高頻脈沖交流電經一定變比降壓為低頻脈沖交流電，而電容C2用于隔離高頻變壓器CTl初級線圈的直流分量。
[0028]次級整流濾波電路與所述高頻變壓電路連接，用于對所述低頻脈沖交流電進行整流濾波形成脈沖直流電。該次級整流濾波電路包括由快恢復二極管Dl和D2組成的整流電路及由濾波電感LI和濾波電容C3組成的濾波電路，低頻脈沖交流電通過快恢復二極管Dl和D2整流及濾波電感LI和濾波電容C3濾波后形成低頻脈沖直流電。
[0029]斬波電路與所述次級整流濾波電路連接，用于對脈沖直流電進行調頻以形成電解加工的高脈沖直流電；該包括斬波器Zl (由多個并聯(lián)的高頻MOSFET功率開關管組成)，每個高頻MOSFET功率開關管通過一功率管驅動電路5驅動。為達到理想均流效果，盡量選取特性一致的高頻MOSFET功率開關管進行并聯(lián)，每個高頻MOSFET功率開關管對應獨立的柵極電阻來消除寄生振蕩，選取同樣的功率管驅動電路5，高頻MOSFET功率開關管布局盡可能對稱和電路回路最短。
[0030]脈沖輸出端與所述斬波電路連接，包括正極輸出端及負極輸出端，正極輸出端用于連接加工工件，而負極輸出端用于連接工具陰極，通過輸出端為電解加工提供高脈沖直流電。
[0031]能量釋放裝置并聯(lián)連接于所述正極輸出端及負極輸出端之間。該能量釋放裝置具體包括能量釋放器Z2及能量釋放器驅動電路6，能量釋放器Z2并聯(lián)連接于所述正極輸出端與負極輸出端之間，所述能量釋放器驅動電路6連接于所述能量釋放器Z2及控制系統(tǒng)7。
[0032]負載電流檢測電路與所述負極輸出端連接，用于檢測加工狀態(tài)下通過負載的電流。該負載電流檢測電路具體包括第二電流傳感器HS2及與所述第二電流傳感器連接的負載電流檢測及濾波電路3，第二電流傳感器HS2串聯(lián)連接在負極輸出端上。
[0033]控制系統(tǒng)7與所述全橋逆變電路、斬波電路、能量釋放裝置及負載電流檢測電路連接，當所述負載電流檢測電路檢測的電流的上升率大于設定值連續(xù)4個采樣周期時，所述控制系統(tǒng)7控制所述全橋逆變電路及斬波電路關閉，并輸出脈沖信號觸發(fā)所述能量釋放裝置，以保護工具陰極和加工的工件。具體的，控制系統(tǒng)7控制全橋逆變電路的四個功率開關管(T1-T4)及斬波電路的多個并聯(lián)的高頻MOSFET功率開關管關閉，然后再發(fā)出一連串的脈沖信號觸發(fā)能量釋放器。
[0034]進一步的，還包括電壓隔離電路，該電壓隔離電路具體包括電阻R1、R2、R3、電壓隔離反饋及濾波電路4。
[0035]負載電流檢測及濾波電路3、電壓隔離反饋及濾波電路4部分，電源的輸出電壓與電流是通過12位高速AD芯片(TLV2541)的采樣后，經過32階FIR數(shù)字濾波后，通過PI運算輸出來調整脈寬大小。
[0036]數(shù)字濾波對于數(shù)字電源是至關重要的，本發(fā)明采用32階FIR低通數(shù)字濾波，有效地濾除了全橋逆變電路與斬波電路換流時造成的干擾，提高了電源的穩(wěn)定性與控制精度。
[0037]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，本發(fā)明還包括初級電流檢測電路，與所述全橋逆變電路連接，用于所述檢測全橋逆變電路的電壓值，當所述電壓值大于設定閥值，則所述控制系統(tǒng)輸出短路觸發(fā)信號控制交流輸入端短路以關閉電源。
[0038]具體參照圖2所示，圖2為高頻電解電源的電源保護原理圖，初級電流檢測電路包括第一電流傳感器HSl及與所述第一電流傳感器HSl連接的初級電流檢測及濾波電路1，第一電流傳感器HSl主要用于檢測全橋逆變電路的工作狀態(tài)，設定一個閾值電壓A，當?shù)谝浑娏鱾鞲衅鱄Sl反饋至控制系統(tǒng)7的電壓值大于閥值電壓A時，短路觸發(fā)信號產生，控制電源關閉，為了更穩(wěn)定的保護電源，當短路信號產生后有TO的盲區(qū)時間來確定是否真的短路，為了保證電源的安全，在短路觸發(fā)信號消失后，有Tl時間的短路信號保持，然后恢復電源的正常工作。第二電流傳感器HS2主要用于檢測電解加工工作狀態(tài)，當電流上升角α大于設定值就表示加工處于放電或者短路狀態(tài)，控制系統(tǒng)7立即關閉全橋逆變電路的功率開關管(Tf Τ4)及斬波電路，然后觸發(fā)能量釋放器Ζ2。
[0039]目前電解加工電流上升率都是通過硬件微分電路來檢測，但是大功率高頻開關電源換流時干擾很大，對檢測電路會造成很大的干擾，而對于電解加工電源對可靠性要求高，否則會經常發(fā)生非正常損壞而頻繁關斷電源，導致電解加工的不穩(wěn)定，本發(fā)明采用數(shù)字濾波后重復采樣4個采樣周期的電流變化率來判斷電流的上升率。
[0040]參照圖3所示，圖3為數(shù)字脈寬調制原理圖，全橋逆變電路的工作頻率由周期寄存器給定，計數(shù)寄存器Value采用連續(xù)增/復位模式，由狀態(tài)寄存器Sign來控制PWM1/PWM4與PWM2/PWM3的順序激活，由死區(qū)控制寄存器控制死區(qū)時間來避免上下臂直通。
