基于DSP 的高频高能脉冲电解电源设计

曾令燎，刘 伟，郭钟宁，贾雪奎

（广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006）

电解加工具有加工速度快、表面质量好、不受材料强度、硬度、韧性限制的优良性能，在许多硬质材料和形状复杂的零件加工中取得了很好的应用。研究表明，高频窄脉冲电流的电解加工电源较低频脉冲电流或直流电解加工电源，在精度、表面质量、效率及稳定性方面都有明显提高。近年来，通过缩小加工间隙、热去除、加入超声波等提高了电解加工精度，同时对电源的要求也越来越高，要求能与进给系统通信、交替进行、在小间隙条件下长期稳定的工作。采用微控制器的脉冲电源，使电解加工的系统可靠性得到提高，在扩展性及通信方面更好地满足加工要求。以DSP 为电源控制核心，实现了输出频率20～50 kHz，占空比0.3～0.9 连续可调，峰值电流50 A 可调，电压6～40 V 可调的脉冲电源。

1 系统组成及工作原理

脉冲电源分两级，经三相整流滤波，前级主电路DC－DC 变换器采用ZVS 移相全桥拓扑结构，控制器采用TI 高性能DSP 芯片TMS320F28027 为核心，利用该芯片强大的ePWM 模块实现移相，切换控制输出电流和电压；后级脉冲电路采用并联斩波，利用MSP430G2553 实现输出频率、占空比可调及显示。脉冲电源整体原理结构见图1。

图1 脉冲电源原理图

2 硬件设计

2.1 ZVS 移相全桥与并联斩波电路设计

对于大功率开关电源，常采用移相全桥DC－DC变换，在UCC3875、UCC3879 等直流开关电源中有过不少成功的案例。移相全桥在效率、性能上已是非常成熟的电路。对于本文的中大功率脉冲电源，采用ZVS 移相全桥结构，能实现软开关，减少后级尖峰。主电路与脉冲斩波电路结构见图2。

图2 主电路结构图

本电源分两级，前级采用移相全桥拓扑结构，功率管采用IGBT 模块BSM35GB120DLC（1 200 V，35 A）。因为后级输出为低压、大电流场合，采用IRFP2907 场效应管并联斩波。IRFP2907 的击穿电压为75 V，连续电流209 A，具有极小的导通电阻4.5 mΩ，由于对单管留有足够的余量，采用4 个管并联均匀分布。

变压器是变换器的核心，采用了具有高磁导率的铁钴非晶作为变压器。由于功率较小，故采用风冷式。为了便于制作与安装，变比采用18：1，次级变压器线圈单轧多股分布，并联穿过磁芯并焊接到铜板上，易与整流管安装。

2.2 防同臂导通保护驱动电路设计

驱动电路的好坏影响开关管的导通和关断，从而影响整个电路的效率。针对前级全桥电路，高压小电流，后级低压大电流，为使开关管能完全导通和关断，采用M57962L 驱动模块，驱动电压输出+15 V，－12 V，驱动电流0.5 A。驱动电路见图3。

图3 驱动电路图

由于前级桥臂电路会出现同臂导通击穿IGBT的危险，当控制器复位或上电时，易发生4 个驱动信号同时为高电平的现象。通过加入简单的逻辑电路，对驱动信号做了保护，防止同臂管同时导通的可能。驱动电路保护电路见图4。

图4 驱动保护电路图

M57962L 的每个模块都需两路电源供电，正电压可达18 V，负电压最低至－15 V，且不能与其他共地。全桥电路需四路两输出电源供电，如用变压器单独供电，需多路变压器输出，显得系统复杂。通过UC3842 设计一个四输出的开头电源，加入7812 三端稳压管，7812 的输出端作为驱动电路的地，解决了驱动电路供电复杂的问题。图5 是电路中一组电源的结构。

图5 驱动电路电源图

2.3 电流检测电路设计

由于脉冲电流采集困难，本脉冲电源采用恒流电源控制模式，在次级整流后串接一个大电感滤波，不接滤波电容，利用电感电流不能突变的特点实现恒流控制。电流传感器接在地端时易受后级斩波干扰，其安装位置见图1 电流I 反馈处。电流检测电路见图6。

图6 电流采集电路图

2.4 改进同步脉冲电压检测电路设计

尽管AD 采样速度很快，该DSP 转换时间最高可达216.67 ns，但在低电平时也检测到低电压，如采用同步检测，实现较困难。采用脉冲电压直接比较反馈，当电压超过预定值时，输出波形也为脉冲；如采用直流控制方法，在一个周期里控制器会有一部分时间检测为过压状态，一部分时间为欠压状态，平行点不易把握，在输出占空比变化时，平行点更不易控制。

