徐志偉，方偉文，張永俊，吳濤，梁遠標

（1.廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東 廣州 510006，2.杭州諾貝爾集團有限公司，浙江 杭州 311100）

基于FPGA多輸出電火花線切割脈沖電源的研制

徐志偉1，方偉文2，張永俊1，吳濤1，梁遠標1

（1.廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東 廣州 510006，2.杭州諾貝爾集團有限公司，浙江 杭州 311100）

針對自主研制的多工位同步電火花線切割機床，研制了一種多路輸出的脈沖電源，其原理類似于單路輸出脈沖電源，但采用了四路直流斬波拓撲結(jié)構(gòu).采用了 FPGA作為控制器實現(xiàn)輸出電壓大小、頻率和占空比的控制，并對各輸出回路電壓、電流信號進行采集，通過反饋控制對各支路進行保護.設(shè)計了基于觸摸屏的人機交互系統(tǒng)，使電源的操作更加方便簡單.

電火花線切割；脈沖電源；多輸出；FPGA

電火花線切割加工已成為機械加工行業(yè)一種不可或缺的重要加工方式.脈沖電源作為電火花線切割機床的關(guān)鍵組成部分，其性能直接影響電火花線切割加工的效率、穩(wěn)定性以及工件表面質(zhì)量［1］.

在輪胎模具加工中，需要根據(jù)輪胎型號、規(guī)格不同而將其切割為 8、12、16等份.傳統(tǒng)的輪胎模具加工采用切割方式一條條槽順序切割，但此方式存在應(yīng)力分布不均，工件產(chǎn)生變形，且加工效率極低等問題.同時也有方案提出采用多臺機床分布在工作臺的四周同時進行切割，但這使得成本、占地面積急劇增加.因此，當前輪胎模具切割已成為影響輪胎模具加工質(zhì)量、效率的最主要的原因之一.本文針對大型環(huán)裝零件分塊切割加工效率低、變形量大的問題，采用多輸出電火花線切割機床對此類加工應(yīng)用具有電源體積小，成倍地提高加工效率，解決環(huán)裝零件變形等重要意義.

1 電源的總體方案設(shè)計

本文提出針對專用的四工位電火花線切割機床設(shè)計四路獨立輸出的脈沖電源.多路輸出脈沖電源與單路輸出脈沖電源基本原理一樣，因此根據(jù)全橋逆變拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計了一個電壓可調(diào)的共用直流電源，再由 FPGA控制器發(fā)送PWM3脈沖信號，經(jīng)光耦隔離后放大控制四路功率開關(guān)管通斷進行斬波，最終得到四路脈沖電源.其原理圖如圖 1所示，當其中某一支路發(fā)生短路時，經(jīng)過檢測電路反饋至控制器，控制器發(fā)出信號分別對共用直流電源和各斬波支路同時關(guān)斷.這樣使得各支路加工的同時進行從而保證了各加工部分變形量一致.

電路主要由包括 EMI濾波、整流濾波、全橋逆變器、高頻電壓器、二次整流濾波、斬波輸出、PWM控制、檢測電路、快速短路保護電路等組成.

圖1 電路整體結(jié)構(gòu)圖

1.1 可調(diào)直流主電路

直流電源主電路采用全橋逆變拓撲結(jié)構(gòu)［2］，如圖2所示.輸入220V交流電經(jīng)EMI濾波，防止電源和電網(wǎng)之間相互干擾，經(jīng)整流器、濾波電路得到平滑約為 310V的 Uin直流高電壓，由FPGA控制器發(fā)送PWM1和PWM2脈沖信號經(jīng)光耦隔離后驅(qū)動放大控制全橋逆變器功率開關(guān)管IGBT的通斷進行逆變得到交變脈沖電壓，經(jīng)高頻變壓器變壓得到高頻交流低電壓，再經(jīng)過二次整流濾波得到可調(diào)直流電源，根據(jù)PWM調(diào)制原理，由FPGA控制器控制輸入到全橋逆變器的PWM1和PWM2實現(xiàn)電源輸出峰值電壓的調(diào)節(jié)［3］.