[0041]本發(fā)明的控制系統(tǒng)為以N1SII軟核為處理器的SOPC控制系統(tǒng)7，該SOPC控制系統(tǒng)7上連接有人機交互界面及串口通信接口 8。也就是本發(fā)明構建了 32位N1SII軟核為處理器的SOPC控制系統(tǒng)7，將電源控制模塊、人機交互模塊與串口通信功能集于一體，最大程度減少分立元器件數(shù)量。
[0042]綜上所述，本發(fā)明配置了能量釋放裝置，當負載電流檢測電路檢測到檢測的電流的上升率大于設定值連續(xù)4個采樣周期時，即此時加工出現(xiàn)異常，控制系統(tǒng)能夠及時觸發(fā)能量釋放裝置保護加工電極，提高了電解電源的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了電源的全數(shù)字式控制，此夕卜，配置了初級電流檢測電路，一實現(xiàn)全數(shù)字式短路保護。進一步的，集成了以32位N1Si i軟核處理器為核心的SOPC電源控制系統(tǒng)，完成了高頻脈沖電解電源的控制系統(tǒng)的搭建。同時通過人機交換接口及串口通信接口實現(xiàn)電解電源與電解機床運動控制系統(tǒng)實時交互，有效地提高電解加工的加工精度與適用范圍。
[0043]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非因此限制其專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，直接或間接運用在其他相關的【技術領域】，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內。
【權利要求】
1.一種基于SOPC技術的電解加工高頻脈沖電源，其特征在于，包括: 交流輸入端， 初級整流濾波電路，與所述交流輸入端連接，用于對所述交流輸入端輸入的交流電進行整流及濾波以形成直流電； 全橋逆變電路，與所述初級整流濾波電路連接，用于將所述直流電轉換成高頻脈沖交流電； 高頻變壓電路，與所述全橋逆變電路連接，用于將高頻脈沖交流電轉換為低頻脈沖交流電； 次級整流濾波電路，與所述高頻變壓電路連接，用于對所述低頻脈沖交流電進行整流濾波形成脈沖直流電； 斬波電路，與所述次級整流濾波電路連接，用于對脈沖直流電進行調頻以形成電解加工的高脈沖直流電； 脈沖輸出端，與所述斬波電路連接，包括正極輸出端及負極輸出端； 能量釋放裝置，并聯(lián)連接于所述正極輸出端及負極輸出端之間； 負載電流檢測電路，與所述負極輸出端連接，用于檢測加工狀態(tài)下通過負載的電流；控制系統(tǒng)，與所述全橋逆變電路、斬波電路、能量釋放裝置及負載電流檢測電路連接，當所述負載電流檢測電路檢測的電流的上升率大于設定值連續(xù)4個采樣周期時，所述控制系統(tǒng)控制所述全橋逆變電路及斬波電路關閉，并輸出脈沖信號觸發(fā)所述能量釋放裝置。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于SOPC技術的電解加工高頻脈沖電源，其特征在于，還包括: 初級電流檢測電路，與所述全橋逆變電路連接，用于所述檢測全橋逆變電路的電壓值，當所述電壓值大于設定閥值，則所述控制系統(tǒng)輸出短路觸發(fā)信號控制交流輸入端短路以關閉電源。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于SOPC技術的電解加工高頻脈沖電源，其特征在于:所述控制系統(tǒng)為以N1SII軟核為處理器的SOPC控制系統(tǒng)。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于SOPC技術的電解加工高頻脈沖電源，其特征在于:所述斬波電路包括多個并聯(lián)的高頻MOSFET功率開關管，每個高頻MOSFET功率開關管通過一功率管驅動電路驅動。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于SOPC技術的電解加工高頻脈沖電源，其特征在于:所述能量釋放裝置包括能量釋放器及能量釋放器驅動電路，能量釋放器并聯(lián)連接于所述正極輸出端與負極輸出端之間，所述能量釋放器驅動電路連接于所述能量釋放器及控制系統(tǒng)。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于SOPC技術的電解加工高頻脈沖電源，其特征在于:所述控制系統(tǒng)上連接有人機交互界面及串口通信接口。
【文檔編號】B23H3/02GK104128680SQ201410338053
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月16日 優(yōu)先權日:2014年7月16日
【發(fā)明者】劉桂賢, 羅紅平, 張永俊, 吳明 申請人:廣東工業(yè)大學