楊 飛，楊 蛟，華 晗，方 斌

（南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京210094）

電火花加工是用可控電能在工具電極和工件 間形成火花放電來移除被加工材料的非傳統(tǒng)加工技術(shù)[1]。脈沖電源作為電火花加工機(jī)床的重要組成部分，其主要作用是將直流或工頻正弦交流電流變成一定頻率的脈沖電流。傳統(tǒng)的電火花加工不論是獨(dú)立式或是非獨(dú)立式，通常都是采用單極性加工方式?；趯?duì)電火花放電現(xiàn)象對(duì)加工影響的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)可控的雙極性電火花加工能以較低的加工刀具磨損率獲得比傳統(tǒng)單極性電火花加工更高的材料去除率和效率[2-3]。

隨著先進(jìn)電力電子技術(shù)的引入，脈沖電源結(jié)構(gòu)的靈活性和脈沖能量的控制得到了較快發(fā)展[4-5]，Yan等[6-7]提出了用可控開關(guān)管組成的全橋電路作為拓?fù)涞拿}沖電源，其拓?fù)渲械南蘖麟娮桦m起到了限制電流的作用，但大幅降低了系統(tǒng)效率。Rosario[8]和Javier[9]都采用了全橋開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和諧振變換器的結(jié)合來提高效率，但其輸出脈沖電流波形通常都接近正弦波或正弦半波，且電流波形可控性差，放電能量的一致性控制也較難。Nicola[3]同樣選用H橋電路作為拓?fù)?，但限流電阻的存在依然使放電電流和能量不可控，且降低了加工效率。綜上所述，雙極性的脈沖電源可被用來提高材料去除率。而與之匹配的能量控制方式中，單次放電能量的控制往往通過改變放電頻率和放電電阻來實(shí)現(xiàn)，不僅能量利用率低，可控的參數(shù)較少，且控制精度和靈活性較差。由于電火花放電頻率和放電能量等參數(shù)極大地影響了被加工工件表面的粗糙度，故可控的放電頻率和能量控制策略成為電火花加工的關(guān)鍵技術(shù)。

本文提出一種結(jié)合先進(jìn)電力電子技術(shù)的雙極性通用型電火花加工用脈沖電源，并給出了相應(yīng)的能量控制策略[10-11]。采用全橋電路作為脈沖電源主電路，可提供連續(xù)正負(fù)脈沖輸出；引入間隙電壓和間隙電流的和作為唯一的控制量；在引弧階段采用電壓控制，在放電階段采用電流控制，就此使用一個(gè)電路完成放電間隙的擊穿和放電能量的控制，有效減小了脈沖電源系統(tǒng)的體積。同時(shí)，在單個(gè)放電過程中的各階段，靈活調(diào)整脈沖電壓、放電電流、放電持續(xù)時(shí)間和消電離時(shí)間等參數(shù)。在維持放電頻率一定的情況下，保證加工過程中單次放電能量一致，實(shí)現(xiàn)了高效均勻的電火花加工。該電源在精確控制放電能量的前提下，可實(shí)現(xiàn)粗、精、微三種不同的加工方式。

1 雙極性通用型脈沖電源拓?fù)?/h2>

雙極性電火花脈沖電源功率拓?fù)湟妶D1。Q1、Q2、Q3、Q4、Qoff為開關(guān)管，Llimit為儲(chǔ)能電感，Vp為輸入電壓，vop為兩橋臂中點(diǎn)間電壓，vd為間隙兩端電壓，id為間隙放電電流。通過控制輸入電壓Vp來調(diào)節(jié)正反向的脈沖電壓幅值；通過控制Q3和Q4實(shí)現(xiàn)脈沖方向的調(diào)整；通過控制同一橋臂的上下二個(gè)開關(guān)管（Q1和 Q3，Q2和 Q4） 來控制流過電感 Llimit的放電電流id，進(jìn)而控制正反向放電能量。Qoff用來加速放電間隙電荷泄放和消電離的過程，以提高脈沖頻率。

