基于FPGA的电火花线切割自整定脉冲电源的研制

张广有，苏国康，李佳旺，李俊飞，唐有贵，张永俊

（广东工业大学 机电工程学院, 广东 广州 510006）

脉冲电源是电火花线切割机床的关键部分，对线切割机床的各项工艺指标有显著影响，目前常用的脉冲电源有等电流脉冲电源、矩形波脉冲电源和高频分组脉冲电源等。而随着电火花加工技术向智能化、节能化和绿色化方向发展[1-2]，对脉冲电源的智能化水平和能量利用率提出了更高的要求。

国内外学者对电火花脉冲电源做了大量研究并提出了各种新型脉冲电源[3-6]，主要分为节能脉冲电源、自适应脉冲电源和自整定脉冲电源。节能脉冲电源旨在减少电源的能量损耗，如瑞士某公司[7]研制的HSS脉冲电源，该电源将限流电阻换成电感，避免了电阻发热带来的电能损耗，节能效果显著。卢智良[8]提出限流节能电源，在主回路中加入电感以降低放电电流上升斜率，从而减缓电流突变对电极丝的轰击作用，降低电极丝损耗。自适应脉冲电源的设计目标是通过放电状态检测模块和机床运动控制系统的配合，使电极丝和工件间保持合适的加工间隙，实现根据当前放电状态实时调节机床进给频率的效果。如哈尔滨工业大学的凡银生[9]研制了一种自适应脉冲电源，通过高频脉冲调制提高放电状态检测精度，建立了放电状态自适应控制系统，使得加工条件变化时能够快速调整至合适的机床进给频率，提高了加工速度。自整定脉冲电源是指能够根据当前放电状态实时调节脉冲输出频率的新型脉冲电源，能够抑制有害放电状态提高加工效率。如黄瑞宁等[10]设计的微细电火花加工脉冲电源，该电源利用模糊控制算法对脉冲宽度和占空比进行调节，提高了加工精度和效率，但该电源采用的有效火花数检测法需要对一段时间内的放电状态进行统计，电源输出有一定的滞后性，且无法有效抑制电弧放电等有害状态。宋恩禹[11]研究了一种新型电火花加工自适应脉冲电源，同时也是一种自整定脉冲电源，该电源具有基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)的加工间隙状态判别功能和基于BP神经网络的自适应控制机制，可对脉冲输出占空比和z轴进给量进行调节，保证加工间隙始终处于火花放电状态。该电源设计中FPGA与上位机采用串口通信存在数据延迟，对z轴的控制存在滞后性，并且检测到电弧放电时，输出脉冲频率降低，不能有效抑制其危害，因此会限制机床的加工效率。

本文提出一种基于FPGA的自整定脉冲电源，该电源通过脉宽电压检测法可精准识别每个脉冲的放电状态，并自动调整脉冲宽度的大小，如检测到电弧放电时切断电源输出，有效抑制有害放电，提高机床的加工效率。

1 自整定脉冲电源总体设计

本文的自整定脉冲电源主要由直流电源模块、主振控制模块、直流斩波模块和状态检测模块组成[12]，自整定脉冲电源结构如图1所示。直流电源模块将交流电转换为输出电压可调的直流电，是脉冲电源的能量源。主振控制模块采用FPGA作为控制器，驱动高速A/D转换模块实时获取脉冲的放电状态，同时生成频率、脉冲宽度可调的方波信号。直流斩波模块接收到方波信号后对其进行功率放大，将直流电源输出的电压转换成单向脉冲电压，并作用在电极丝和工件两端，为放电加工提供能量。状态检测模块采用脉宽电压检测法并配合高速A/D芯片3PA1030对不同的放电加工状态进行识别。

