曾令燎，劉 偉，郭鐘寧，賈雪奎

（廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

電解加工具有加工速度快、表面質(zhì)量好、不受材料強度、硬度、韌性限制的優(yōu)良性能，在許多硬質(zhì)材料和形狀復(fù)雜的零件加工中取得了很好的應(yīng)用。研究表明，高頻窄脈沖電流的電解加工電源較低頻脈沖電流或直流電解加工電源，在精度、表面質(zhì)量、效率及穩(wěn)定性方面都有明顯提高。近年來，通過縮小加工間隙、熱去除、加入超聲波等提高了電解加工精度，同時對電源的要求也越來越高，要求能與進給系統(tǒng)通信、交替進行、在小間隙條件下長期穩(wěn)定的工作。采用微控制器的脈沖電源，使電解加工的系統(tǒng)可靠性得到提高，在擴展性及通信方面更好地滿足加工要求。以DSP 為電源控制核心，實現(xiàn)了輸出頻率20～50 kHz，占空比0.3～0.9 連續(xù)可調(diào)，峰值電流50 A 可調(diào)，電壓6～40 V 可調(diào)的脈沖電源。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

脈沖電源分兩級，經(jīng)三相整流濾波，前級主電路DC－DC 變換器采用ZVS 移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制器采用TI 高性能DSP 芯片TMS320F28027 為核心，利用該芯片強大的ePWM 模塊實現(xiàn)移相，切換控制輸出電流和電壓；后級脈沖電路采用并聯(lián)斬波，利用MSP430G2553 實現(xiàn)輸出頻率、占空比可調(diào)及顯示。脈沖電源整體原理結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 脈沖電源原理圖

2 硬件設(shè)計

2.1 ZVS 移相全橋與并聯(lián)斬波電路設(shè)計

對于大功率開關(guān)電源，常采用移相全橋DC－DC變換，在UCC3875、UCC3879 等直流開關(guān)電源中有過不少成功的案例。移相全橋在效率、性能上已是非常成熟的電路。對于本文的中大功率脈沖電源，采用ZVS 移相全橋結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)軟開關(guān)，減少后級尖峰。主電路與脈沖斬波電路結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 主電路結(jié)構(gòu)圖

本電源分兩級，前級采用移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功率管采用IGBT 模塊BSM35GB120DLC（1 200 V，35 A）。因為后級輸出為低壓、大電流場合，采用IRFP2907 場效應(yīng)管并聯(lián)斬波。IRFP2907 的擊穿電壓為75 V，連續(xù)電流209 A，具有極小的導(dǎo)通電阻4.5 mΩ，由于對單管留有足夠的余量，采用4 個管并聯(lián)均勻分布。

變壓器是變換器的核心，采用了具有高磁導(dǎo)率的鐵鈷非晶作為變壓器。由于功率較小，故采用風(fēng)冷式。為了便于制作與安裝，變比采用18：1，次級變壓器線圈單軋多股分布，并聯(lián)穿過磁芯并焊接到銅板上，易與整流管安裝。

2.2 防同臂導(dǎo)通保護驅(qū)動電路設(shè)計

驅(qū)動電路的好壞影響開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而影響整個電路的效率。針對前級全橋電路，高壓小電流，后級低壓大電流，為使開關(guān)管能完全導(dǎo)通和關(guān)斷，采用M57962L 驅(qū)動模塊，驅(qū)動電壓輸出+15 V，－12 V，驅(qū)動電流0.5 A。驅(qū)動電路見圖3。

圖3 驅(qū)動電路圖

由于前級橋臂電路會出現(xiàn)同臂導(dǎo)通擊穿IGBT的危險，當(dāng)控制器復(fù)位或上電時，易發(fā)生4 個驅(qū)動信號同時為高電平的現(xiàn)象。通過加入簡單的邏輯電路，對驅(qū)動信號做了保護，防止同臂管同時導(dǎo)通的可能。驅(qū)動電路保護電路見圖4。

