[發明專利]基于FPGA的納秒級微能脈沖電源

有效

• 申請號: 200910045051.5
• 申請日: 2009-01-08
• 公開（公告）號: CN101474698A
• 公開（公告）日: 2009-07-08
• 發明（設計）人: 趙萬生;蔣毅;顧琳;康小明
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B23H1/02
• 分類號: B23H1/02
• 代理公司: 上海交達專利事務所
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及一種特種加工技術領域的脈沖電源，具體地說，涉及的是一種基于FPGA(現場可編程門陣列)的納秒級微能脈沖電源。

背景技術

微細電火花加工沿襲了普通電火花加工宏觀作用力小，非接觸加工等特點，成為了微制造領域里一種重要的精密加工方法，在航空航天，汽車，生物制藥等行業發揮著重要作用。微細電火花加工技術的不斷發展，對微細電火花加工使用的脈沖電源提出了更高的要求。由于電火花加工利用電極間周期發生的火花放電所產生的能量來蝕除金屬，因此，微觀意義上的單次放電對宏觀意義上的加工結果的影響就很巨大。對微細電火花加工來講，采用小而可控的單個脈沖放電能量，更容易獲得好的加工效果。目前，普遍認為微細電火花加工適合的單個脈沖放電能量應不超過10^-6J，這就要求微細電火花加工用脈沖電源具備不同于普通電火花加工電源的特殊能力。

微細電火花加工電源呈現出短脈寬和低電壓的兩大發展趨勢。電火花加工的單個脈沖放電能量可表示為：W=∫0tu(t)·i(t)dt,]]>式中，u為極間電壓，i為放電電流，t為單個脈沖的放電時間。對于獨立式脈沖電源，可以通過降低脈寬來縮短單個脈沖的放電時間，在20～30V的火花放電維持電壓下降低單個脈沖的放電能量，從而提高微細加工的精度。對于RC電源，則可通過降低放電電壓來減小單個脈沖放電能量，減小極間距離，增加放電頻率，獲得好的加工效果。

微細電火花加工電源主要有非獨立式的RC電源和獨立式電源兩種形式。獨立式電源具有脈沖易于控制，放電能量可控的特點，但受到開關元件的結構限制，較難做到很窄的脈寬，使它的應用受到了制約。RC電源容易獲得較窄的脈寬和較小的單個脈沖放電能量，但存在單脈沖能量難以控制，脈沖能量不均勻，工藝參數不穩定的缺點。

經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利號98243556.，名稱為：新型電火花加工脈沖電源，該專利提出了可控RC電源的概念，既保持了普通RC電源單個脈沖放電能量小的特點，又能較精確的對他的放電電壓，能量，和脈沖寬度進行控制。但是，現有的微細電火花加工用脈沖電源受元器件性能的限制，很難達到很小的脈寬，在對微細電火花加工放電狀態的檢測方面存在單一化的問題，沒有針對不同的脈寬和脈間范圍采取不同的檢測手段。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于FPGA的納秒級微能脈沖電源，整合現有不同微細電火花用脈沖電源的優勢，具有高頻、微能、脈沖寬度和放電能量可調的特點。

本發明是通過如下技術方案實現的，包括脈寬調制與檢測部分，以及主放電回路部分。其中，脈寬調制與檢測部分包括FPGA(現場可編程門陣列)、光耦、比較器、A/D轉換模塊、顯示與報警模塊、脈沖寬度輸入模塊；主放電回路部分包括功率管驅動模塊、充放電回路模塊、放電能量調節模塊。它們之間的連接方式為：FPGA產生的脈沖信號通過光耦隔離后，輸出到功率管驅動模塊的輸入端，功率管驅動模塊將輸入的脈沖信號放大，產生供驅動充放電回路模塊用的驅動信號。充放電回路模塊的輸出電壓加載到電火花加工機床的電極與工件，并且，充放電回路模塊的輸出經衰減后連接到比較器和A/D轉換模塊，比較器和A/D轉換模塊的輸出端連接到FPGA，由FPGA處理得出放電狀態信息。FPGA通過串行電纜將這些放電狀態信息輸出到上位機。FPGA的輸出端連接到顯示與報警模塊，顯示當前的脈沖寬度和脈沖間隔，脈沖寬度輸入模塊連接到FPGA供脈寬調制時作輸入。放電能量調節模塊連接到主放電回路部分中的充放電回路模塊，調節加工脈沖的開路電壓和儲能電容的容值。