褚旭陽，胡志鵬，許世明

（廈門大學(xué) 物理與機(jī)電工程學(xué)院，福建 廈門 361005）

基于RC延時(shí)斬波原理的脈沖電源設(shè)計(jì)

褚旭陽，胡志鵬，許世明

（廈門大學(xué) 物理與機(jī)電工程學(xué)院，福建 廈門 361005）

文中提出了一種新型的微細(xì)電火花加工脈沖電源。該脈沖電源采用數(shù)字電位器及電容組成RC延時(shí)電路,利用MOSFET作為開關(guān)管，通過RC延時(shí)電路對(duì)上下兩路MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行延時(shí)，從而使上下兩路MOSFET先后開通，以斬波的方式獲得脈沖，脈寬可以達(dá)到納秒級(jí)。

脈沖電源；納秒級(jí)；RC延時(shí)斬波；微細(xì)電火花

脈沖電源作為微細(xì)電火花加工機(jī)床的主要組成部分,把工頻交流電轉(zhuǎn)換成一定頻率的單向脈沖,為擊穿加工介質(zhì)提供所需要的電壓,并在間隙擊穿后提供能量用于蝕除金屬。它是影響加工工藝指標(biāo)關(guān)鍵的設(shè)備之一,其性能的優(yōu)劣直接影響放電加工的速度、精度、穩(wěn)定性、工件表面粗糙度以及電極耐加工性,同時(shí)它也是產(chǎn)品升級(jí)換代的標(biāo)志。

1 微細(xì)電火花加工脈沖電源研究現(xiàn)狀與發(fā)展

依據(jù)工作原理和所用的主要元件、脈沖波形等,電火花加工用脈沖電源可分為多種類型。按照間隙狀態(tài)對(duì)脈沖參數(shù)的影響分類,可分為非獨(dú)立式RC脈沖電源和獨(dú)立式晶體管脈沖電源兩類。RC式脈沖雖然可以達(dá)到很小的放電能量,但是電能利用效率很低、生產(chǎn)效率低,并且由于電源本身不獨(dú)立。在形成放電脈沖時(shí),放電頻率、寬度、單個(gè)脈沖能量等都不穩(wěn)定。放電過程中脈沖能量不可控,會(huì)影響工件加工的表面質(zhì)量。

因此目前學(xué)者們的研究更傾向于獨(dú)立式晶體管脈沖電源。晶體管脈沖電源原理圖如圖1所示,主振級(jí)提供一定脈沖寬度和停歇時(shí)間的矩形脈沖信號(hào),再經(jīng)放大級(jí)放大,最后驅(qū)動(dòng)末級(jí)功率晶體管開通或截止。末級(jí)晶體管起到開關(guān)作用。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí),直流電源電壓 U加在加工間隙上,擊穿工作液進(jìn)行火花放電。當(dāng)晶體管截止時(shí),放電結(jié)束,間隙消電離,準(zhǔn)備下一脈沖的到來。

圖1 晶體管脈沖電源Fig.1 The transistor pulse generator

為了使晶體管脈沖電源能夠應(yīng)用于微細(xì)電火花加工,國(guó)內(nèi)外有不少學(xué)者進(jìn)行了進(jìn)一步研究,研制了納秒級(jí)脈沖電源,并且在電源中加入了一些檢測(cè)控制模塊,使電源更智能化[1]。此外,哈工大張勇博士研制了一種以一個(gè)微處理計(jì)算機(jī)為核心的微能脈沖電源。該電路利用CPLD產(chǎn)生邏輯脈沖,信號(hào)經(jīng)過放大后驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET開關(guān)管,由于采用高速高集成器件,減了電路之間的延時(shí),使信號(hào)源脈寬得到很大程度上的減小。但由于功率器件的限制,后級(jí)的輸出無法跟上信號(hào)源的變化,所以存在延時(shí)問題[2]。

