短電弧機床數控脈沖電源的研制?

何 強，周建平，章翔峰，許 燕

（新疆大學 機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830047）

0 引言

超硬材料的加工是機械加工領域普遍面臨的一道技術難題，短電弧技術能有效地解決超硬、超強度、高韌性、高紅硬性、高耐磨性、嚴重冷作硬化等新型特種材料的加工難題［1］。它利用兩個電極（工件為陽極，工具電極為陰極）之間產生的短電弧放電來蝕除工件電極表面的金屬材料，從而達到尺寸加工的目的。但是短電弧加工技術的機理仍處于研究階段，該技術的高效加工與它本身很高的工作電流有著直接關系，是否與它的脈沖寬度和頻率有關是下一步研究的重要內容。因此，本文研制一臺瞬時脈沖功率最高可達72 kW的大功率脈沖電源樣機，為短電弧加工技術的研究提供了重要的實驗依據。

1 脈沖實驗電源方案

該脈沖實驗電源為短電弧機床提供多參數可調輸出需求，具有電壓型、電流型兩種輸出模式，可任意切換，同時具備輸入過壓、欠壓、缺相、超溫、輸出過壓、輸出短路等保護電路，其結構框圖如圖1所示。電源采用兩級信號調制方式，其中，一級調制電路包括整流濾波、全橋逆變、高頻變壓；二級調制電路包括倍流整流、電容儲能、直流斬波。前者核心為全橋逆變電路，后者核心為直流斬波電路。電源輸出電壓幅值為5V～36 V，輸出電流為0A～2 000A，脈沖頻率為50Hz～20 kHz，占空比為0%～75%。

2 脈沖電源系統設計

2．1 脈沖電源主電路設計

圖2為脈沖電源主電路拓撲結構。其具體工作過程是：三相交流經限流電感和EMI濾波、三相不控整流、工頻濾波環節后，采用軟開關技術［2］將整流濾波后的直流電由IGBT全橋逆變電路變換成正負極性的交流電，此高頻交流電再經高頻變壓器和倍流整流電路后，將能量存儲于儲能電容中，最終，直流斬波電路將電容輸出直流電變換為頻率與占空比可調的電壓脈沖供給負載。

圖1 脈沖電源結構框圖

圖2 脈沖電源主電路拓撲結構

儲能電容為功率脈沖提供持續的能量，選用高頻低阻電解電容與高頻高壓大電流電容，可充分發揮高功率密度和高能量密度優勢，從而使得電源系統具有短時間大功率輸出的能力，又具備持久的動力性能。在直流斬波電路中，功率器件選用相同型號的大功率MOSFET，采用4個降壓斬波電路并聯組成多相多重均流斬波電路，采用移相倍頻控制技術［3］。4路PWM信號彼此相移1／4周期，在輸出端就會得到4倍的脈沖頻率，該方法稱為移相倍頻控制技術。

該電路具有如下特點：電路輸出脈沖頻率高；單個開關管開關頻率低，降低了系統的發熱；有效避免了由于功率開關管的死區時間帶來的影響；單個開關器件的電流低；各降壓斬波電路單元可互為備用；4個開關器件的驅動信號來自于單片機，每個驅動信號分別輪流延時驅動開關管，最終在輸出端可得到頻率和占空比可調的脈沖。

2．2 脈沖電源控制系統設計

圖3為脈沖電源控制系統結構框圖。本控制系統以移相式PWM集成控制芯片UC3879為控制核心，主要任務為全橋IGBT模塊提供驅動信號，并完成對器件以及放電回路的實時保護，另外參與輸出電壓調節。單片機編程產生斬波MOSFET模塊驅動信號，并實現人機接口通訊。

圖3 脈沖電源控制系統結構框圖

脈沖電源加工過程中處于穩壓源型輸出方式，針對穩壓源型脈沖電源，本電源采用自適應調壓原理［4］，對放電回路輸出電壓進行采集對比，然后對PWM波占空比進行控制，使得放電加工時電壓能夠維持恒定，保持加工的效率與精確度。