图1 自整定脉冲电源结构示意图Fig.1 Schematic diagram of self- adjusting pulse power supply

2 直流斩波模块

直流斩波模块的作用是将直流电转换成火花放电所需的脉冲电压[13]，由FPGA发送PWM(Pulse-Width Modulation)控制信号，经TLP350芯片放大处理后控制绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)的导通和关断，从而实现斩波效果。IGBT是一种大功率开关管，可实现高频率导通关断，具有开关速度快、承载能力强、饱和压降低等优点[14]。本设计采用TSG60N100型N沟道IGBT来构建斩波和功率放大电路，其电路原理如图2所示。为了防止外部电源回路对FPGA内部信号造成干扰和破坏，选用TLP350光耦芯片进行隔离防护，同时将FPGA产生的PWM信号进行放大。为了提高IGBT的开关速度，减少功率器件开关过程损耗，采用QA01专用电源模块为其提供+15 V、-9 V的双电源。

图2 斩波电路原理图Fig.2 Chopper circuit schematic

3 放电状态检测模块

在电火花放电加工过程中极间放电状态复杂多变，为了准确识别每个脉冲的放电状态，本设计采用脉宽电压检测法，即只对工件两端的有效脉冲宽度电压进行采集，并配合高速A/D转换芯片3PA1030实现放电状态的精确检测。3PA1030是一款10位的模数转换器，最高转换速率可达50 Msps，满足对间隙电压采样的要求。放电间隙电压采样电路如图3所示，首先通过R5、R6、R9进行分压采样，再经过二极管D3、D4对采样电压进行钳位保护，钳位后电压经过运算放大器作二次降压同时对电路进行阻抗匹配，随后输出电压经过高速A/D芯片转换为数字信号传送给FPGA作进一步处理。由于A/D转换后的信号存在杂波，本设计采用FIR滤波器对数据进行滤波处理，FIR滤波器的传递函数为

图3 极间电压采样电路示意图Fig.3 Schematic diagram of voltage sampling circuit

式中：y(n)为x(n) 与h(m) 的线性卷积，x(n)为输入信号，h(m) 为抽头系数，m为FIR滤波器有限序列。

电火花加工极间放电状态主要分为：火花击穿放电、电弧放电、短路、空载，如图4所示为电火花加工过程的电压波形图[15]。根据脉冲宽度电压大小可明确区分短路、空载和火花放电，但击穿放电与电弧放电的电压大小相近，无法通过比较电压大小来区分[16]。击穿放电与电弧放电的区别在于击穿放电存在击穿后电压跌落的现象，可根据采集到的电压变化率来区分二者。在FPGA中放电状态检测的原理如下：设置放电阈值电压Voc和短路阈值电压Vsc，当接收到的A/D转换结果Vad大于放电阈值电压Voc时为空载状态，此时空载标志位置1，否则为0；当Vad小于短路阈值电压Vsc时为短路状态，此时短路标志位置1，否则为0；当Vad位于Voc和Vsc之间时，判断当前Vad的变化率kt与设定斜率Kp的关系，若kt大于Kp则为击穿放电，此时击穿放电标志置1，反之则为电弧放电。

图4 电火花放电电压波形图Fig.4 Waveform of electrical discharge voltage

4 主振控制模块

主振控制模块是自调整脉冲电源的核心部分，主要实现以下功能：与上位机串口通讯、生成自整定PWM信号、放电状态检测。FPGA具有集成度高、抗干扰能力强、执行速度快等特点[17]。为节省开发成本，本设计采用Altera公司EP4CE6E22C8N型号的FPGA作为电源主控模块芯片，该芯片具有6 272个LES逻辑单元，2个PLL锁相环，10个全局时钟，满足使用要求。

自整定脉冲电源的主振控制程序框架见图5，在FPGA内部主要有串口发送接收模块、放电状态检测模块、脉冲波形整定模块以及脉冲生成模块。其执行过程为：串口接收模块将上位机发送的指令进行解析，并传递给波形整定模块用以设定输出脉冲的频率、脉冲宽度等参数，另一方面串口发送模块将当前放电间隙的电压值和放电火花率发送至上位机。放电状态检测模块识别每个脉冲的放电状态并生成相应的放电标志位，脉冲波形整定模块根据其标志位实时调节PWM频率，另外检测模块对放电标志位进行统计，得到当前的放电火花率。