南京航空航天大學(xué)研制的微能脈沖電源,主振級(jí)能夠輸出穩(wěn)定的0.1 μs數(shù)量級(jí)的時(shí)鐘信號(hào)。功率放大級(jí)采用互補(bǔ)型低輸入阻抗前置放大電路來驅(qū)動(dòng)MOSFET,能夠提供足夠的充電電流和快速放電回路從而顯著縮短脈沖波形的前沿和后沿時(shí)間。試驗(yàn)證明,該電源的最小脈沖寬度可以達(dá)到 0.1 μs以下,峰值電流 0.2～1.2 A可調(diào),加工出的微細(xì)軸達(dá)到φ20 μm×200 μm,加工出的微細(xì)孔達(dá)到φ25 μm×150 μm[3]。

在日本農(nóng)業(yè)科技大學(xué)做研究的韓福柱開發(fā)了一種基于高頻電流傳感器微能脈沖電源,該電源使用等脈沖模式,將電流脈寬可以控制在30 ns。由于矩形波脈沖每次放電電流幅值基本相同,則意味著每個(gè)脈沖放電電流持續(xù)時(shí)間相等[4]。檢測(cè)電路使用了一種電流感應(yīng)器,它的響應(yīng)頻率高達(dá) 2 GHz,輸出為電壓低于 5 V,可以直接用來接入脈沖控制電路,免去了傳統(tǒng)的脈沖電源檢測(cè)電路中存在的分壓和隔離等環(huán)節(jié),使得電路簡(jiǎn)化并且反饋的電路延遲很小。對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,相同加工參數(shù)下該電源比RC電源加工明顯提高了微細(xì)軸表面粗糙度。雖然此電路獲得超短脈寬,但是其中一個(gè)關(guān)鍵因素是采用超高頻率響應(yīng)的電流傳感器,其昂貴的價(jià)格也是限制其推廣的因素[5]。

2 脈沖電源設(shè)計(jì)

2.1 原 理

目前,學(xué)者采用的獨(dú)立式晶體管脈沖電源還存在一定的問題。首先,MOSFET關(guān)斷不夠迅速,有延遲,脈沖寬度無法得到進(jìn)一步的縮小。其次,需要運(yùn)用高頻的控制芯片來產(chǎn)生主振信號(hào),因此電源的制作成本普遍較高。針對(duì)上述的兩個(gè)問題,本文提出了一種應(yīng)用單片機(jī)作為主控,基于RC延時(shí)斬波原理的脈沖電源。該脈沖電源脈沖波形由上下兩路MOSFET斬波形成。上下兩路由單片機(jī)的同一個(gè)I/O口進(jìn)行控制,每一路串接一個(gè)RC延時(shí)電路,I/O口產(chǎn)生的脈沖信號(hào),經(jīng)過兩個(gè)RC延時(shí)電路后,產(chǎn)生時(shí)間差,利用這個(gè)時(shí)間差,使上下兩路MOSFET的先后開通,從而獲得脈沖波形。電路原理示意如圖2所示。

圖2 基于RC延時(shí)斬波原理的脈沖電源電路示意圖Fig.2 Diagram of the circuit of the pulse power supply based on RC delay chopping principle

該電源脈沖的產(chǎn)生是通過上下兩路MOSFET的開通,以斬波的方式完成的。由于MOSFET的開通時(shí)間會(huì)比關(guān)斷時(shí)間快很多,所以間隙電壓卸載時(shí)的延時(shí)問題會(huì)有很大程度的改善,響應(yīng)速度很快。脈沖電源的主控采用普通單片機(jī),通過數(shù)字電位器和多路選通器,可以實(shí)現(xiàn)RC延時(shí)電路中的電阻值的改變和不同電容的切換,從而控制脈沖寬度,實(shí)現(xiàn)脈寬連續(xù)可調(diào)。整個(gè)電路采用普通低速器件,也可實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)的脈寬。