圖1 新型脈沖電源基本電路拓?fù)?/p>

圖2是正、負(fù)極性加工時(shí)的等效電路圖，圖3是放電回路中主要電氣參數(shù)的波形。以一個(gè)正負(fù)脈沖放電周期為例：正脈沖加工如圖2a所示，變換器中開關(guān)管Q4保持導(dǎo)通、Q2保持關(guān)斷，Vp通過一個(gè)等效的Buck變換器與放電間隙相連。Buck變換器首先采用電壓控制，將一定的電壓加在放電間隙上；當(dāng)間隙被擊穿后，間隙放電電壓基本保持不變，Buck變換器變?yōu)殡娏骺刂疲M(jìn)行放電電流的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)以保證加工中放電能量一致。負(fù)脈沖放電的情況與正脈沖類似，如圖2b所示，開關(guān)管Q3保持導(dǎo)通、Q1保持關(guān)斷，脈沖電源通過Q2和Q4實(shí)現(xiàn)放電電流的控制。正、負(fù)脈沖的過渡過程需放電電流的下降和間隙電壓的反向，之后就是第二次電壓電流控制模式的切換?；诖嗣}沖電源電路拓?fù)浜涂刂撇呗裕蓪?shí)現(xiàn)較高的脈沖能量利用率及放電能量可控的正反脈沖加工。

圖2 新型脈沖電源基本工作方式

在微細(xì)電火花加工中，需將單次放電能量控制在很小的范圍內(nèi)，而粗加工就可適當(dāng)增加單次放電能量。因此，若要滿足粗、精、微加工的不同需求，通用型脈沖電源需配合靈活的能量控制策略，通過控制放電電流的幅值、放電脈寬和放電頻率等多個(gè)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)各種加工。

2 能量控制策略

傳統(tǒng)的獨(dú)立式脈沖電源單次脈沖放電過程中的放電能量控制，一般有恒定放電頻率控制和恒定放電能量控制兩種典型方式。

圖3 新型脈沖電源電路主要波形

恒定放電頻率控制方式是在間隙上施加脈沖時(shí)間Ton和消電離時(shí)間Toff以保持固定的脈沖電壓Vp（圖4），其脈沖電壓寬度和放電頻率1/Ts固定，類似開環(huán)控制。由于實(shí)際加工中放電間隙的情況多變，擊穿延遲時(shí)間不同，真正的放電時(shí)間ton并不固定，即單次放電能量的一致性難以保證。

圖4 恒定放電頻率控制

恒定放電能量控制方式是保持放電間隙擊穿后的放電時(shí)間Ton和消電離時(shí)間Toff固定，實(shí)現(xiàn)對(duì)單次放電能量的控制，放電一致性較好（圖5），該控制策略需通過檢測(cè)電路來識(shí)別放電間隙的狀態(tài)，且實(shí)際放電間隙的擊穿時(shí)刻不固定，因此，實(shí)際放電脈沖Vp的頻率1/ts將不斷變化。

圖5 恒定放電能量控制

若微細(xì)電火花脈沖電源能實(shí)時(shí)調(diào)整脈沖電壓幅值、放電電流大小、放電持續(xù)時(shí)間和消電離時(shí)間，則可在保持放電頻率一定的情況下，維持單次放電能量一致，實(shí)現(xiàn)高速、均勻的微細(xì)加工，故而提出了恒頻等能量控制方式（圖6）。通過引入閉環(huán)控制，在保持放電頻率一定的情況下，實(shí)時(shí)控制單次脈沖電流平均值，以保證單次放電能量一致。

圖6 恒頻等能量控制

一般來說，電火花放電間隙在擊穿之前為電壓引弧階段，流過間隙的電流幾乎為零；在擊穿之后為電流放電階段，間隙電壓維持在一個(gè)固定值；在擊穿瞬間，兩端電壓由開路電壓降至維持電壓，流過間隙的電流快速上升至平均放電電流。間隙擊穿過程非常短暫，間隙電壓和間隙電流的變化率很高，會(huì)引起電壓和電流的過沖和振蕩，故需引入適當(dāng)容量的電容來保證良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)特性。但對(duì)于微細(xì)電火花脈沖電源而言，大電容的引入不僅增加了單次放電能量的不可控性，還減慢了電壓或電流控制的響應(yīng)速度，考慮到放電間隙有類似于脈沖的特殊負(fù)載特性，需采用更合理有效的閉環(huán)控制方法。