圖4 驅(qū)動保護電路圖

M57962L 的每個模塊都需兩路電源供電，正電壓可達18 V，負(fù)電壓最低至－15 V，且不能與其他共地。全橋電路需四路兩輸出電源供電，如用變壓器單獨供電，需多路變壓器輸出，顯得系統(tǒng)復(fù)雜。通過UC3842 設(shè)計一個四輸出的開頭電源，加入7812 三端穩(wěn)壓管，7812 的輸出端作為驅(qū)動電路的地，解決了驅(qū)動電路供電復(fù)雜的問題。圖5 是電路中一組電源的結(jié)構(gòu)。

圖5 驅(qū)動電路電源圖

2.3 電流檢測電路設(shè)計

由于脈沖電流采集困難，本脈沖電源采用恒流電源控制模式，在次級整流后串接一個大電感濾波，不接濾波電容，利用電感電流不能突變的特點實現(xiàn)恒流控制。電流傳感器接在地端時易受后級斬波干擾，其安裝位置見圖1 電流I 反饋處。電流檢測電路見圖6。

圖6 電流采集電路圖

2.4 改進同步脈沖電壓檢測電路設(shè)計

盡管AD 采樣速度很快，該DSP 轉(zhuǎn)換時間最高可達216.67 ns，但在低電平時也檢測到低電壓，如采用同步檢測，實現(xiàn)較困難。采用脈沖電壓直接比較反饋，當(dāng)電壓超過預(yù)定值時，輸出波形也為脈沖；如采用直流控制方法，在一個周期里控制器會有一部分時間檢測為過壓狀態(tài)，一部分時間為欠壓狀態(tài)，平行點不易把握，在輸出占空比變化時，平行點更不易控制。

針對脈沖電壓在低電平時誤判為欠壓狀態(tài)，引入了電平觸發(fā)D 觸發(fā)器，在低電平時能保持高電平時的狀態(tài)。電平觸發(fā)D 觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)及波形見圖7。該D 觸發(fā)器由一片六路兩輸入高速與非門組成。CLK 信號為驅(qū)動器驅(qū)動信號；D 信號是經(jīng)過驅(qū)動，負(fù)載電壓超過設(shè)定值時的信號，為脈沖信號。由于受器件延時影響，會有一段延時輸出，延時時間與器件有關(guān)，兩信號波形如圖7b CLK和D 所示。CLK為高電平時，當(dāng)反饋D 為高電平時，Q 為電平。當(dāng)CLK 從高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖綍r，反饋信號D 仍然為高電平，Q 也為高電平。在一個周期里，如果輸出電壓高于設(shè)定值，Q 輸出只在很小一段時間內(nèi)是低電平，如果是脈沖采集在低電平時都為低電平。如果D 信號一直是低電平，Q 也一直是低電平。這樣，采用比較法，利用控制器內(nèi)部比較器實現(xiàn)電壓脈沖峰值電壓控制。

圖7 D 觸發(fā)器結(jié)構(gòu)與波形圖

脈沖電壓采集電路見圖8。輸出電壓經(jīng)電位器分壓取樣，經(jīng)高速精密運放跟隨輸入至比較器同相端，與精密低溫漂基準(zhǔn)電壓源經(jīng)精密線性光耦隔離放大至比較器反相端比較，再經(jīng)快速無源光耦隔離，接入D 觸發(fā)器D 輸入端，驅(qū)動信號接入D 觸發(fā)器CLK 端，Q 輸出至控制器調(diào)節(jié)前級PWM 寬度，使輸入脈沖電壓峰值穩(wěn)定在設(shè)定值。

圖8 脈沖電壓采集電路圖

通過采用此結(jié)構(gòu)的檢測電路，在低電平時能鎖住高電平時的狀態(tài)，使控制器快速響應(yīng)穩(wěn)定輸出狀態(tài)，實現(xiàn)輸出脈沖峰值電壓可調(diào)，并能實現(xiàn)控制與主電路很好的隔離。由于并聯(lián)斬波驅(qū)動信號與反饋信號相反，接入D 觸發(fā)器的信號經(jīng)驅(qū)動電路延時，CLK 信號需接一個非門反相，如果接的是一個延時反相器，延時時間便可減少。圖9 是實測D 與CLK、Q 與CLK 的信號，延時為0.5 μs。