针对脉冲电压在低电平时误判为欠压状态，引入了电平触发D 触发器，在低电平时能保持高电平时的状态。电平触发D 触发器的结构及波形见图7。该D 触发器由一片六路两输入高速与非门组成。CLK 信号为驱动器驱动信号；D 信号是经过驱动，负载电压超过设定值时的信号，为脉冲信号。由于受器件延时影响，会有一段延时输出，延时时间与器件有关，两信号波形如图7b CLK和D 所示。CLK为高电平时，当反馈D 为高电平时，Q 为电平。当CLK 从高电平转变为低电平时，反馈信号D 仍然为高电平，Q 也为高电平。在一个周期里，如果输出电压高于设定值，Q 输出只在很小一段时间内是低电平，如果是脉冲采集在低电平时都为低电平。如果D 信号一直是低电平，Q 也一直是低电平。这样，采用比较法，利用控制器内部比较器实现电压脉冲峰值电压控制。

图7 D 触发器结构与波形图

脉冲电压采集电路见图8。输出电压经电位器分压取样，经高速精密运放跟随输入至比较器同相端，与精密低温漂基准电压源经精密线性光耦隔离放大至比较器反相端比较，再经快速无源光耦隔离，接入D 触发器D 输入端，驱动信号接入D 触发器CLK 端，Q 输出至控制器调节前级PWM 宽度，使输入脉冲电压峰值稳定在设定值。

图8 脉冲电压采集电路图

通过采用此结构的检测电路，在低电平时能锁住高电平时的状态，使控制器快速响应稳定输出状态，实现输出脉冲峰值电压可调，并能实现控制与主电路很好的隔离。由于并联斩波驱动信号与反馈信号相反，接入D 触发器的信号经驱动电路延时，CLK 信号需接一个非门反相，如果接的是一个延时反相器，延时时间便可减少。图9 是实测D 与CLK、Q 与CLK 的信号，延时为0.5 μs。

图9 脉冲电压实测波形图

电源主回路采用TMS320F28027 为控制器，通过反馈调节开关管的PWM 实现控制，并联斩波开关的驱动信号为MSP430 产生，利用电位器调节占空比和频率。本脉冲电源可实现电流型与电压型控制。电压型控制时，通过单片机内部比较器实现电压的调节，采样电流再与设定电流值比较，与进给系统通信调节间隙。在电流型输出时，通过内部AD采样实现电流调节，再检测电压状态，与进给系统通信调节间隙。电流型与电压型模式加工，能保持电流、电压的稳定，通过预设的参数与进给系统通信调节间隙，再控制电解液的压力，使流场也保持稳定，从而使加工更稳定，提高了加工精度。

2.5 逻辑控制电路设计

控制电路分为主电路移相全桥和脉冲斩波电路。移相全桥驱动信号由DSPTMS320F28027 四路高分辨率ePWM 产生，控制变换器，并显示当前电流值、电压值、加工状态、故障报警等信息。斩波电路驱动信号由MSP430 定时器1 实现，通过调节电位器，调节并显示当前频率和占空比，与DSP 通过SCI 通信，发送当前的频率和占空比给DSP，经DSP处理，通过RS232 发送给进给系统调节间隙。控制器整体原理见图10。

图10 控制电路框图

3 程序设计

程序设计分为MSP430 设计和DSP 程序设计。MSP430 主程序流程见图11a，上电初始化参数，等待DSP 开启信号，刚开始时，PMW 以最大占空比输出，防止负载有输出，待DSP 检测到等于启动电流时，启动MSP430PWM 输出。DSP 主程序流程见图11b，利用该DSP 的4 个通道的12 位AD，分别在电流模式或电压模式下对设定电流、电压、实际电流采集处理，并与进给系统调节间隙，实现稳定加工。系统并中对变压器初级电流检测，防止后级反馈延时而导致前级电流过大带来的危险。

图11 主程序流程图

4 实验结果

以电解加工系统作为负载，阴极为外径8 mm、内径2 mm 的黄铜电极，阳极为1Cr18Ni8Ti 不锈钢板，电解液为质量分数5 %NaNO3与3 %NaCl 溶液，间隙通过手动调节控制在0.1～0.5 mm。

图12 分别是在电压24 V 时，不同频率和占空比的实验波形。采用该改进电压检测法实现电压模式控制。由于检测波形中尖峰电压较大，可通过几级RC、RCD 吸收电路以减少尖峰电压。

图12 不同频率和占空比的实验结果

图13 是频率40 kHz、占空比50 %时，不同电压的实验波形。其中图13a 是无吸收电路波形，其他都是带吸收电路的输出波形。通过结合电压检测电路及控制方法，可使输出电压稳定在0.5 V 以内，比以往的控制精度大大提高。如采用高精度的基准源、运放及延时时间的控制，精度还能进一步提高。

图13 不同电压的实验结果

5 结语

本文设计的脉冲电源调节操作较灵活，驱动电路有自带的保护措施，提高了电源的整体安全性，采用合适的器件，在恶劣的电解加工环境中能保持稳定性，解决了窄脉冲电压难以检测控制的问题。

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