2.2 電源的組成

本脈沖電源主要由3部分組成,包括RC延時(shí)模塊電路、隔離驅(qū)動(dòng)電路和放電主回路。

RC延時(shí)模塊的延時(shí)原理如圖3所示。利用電容器充電延時(shí)的原理,將控制脈沖進(jìn)行適當(dāng)?shù)难訒r(shí)。該電源的RC延時(shí)模塊的電路如圖4所示,該模塊由數(shù)字電位器X9C102,多路選通器CD4051,和多個(gè)不同容值的電容C0-C7組成(C0-C7的電容值分別在100 pF～1 μF之間)。單片機(jī)通過IO_1,2,3控制數(shù)字電位器的輸出阻值,通過IO_4,5,6控制多路選通器的選通不同的電容?？刂泼}沖由IO_0發(fā)出,通過RC延時(shí)電路延時(shí)后再進(jìn)下一級(jí)電路。

圖3 RC充電原理示意圖Fig.3 Diagram of the RC charging circuit

圖4 RC延時(shí)模塊電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of the RC delay module

為了方便計(jì)算,近似的認(rèn)為RC電路充電達(dá)到90%能夠驅(qū)動(dòng)光耦,而充電達(dá)到90%的時(shí)間T≈2.3*R*C。數(shù)字電位器X9C102的可調(diào)范圍是40 Ω～1 kΩ,最小變化量是10.1 Ω,若選擇C0(100 pF),則最小時(shí)間變化量是2.3 ns,即上下兩路最小的時(shí)間差為2.3 ns,若選擇C7(1 μF),則最小時(shí)間變化量是23 μs。一般加工的脈沖脈間寬度是幾十納秒至幾十微秒不等,所以需要上位機(jī)軟件在用戶設(shè)置好脈間之后,計(jì)算出數(shù)字電位器的電阻值和應(yīng)該選擇的電容,傳給單片機(jī)。

隔離驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖5所示。由于單片機(jī)輸出的脈沖信號(hào)與后級(jí)驅(qū)動(dòng)電路電平不匹配,并且后級(jí)的模擬電路也會(huì)對(duì)數(shù)字電路產(chǎn)生干擾,降低電源的穩(wěn)定性,所以需要隔離。隔離部分是采用高速光耦6N137,轉(zhuǎn)換速率高達(dá)10 M,滿足隔離要求。NPN三極管8050,特征頻率150 MHz,這里的主要作用是解決6N137和TPS2812的阻抗不匹配問題 (阻抗不匹配會(huì)導(dǎo)致波形畸變)。MOSFET驅(qū)動(dòng)器采用TPS2812,峰值驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)2 A,最大上升/下降時(shí)間25 ns,能夠使MOSFET快速的開通和關(guān)斷。

放電主回路如圖6所示。電源正負(fù)極依次串接限流電阻和上下兩路 MOSFET的源極和漏極,放電間隙與下路MOSFET的源極和漏極并聯(lián),利用兩個(gè)MOSFET的開通時(shí)間差,以斬波的方式獲得納秒級(jí)脈沖[6]。這里的限流電阻選用的是大功率的無感繞線電阻,MOSFET選用的是IRF840,Vds源漏級(jí)最大電壓能夠達(dá)到500 V,ID最大連續(xù)電流為8 A,上升時(shí)間15 ns,開通延遲時(shí)間35 ns,能夠滿足微細(xì)電火花加工對(duì)電壓和電流的要求。

圖5 隔離驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of the isolated driver circuit

圖6 主回路示意圖Fig.6 Diagram of the primary loop

雖然按照理論設(shè)計(jì),電源的理論脈沖寬度能達(dá)到幾十納秒。但是由于電路板的布線干擾及元器件的差異,電源的脈寬范圍為500 ns～1 ms,最小脈間50 μs,最大電壓500 V,最大電流8 A。

3 加工實(shí)驗(yàn)

采用該脈沖電源,在煤油中進(jìn)行了電火花加工實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用的電極為黃銅,工件材料為鈦合金。

實(shí)驗(yàn)中采用的脈沖寬度為500 ns,電壓為100 V,電流為500 mA,單次放電的波形如圖7所示,圖中的兩個(gè)波形分別反映了間隙電流和間隙電壓,該波形顯示,當(dāng)電壓上升至40 V時(shí),開始放電?？蛰d時(shí)的連續(xù)放電波形如圖8所示。