如圖7所示，在電壓調(diào)節(jié)器中，采用動(dòng)態(tài)電壓定位控制策略[12-14]可有效提高變換器交流響應(yīng)，其基本思想是犧牲一定的直流增益來提高交流響應(yīng)，本質(zhì)上是允許輸出電壓在負(fù)載變化時(shí)在一個(gè)可接受的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)浮動(dòng)。在重載時(shí)，輸出電壓略高于動(dòng)態(tài)范圍的下限；在輕載時(shí)，輸出電壓略低于動(dòng)態(tài)范圍的上限。

圖7 理想動(dòng)態(tài)電壓控制波形

動(dòng)態(tài)電壓控制的等效模型見圖8，等效為一個(gè)電壓源和一個(gè)電阻的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。通過控制，維持變換器的輸出阻抗為一個(gè)恒定值，則負(fù)載由輕載突升至重載時(shí)，輸出電壓由動(dòng)態(tài)范圍電壓上限跌至下限，若使動(dòng)態(tài)范圍的上限為脈沖電源開路電壓，下限為間隙擊穿后的維持電壓，則這種控制方式完全可應(yīng)用到脈沖電源中。在脈沖放電過程中，放電間隙在擊穿時(shí)涉及到直流增益的下降，因此可充分利用這一特性，提高脈沖電源的閉環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。根據(jù)以上分析，給出了如圖9所示的動(dòng)態(tài)電壓定位控制的脈沖電源示意圖。

圖8 動(dòng)態(tài)電壓控制器等效模型

圖9 動(dòng)態(tài)電壓控制的脈沖電源模型

定義參考電壓量 vref（t）為：

式中：kv和ki分別為電壓和電流采樣倍數(shù)。由于受到補(bǔ)償環(huán)節(jié)Av的作用，采樣后的電壓與電流之和將會(huì)自動(dòng)跟隨參考電壓 vref（t）。

在引弧階段，流過間隙的電流幾乎為0，則式（1）變?yōu)椋?/p>

該控制方式等效為輸出電壓控制。

在放電階段，放電電壓幾乎不變，為了維持電壓 Vh，式（1）又變?yōu)椋?/p>

該控制方式等效為輸出電流控制。

由此，采用一個(gè)控制量，即間隙電壓和間隙電流的采樣和，就可完成引弧階段的電壓控制和放電階段的電流控制以及二者的自然切換，提高了動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

脈沖電源單次放電能量可表示為：

式中：Ts表示放電周期。若放電電流的控制效果較好，則在一個(gè)放電周期內(nèi)，可用放電電流的平均值替代其實(shí)時(shí)值來簡化計(jì)算，則式（4）可簡化為：

式中：tb是間隙擊穿延時(shí)。當(dāng)控制器檢測(cè)到擊穿延時(shí)tb時(shí)，可根據(jù)設(shè)定的單次放電能量w，計(jì)算出這一個(gè)放電周期內(nèi)的電壓參考量：

通過以上提出的能量控制策略，可實(shí)現(xiàn)單次放電能量的一致性控制。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提出的雙極性脈沖電源和相應(yīng)的動(dòng)態(tài)電壓定位控制算法的可行性，搭建了如圖10所示的脈沖電源原理樣機(jī)，并進(jìn)行了恒定輸出阻抗和通過閉環(huán)控制虛擬恒定輸出阻抗的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

圖10 脈沖電源實(shí)物

3.1 開環(huán)系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)

理論上，如果使脈沖電源的輸出阻抗為一恒定值，則動(dòng)態(tài)電壓定位控制可提升電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。電路開環(huán)仿真模型見圖11，設(shè)輸入電壓Vp為100 V，維持電壓Vh為20 V，放電電流Id為5 A，由式（7）確定輸出阻抗 Ro為 16 Ω。