圖2 直流主電路示意圖

1.2 驅(qū)動電路

全橋逆變器的驅(qū)動模塊采用 KD202模塊，其外圍電路如圖3所示.PWM1和PWM2信號由FPGA控制器發(fā)出，經(jīng)光耦隔芯片 HCPL2630，主要是數(shù)字地和模擬地隔離，最后輸出至KD202.三極管 Q1、Q4和 Q2、Q3構(gòu)成互補的射級輸出端，其優(yōu)點是減輕 PWM控制 IC的負擔，特別適合應(yīng)用在頻率較高、被驅(qū)動的功率管較大的場合，此芯片輸出+15V電壓和-8V電壓，可滿足驅(qū)動全橋逆變主電路的要求［4］.

圖3 驅(qū)動電路與驅(qū)動波形圖

1.3 斬波電路

斬波電路的功率開關(guān)管使用 MOSFET功率器件，斬波信號驅(qū)動芯片使用 KA101，該芯片具有三段式過電流保護機制，即先降柵壓，再通過延遲判斷，確定短路時再實行軟關(guān)斷，同時封鎖短路信號并執(zhí)行一個完整地保護過程，能可靠的保護電源［5］.

如圖4所示，由FPGA控制器發(fā)送PWM3信號分別發(fā)到功率器件 Q11、Q12、Q13、Q14，分別進行斬波.最后得到四路直流脈沖方波.斬波部分實現(xiàn)輸出電壓的頻率和占空比可調(diào)節(jié).

圖4 單路輸出斬波電路和驅(qū)動波形圖

1.3 檢測電路

檢測電路包括電流檢測電流和電壓檢測電路.采樣間隙電壓在二次整流之后即U0的值.采樣電阻分壓法來檢測兩極之間的間隙電壓.電流采樣使用霍爾傳感器作為檢測過電流的器件，實現(xiàn)快速過流保護的功能.采集到的電流電壓信號將通過A/D轉(zhuǎn)化后進入FPGA控制系統(tǒng). A/D轉(zhuǎn)化模塊采用平均電壓采樣檢測方法.A/D轉(zhuǎn)換模塊以 1Msps以上的采樣速率采集電壓值，并在 FPGA中計算平均電壓值，以此來判斷放電狀態(tài).FPGA接收到比較器和A/D轉(zhuǎn)化模塊輸入的檢測信號后，由FPGA做簡單的處理，得出實時放電狀態(tài)的反饋信息，由此對放電狀態(tài)進行檢測，再通過串行通信輸入給上位機.采用TLV1572串行逐次逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，采用5V電源供電，最高采樣速率可達 1.25Msps，具有自動節(jié)電和內(nèi)部采樣保持功能.在TLV1572前端加上光耦隔離芯片HCN201，如圖 5所示，可以使模擬地與數(shù)字地完全隔離.在HCNR201前后均加油高速運放芯片，使得HCNR201芯片降低電路中的干擾，更加運行穩(wěn)定.

在電源加工過程中，電流和電壓經(jīng)過檢測反饋到FPGA控制器中的PWM1、PWM2、PWM3模塊，實時調(diào)整輸出電壓和電流.當電源發(fā)生過壓、過流和短路等故障時，可迅速關(guān)斷電源保證電源、電極絲和工件的安全.

圖5 電壓檢測

圖6 電流檢測

1.4 保護電路

快速短路保護系統(tǒng)是脈沖電源的重要組成部分，它不僅要保護電源系統(tǒng)不致?lián)p壞，同時還要防止電極和工件在短路時發(fā)生燒傷［5］.保護電路的原理是高增益反相誤差放大器，在其反相輸入端輸入設(shè)定的參考電壓 （對應(yīng)一定保護電流、電壓門檻值），正相輸入端輸入電流電壓采樣信號，當檢測到過流或過壓時，對會在比較器的輸出端輸出保護.

為了安全起見，本電路經(jīng) LM219（電壓比較器）二次放大.本保護電路除了具有電流保護功能外，還有電壓保護功能，可防止變壓器故障輸出高電壓而造成電路損壞.LM219的每個封裝內(nèi)有兩個獨立收比較器，可由 5V單電源供電.其轉(zhuǎn)換速度快，輸入偏置電流小，輸出部分具有獨立的地線引出端，輸出與TTL/RTL/DTL電容相容.LM219的靈敏度高，能對弱小信號進行比較，是一種輸出功率較大的精密電壓比較器，廣泛用于控制、測量等電子系統(tǒng)中.如圖所示為驅(qū)動繼電器電路、此外為了保護電源還設(shè)計了 LM219芯片構(gòu)成窗口比較器將真有效值轉(zhuǎn)換后的電壓信號 Udc接到比較器 LM219的引腳 5和引腳10，與基準電壓1（引腳4輸入電壓 U1）和基準電壓（引腳10輸入電壓U2）比較.當Udc＜Ud2或者Udc＞U1時，認為欠流或者過流，輸入為高電平，經(jīng)光耦隔離，并將電平轉(zhuǎn)換后輸入FPGA.