圖7 單次放電波形Fig.7 Single discharge wave

圖8 空載連續(xù)放電波形Fig.8 No-load continuous discharge wave

圖9和圖10分別是單次放電加工的蝕坑圖和連續(xù)放電加工的蝕坑圖。從圖中可以看出,放電蝕坑僅有5 μm大小,符合微細(xì)電火花加工的基本要求。

圖9 單次放電蝕坑圖Fig.9 The crater of single discharge

圖10 連續(xù)放電蝕坑圖Fig.10 The surface of continuous discharge

4 結(jié)論

本文通過對(duì)現(xiàn)有的微細(xì)電火花加工脈沖電源的分析,設(shè)計(jì)出了脈寬可調(diào)的納秒級(jí)脈沖電源,根據(jù)實(shí)驗(yàn)波形與掃描隧道顯微鏡看到的加工蝕坑圖,可以確定所設(shè)計(jì)的脈沖電源完全滿足電火花加工要求,具有良好的加工性能,并且具有以下云計(jì)算平臺(tái)構(gòu)建于數(shù)量眾多的硬件資源之上,不存在因?yàn)閱吸c(diǎn)故障而造成性能、應(yīng)用服務(wù)中斷的情況,也避免了服務(wù)器群集故障轉(zhuǎn)移時(shí)應(yīng)用服務(wù)無法正常停止而造成的遷移失敗的情況。而傳統(tǒng)模式下采購符合PACS性能要求的高性能服務(wù)器、大容量存儲(chǔ)等硬件設(shè)備其本身就需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間,其后硬件設(shè)備、OS的安裝調(diào)試,群集、容災(zāi)系統(tǒng)的配置等等,需要耗費(fèi)更多的人力物力,更加突顯出云計(jì)算平臺(tái)上的安裝部署的時(shí)效性、性價(jià)比。

5 結(jié)束語

云計(jì)算平臺(tái)的出現(xiàn)很好的解決了PACS一直存在的硬件性能與用戶需求相對(duì)滯后、群集模式硬件資源利用率低、群集構(gòu)建難度大、管理維度要求高、故障轉(zhuǎn)移受多種因素影響、影像數(shù)據(jù)備份需第三方解決方案等問題,滿足了PACS對(duì)高運(yùn)算能力、大內(nèi)存使用、大容量存儲(chǔ)、高網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及巨大數(shù)據(jù)量備份等方面的需求,其對(duì)虛擬機(jī)的副本、快照、計(jì)算節(jié)點(diǎn)同構(gòu)可互換等災(zāi)難恢復(fù)功能是對(duì)PACS這樣關(guān)鍵應(yīng)用服務(wù)強(qiáng)有力的支撐,降低了因硬件、OS、應(yīng)用程序等出現(xiàn)故障而造成意外停機(jī)的可能,有效減少停機(jī)時(shí)間。同時(shí)充分利用現(xiàn)有的硬件資源,合理配置,降低因不斷采購軟、硬件設(shè)備而造成的巨大成本消耗,有效的平衡投入、產(chǎn)出,性價(jià)比優(yōu)異。

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Design of a pulse power supply based on RC delay chopping principle

CHU Xu-yang,HU Zhi-peng,XU Shi-ming
(School of physics and Mechanical&Electrical Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

This paper presents a novel Micro EDM pulse power supply.This pulse power supply uses RC delay circuit which is made up of digital potentiometer and capacitors.RC delay circuit delays the driving signals of the two MOSFETs to turn on the below one after the upper one.This pulse power supply generates a pulse by chopping.Nanosecond pulse width can be achieved.

pulse power supply；nanosecond；RC dealy chopping principle；micro-EDM

TN05

：A

:1674-6236(2015)23-0082-03

2015-03-09稿件編號(hào)：201503118

福建省自然科學(xué)基金支持(2014J01211)

褚旭陽(1981—)，男，吉林長(zhǎng)春人，博士，講師。研究方向：微細(xì)電火花。