图5 主振控制模块的程序框架Fig.5 Program framework of main vibration control module

脉冲波形整定模块是脉冲电源主振控制的核心部分。当检测到开路状态时，即空载标志位有效，降低PWM的频率。脉冲电源输出低频脉冲进行加工，可以降低电火花线切割过程中电解效应的不利影响。当火花击穿标志有效时，加工处于正常火花放电状态。此时程序中的一个计数器在击穿标志有效时开始计数，计数到预设值时关断功率管，同时设置脉冲间隔为4倍脉冲宽度，以达到排除极间切屑、消除电离和冷却的作用。当电弧标志有效时，极间处于有害放电状态，会对工件表面造成破坏，此时立即关断功率管抑制有害加工。当检测到短路状态时，FPGA间歇发送脉冲并发送运动回退信号，直到恢复正常加工状态。

5 实验结果与讨论

为验证自整定脉冲电源的优越性，在本课题组自主研制的双向同步电火花线切割加工应力槽机床上进行对比实验，机床实物图如图6，实验加工条件为：脉冲电源输出电压70～100 V，峰值电流可达30 A，脉宽脉间时间比1∶4，走丝速度10 m/s，电极丝直径0.14 mm，实验对象为46MnVS5连杆材料，工件厚度30 mm，选择等频率脉冲和自整定脉冲两种放电模式。图7为切割后的工件实物图，实验结果如图8～9所示。

图6 连杆切槽机床实物图Fig.6 Connecting rod slotting machine picture

图7 切割后的工件照片Fig.7 Photo of the workpiece after cutting

图8 输出电压对加工速度的影响曲线Fig.8 Influence curve of output voltage on machining speed

图8为脉冲宽度20 μs，不同输出电压加工时的结果。从图8中可知，加工速度随着输出电压增大而增大，且在不同输出电压加工时，采用自整定脉冲加工时的切割速度均大于等频率脉冲加工的切割速度。图9为输出电压80 V，不同脉冲宽度加工时的结果。从图9中可知，脉冲宽度越大切割速度也随之增大，且在不同脉冲宽度加工时，采用自整定脉冲加工时的切割速度均大于等频率脉冲加工的切割速度。分析认为，在电源参数一致的条件下，自整定脉冲电源能够抑制有害放电，加工过程中能量利用率高，因此有效提升了切割速度。

图9 脉冲宽度对加工速度的影响曲线Fig.9 Influence curve of pulse width on machining speed

图10为30 μs脉冲宽度条件下加工时的电压、电流波形图，其中采用等频率脉冲电源加工时会出现电弧有害放电，并且火花击穿延迟的时间不一致，每个脉冲的放电能量不均匀，采用自整定脉冲电源加工时明显提高了放电火花率，而且脉冲频率随着放电状态的变化进行实时调整，能够保证相同的有效放电时间，每个脉冲的放电能量均匀。图11为自整定脉冲电源测试时的电压波形，从图11中可以看出在开路、电弧放电等不良状态时能实现预设的控制效果，对有害放电有显著的抑制作用。

图10 加工过程中电压、电流波形图Fig.10 Waveform of voltage and current of discharge pulse

图11 自整定脉冲电源放电波形图Fig.11 Discharge waveform of self-adjusting pulse power supply

6 结语

本文研制了自整定脉冲电源，包括基于IGBT的斩波电路、采样电路和基于FPGA的主振控制电路等硬件设计。同时在软件上采用脉宽电压检测法采集极间电压并判断放电状态，根据不同的放电情况FPGA发送不同的PWM信号实时调整电源输出频率。实验结果表明：自整定脉冲电源有效抑制了有害放电，提高了双向同步电火花线切割加工应力槽机床的加工效率。