圖7 保護電路圖

2 FPGA控制系統(tǒng)及人機界面的設(shè)計

控制系統(tǒng)的核心為 FPGA，其內(nèi)部設(shè)計包括：硬件邏輯部分、NiosⅡ軟核部分、Analon總線部分以及 RS232通信部分等.FPGA硬件邏輯設(shè)計主要包括 AD采樣模塊、過流檢測模塊［6］.

人機界面的設(shè)計是用軟件虛擬按鈕來替代傳統(tǒng)的物理按鈕，既可以節(jié)省物理空間，且界面直觀友好，操作方便［5］.也使得電源系統(tǒng)數(shù)字化集成化.觸摸屏的設(shè)計主要包括人機界面的設(shè)計和通信協(xié)議的編寫.

圖8 控制系統(tǒng)與觸摸屏界面圖

圖9 電源輸出波形圖

3 實驗結(jié)果

電源輸出電壓為 60～120V、頻率為 1～30K，占空比為 0.1～0.9，且都為連續(xù)可調(diào).檢測多槽電火花線切割脈沖電源的輸出波形，得到電源的輸出波形如圖所示：脈沖電源電壓可調(diào)節(jié)為60V、70V、80V、90V， 脈 沖 頻 率 1K、5K、10K、15K，占空比 0.1、0.2、0.3、0.4.

4 結(jié)語

研制出一套用于多工位電火花線切割脈沖電源，該電源采用逆變加斬波的電路結(jié)構(gòu)，減小了電源的體積，保證了多路輸出電源的一致性，對于大型環(huán)裝零件的線切割能保證加工效率、變形量小.其輸出電壓、頻率、占空比連續(xù)可調(diào).具有完善的短路保護系統(tǒng)，當加工發(fā)生過流或短路時，能很好地保護電源功率器件免受過流損壞，同時提高電源的可靠性.FPGA的應(yīng)用，使輸出電壓、脈沖頻率和占空比連續(xù)可調(diào).通過觸摸屏，將電源與控制系統(tǒng)基于一體，便于操作.

［1］劉晉春,白基成，郭永豐.特種機加工［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［2］王志強.開關(guān)電源設(shè)計［M］.電子工業(yè)出版社，2005.

［3］張淼，馮垛生，現(xiàn)代電力電子技術(shù)與應(yīng)用，北京：中國電力出版社［M］.2006.

［4］Keith Billings著，張占松，王仁皇，謝麗萍 譯，開關(guān)電源手冊［M］.2006.

［5］鐘文明,張永俊.基于 dsPIC單片機的電火花線切割脈沖電源的研制［J］.電加工與模具，2014.

［6］田耀杰,劉石安，吳蓉.基于 FPGA電火花加工脈沖電源的設(shè)計［J］.華僑大學，2014電子測試.

［責任編輯：王曉軍］

Xu Zhiwei1,FANG Weiwen2,Zhang Yongjun1,Wu Tao1,Liang Yuanbiao1

(1.Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006;2.Hangzhou nabel group co.,LTD,Hangzhou 311100)

Research of Multi-output WEDM Pulse Power Supply Based on FPGA

For self-developed multi-station synchronous WEDM,a multi-output pulsed power supply was researched.The principle of the pulsed power supply is the same as the principles of the single output pulse power, the main structure of the full-bridge topology DC main circuit output plus four independent branch chopper.By FPGA as the controller sends a pulse signal to control the PWM modulation output voltage magnitude,frequency and duty cycle.Ensure a consistent pulse signal of each branch,so the same parameters as the electrical output of each end.Collection for each output circuit voltage and current signals,after internal processing by FPGA output feedback signal for each branch protection.When one of one or more channels fails,the other circuit continues to work to ensure efficiency.Designed based on interactive touch-screen system,make the operation more convenient and simple power supply.

wire cutting;power supply;multiple output;FPGA

TH 162

A

1672-402X（2016）08-0057-04

2016-03-10

國家自然科學基金“多槽同步電火花線切割放電特性與控制模式研究”（批準號：51275098）

徐志偉（1990-），男，江西南昌人，碩士研究生，研究方向：電火花線切割脈沖電源.