圖11 脈沖電源開環(huán)仿真模型

另由圖12所示的仿真波形可見，一個(gè)周期的放電波形如下：間隙電壓值上升并保持在100 V左右，直到間隙擊穿時(shí)下降至維持電壓值約20 V；此時(shí)流過間隙的電流值快速上升至5 A后保持恒定，直到正脈沖加工周期結(jié)束，之后間隙電流和間隙電壓值都下降至0；接著，間隙施加反向電壓，并再次被擊穿，間隙電流值由0快速下降到-5 A后保持恒定，直到負(fù)脈沖加工周期結(jié)束時(shí)再次上升至0。

圖12 開環(huán)仿真波形

3.2 閉環(huán)系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)

在放電回路中，串聯(lián)電阻降低了放電能量的利用率，因此考慮用電感代替電阻。電感本身幾乎不損耗能量，只用來儲(chǔ)存和傳遞能量，配合前述動(dòng)態(tài)電壓定位控制方法，實(shí)現(xiàn)了高效、參數(shù)可控的脈沖電源。采用電感作為儲(chǔ)能元件的閉環(huán)仿真模型見圖13，設(shè)輸入電壓 Vp為 100 V，維持電壓Vh為20 V，放電電流平均值Id為5 A，綜合考慮電流紋波及其變化率要求，確定電感Llimit為15 μH。

圖13 脈沖電源閉環(huán)仿真模型

仿真波形見圖14。采用閉環(huán)控制方法，環(huán)路補(bǔ)償雖存在一定的延遲，但正反向放電電流平均值可穩(wěn)定控制在±5 A左右，且由于無電阻，故可有效提高電源的能量利用率。

圖14 閉環(huán)仿真波形

3.3 放電能量閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)

采用閉環(huán)控制的雙極性脈沖電源的放電電流波形和放電能量的可控性較強(qiáng)，可對(duì)放電電流進(jìn)行平均電流控制、峰值電流控制等。圖15是多開關(guān)周期平均電流控制波形，放電電流脈寬和平均值均可根據(jù)加工需求調(diào)節(jié)，此時(shí)的開關(guān)周期約為1 μs，電流放電時(shí)間約為4 μs，放電電流平均值約為1 A。圖16是單開關(guān)周期峰值電流控制波形，通過控制放電電流的峰值進(jìn)而控制單次放電能量，可獲得比多周期平均電流控制更低的單次放電能量，此時(shí)的電流放電周期約為1 μs，放電電流峰值約為1 A。

圖15 多開關(guān)周期平均電流控制波形

圖16 單開關(guān)周期峰值電流控制波形

以上仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析基本一致，恒頻等能量控制的雙極性脈沖電源可對(duì)放電波形和能量進(jìn)行靈活多變的控制。

4 結(jié)束語

本文基于對(duì)脈沖放電現(xiàn)象的觀測(cè)和對(duì)放電機(jī)理的分析，結(jié)合先進(jìn)電力電子技術(shù)，提出了一種雙極性通用型電火花加工脈沖電源，并給出了相應(yīng)的能量控制策略。采用全橋電路作為脈沖電源的主電路，選用儲(chǔ)能電感作為唯一的儲(chǔ)能元件用于放電電流控制，取消限流電阻。采用動(dòng)態(tài)電壓定位控制，在引弧階段進(jìn)行電壓控制，在放電階段進(jìn)行電流控制，用一個(gè)電路完成放電間隙的擊穿和放電能量的控制，減小脈沖電源系統(tǒng)的體積。同時(shí)，在單個(gè)放電過程的各個(gè)階段，對(duì)脈沖電壓、放電電流、放電持續(xù)時(shí)間和消電離時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行合理靈活的調(diào)整，在維持放電頻率一定的情況下，保證加工過程中單次放電能量的一致，可實(shí)現(xiàn)高效均勻的電火花加工。該電源在精確控制放電能量的前提下，可實(shí)現(xiàn)粗、精、微不同的加工方式。

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