圖4為PI自適應電壓調節原理圖。其中，P1端為UC3879誤差放大器反相輸入端，通常接基準電壓Vf，P2端為同向輸入端，接在與輸出電壓相連的電阻分壓器上。同相端采樣電壓Vi與基準電壓Vf比較，其輸出信號Ve與振蕩器產生的三角波比較，交接點決定移相角的大小，從而改變輸出脈沖的占空比，最終維持輸出電壓的恒定。該控制方法沒有穩態誤差，但系統動態響應稍慢。

2．3 脈沖電源保護系統設計

本脈沖電源的保護系統主要分為功率器件的保護和放電回路的保護［5］，前者防止功率器件過壓和過流擊穿，后者防止放電回路短路影響加工工件的表面質量。

在電源保護系統設計中，功率器件的過壓、過流保護可通過驅動芯片以及相應的外圍電路組成檢查電路，若發生過壓、過流情況，驅動芯片將產生的故障信號送入UC3879的CS端口，控制器則對全橋電路逐波關脈沖、直流斬波電路直接關脈沖或跳閘。放電回路的保護通過電流傳感器檢測直流斬波輸出處的電流，控制器判斷電流大于保護設定值時，同樣對全橋電路逐波關脈沖、直流斬波電路直接關脈沖，并采用RCD吸收電路防止過電壓。

圖4 PI自適應電壓調節原理圖

在短電弧切削加工過程中，脈沖電源正負極在水汽噴霧作用下會不斷產生放電通道，在放電通道內電流會迅速上升至上千安培，此時，直流斬波電路快速響應，瞬間輸出大電流。電流傳感器不斷對回路電流進行采樣比較，超過電流設定值后，可在1μs內迅速關斷脈沖以保護器件和加工工件的安全。

3 基于MATLAB的電源主電路仿真分析

脈沖電源由直流開關電源和直流斬波器組成，前者為直流斬波電路提供恒定直流源，后者將恒壓直流源變換為高頻單脈沖電壓。采用MATLAB下的Simulink和Simpowersystems模塊建立仿真模型［6］，如圖5所示。該脈沖電源設計方案可行，并且控制簡單、方便。

4 電源實驗分析及存在的問題

該數控脈沖電源最終實現的輸出為：脈沖電壓幅值5V～36V，占空比0%～75%，頻率50Hz～20 kHz。圖6為電源輸出不同參數的脈沖電壓波形。

根據短電弧加工實驗結果可知，該短電弧機床數控脈沖電源設計方法有效可行，能為短電弧加工提供穩定的持續高能脈沖，達到了預期的加工效果，并滿足設計指標。但在實驗過程中該電源存在著如下問題：①電源在低頻時波形趨于理想，但在高頻段時，開關管出現無法關斷的情況，導致波形發生畸變成為非方波脈沖（如圖6（b））；②單片機編程計算產生驅動信號，但在高頻段時容易產生死機現象；③放電回路必須嚴格布線，否則產生較大分布電感，導致回路續流二極管承受大電流而被擊穿。所以有待于進一步對電源系統改進，以完善電源的各功能。

5 結論

針對短電弧加工技術機理，研制了專門應用于短電弧加工領域的數控脈沖電源。電源由穩壓直流電源和直流斬波模塊組成，具有工作穩定可靠、響應快、效率高等優點。通過短電弧加工實驗驗證了該數控脈沖電源設計方案的可行性，可基本滿足短電弧加工的需要，但也存在著若干設計上的問題，有待于進一步的完善。

圖5 電源主電路仿真模型

圖6 輸出不同參數的脈沖電壓波形圖

［1］ 張華洋，周建平．基于電火花加工機理分析的短電弧加工技術機理初探［J］．制造技術與機床，2008（11）：38－42．

［2］ Bellar Ｍ Ｄ．A review of soft－switched DC－AC converters［J］．IEEE Trans，1998，34（4）：847－860．

［3］ 黨懷東，王有云．基于Buck Chopper電路多相多重拓撲結構的直流穩流電源的設計與實現［J］．電氣傳動自動化，2009，31（2）：26－30．

［4］ 張海峰，劉永紅．高效電壓調節型電火花脈沖電源的設計［J］．中國石油大學學報，2009，33（6）：116－120．

［5］ 賀巖斌，王志鵬．高功率脈沖電源的研制［J］．電力電子技術，2011，45（5）：78－80．

［6］ 林飛，杜欣．電力電子應用技術的MATLAB仿真［M］．北京：中國電力出版社，2008．