圖9 脈沖電壓實測波形圖

電源主回路采用TMS320F28027 為控制器，通過反饋調(diào)節(jié)開關(guān)管的PWM 實現(xiàn)控制，并聯(lián)斬波開關(guān)的驅(qū)動信號為MSP430 產(chǎn)生，利用電位器調(diào)節(jié)占空比和頻率。本脈沖電源可實現(xiàn)電流型與電壓型控制。電壓型控制時，通過單片機內(nèi)部比較器實現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)，采樣電流再與設(shè)定電流值比較，與進給系統(tǒng)通信調(diào)節(jié)間隙。在電流型輸出時，通過內(nèi)部AD采樣實現(xiàn)電流調(diào)節(jié)，再檢測電壓狀態(tài)，與進給系統(tǒng)通信調(diào)節(jié)間隙。電流型與電壓型模式加工，能保持電流、電壓的穩(wěn)定，通過預(yù)設(shè)的參數(shù)與進給系統(tǒng)通信調(diào)節(jié)間隙，再控制電解液的壓力，使流場也保持穩(wěn)定，從而使加工更穩(wěn)定，提高了加工精度。

2.5 邏輯控制電路設(shè)計

控制電路分為主電路移相全橋和脈沖斬波電路。移相全橋驅(qū)動信號由DSPTMS320F28027 四路高分辨率ePWM 產(chǎn)生，控制變換器，并顯示當(dāng)前電流值、電壓值、加工狀態(tài)、故障報警等信息。斬波電路驅(qū)動信號由MSP430 定時器1 實現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)電位器，調(diào)節(jié)并顯示當(dāng)前頻率和占空比，與DSP 通過SCI 通信，發(fā)送當(dāng)前的頻率和占空比給DSP，經(jīng)DSP處理，通過RS232 發(fā)送給進給系統(tǒng)調(diào)節(jié)間隙?？刂破髡w原理見圖10。

圖10 控制電路框圖

3 程序設(shè)計

程序設(shè)計分為MSP430 設(shè)計和DSP 程序設(shè)計。MSP430 主程序流程見圖11a，上電初始化參數(shù)，等待DSP 開啟信號，剛開始時，PMW 以最大占空比輸出，防止負(fù)載有輸出，待DSP 檢測到等于啟動電流時，啟動MSP430PWM 輸出。DSP 主程序流程見圖11b，利用該DSP 的4 個通道的12 位AD，分別在電流模式或電壓模式下對設(shè)定電流、電壓、實際電流采集處理，并與進給系統(tǒng)調(diào)節(jié)間隙，實現(xiàn)穩(wěn)定加工。系統(tǒng)并中對變壓器初級電流檢測，防止后級反饋延時而導(dǎo)致前級電流過大帶來的危險。

圖11 主程序流程圖

4 實驗結(jié)果

以電解加工系統(tǒng)作為負(fù)載，陰極為外徑8 mm、內(nèi)徑2 mm 的黃銅電極，陽極為1Cr18Ni8Ti 不銹鋼板，電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5 %NaNO3與3 %NaCl 溶液，間隙通過手動調(diào)節(jié)控制在0.1～0.5 mm。

圖12 分別是在電壓24 V 時，不同頻率和占空比的實驗波形。采用該改進電壓檢測法實現(xiàn)電壓模式控制。由于檢測波形中尖峰電壓較大，可通過幾級RC、RCD 吸收電路以減少尖峰電壓。

圖12 不同頻率和占空比的實驗結(jié)果

圖13 是頻率40 kHz、占空比50 %時，不同電壓的實驗波形。其中圖13a 是無吸收電路波形，其他都是帶吸收電路的輸出波形。通過結(jié)合電壓檢測電路及控制方法，可使輸出電壓穩(wěn)定在0.5 V 以內(nèi)，比以往的控制精度大大提高。如采用高精度的基準(zhǔn)源、運放及延時時間的控制，精度還能進一步提高。

圖13 不同電壓的實驗結(jié)果

5 結(jié)語

本文設(shè)計的脈沖電源調(diào)節(jié)操作較靈活，驅(qū)動電路有自帶的保護措施，提高了電源的整體安全性，采用合適的器件，在惡劣的電解加工環(huán)境中能保持穩(wěn)定性，解決了窄脈沖電壓難以檢測控制的問題。

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