[發明專利]一種電火花脈沖電源單周期控制的動態調節策略

在審

• 申請號: 202111146165.6
• 申請日: 2021-09-28
• 公開（公告）號: CN114024464A
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 楊飛;張建超;劉亞運;張開翔;李玉坤;王新鵬;李磊
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H02M9/00
• 分類號: H02M9/00;H02M9/02;H02M3/157;H02M3/158;B23H1/02;B23H11/00
• 代理公司: 北京華沛德權律師事務所 11302
• 代理人: 馬苗苗

本發明公開了一種電火花脈沖電源單周期控制的動態調節策略，通過預測開關管的占空比，使電路快速進入穩態，從而解決單周期非線性控制的超調和次諧波震蕩問題。電火花脈沖電源主功率拓撲為Buck電路，采樣電路對輸入電壓信號、輸出電壓信號和輸出電流信號進行實時采樣并送進FPGA中，FPGA判斷電路狀態并根據動態調節策略預測電路進入穩態所需要的占空比。該方法根據電流采樣值與參考值的差值，判斷電路狀態，電路在電流動態調節階段或次諧波震蕩狀態時啟動動態調節策略，調整電流波形。該方法能有效去除超調引起的電流波形尖刺，改善加工質量，同時快速解決電流的震蕩，維持輸出穩定。

技術領域

本發明屬于電火花線切割、成形電火花等多場合大功率加工高頻脈沖電源控制領域，尤其是涉及一種電火花脈沖電源單周期控制的動態調節策略。

背景技術

隨著我國對高硬度、高熔點、高脆性等新型材料、復雜異形結構和高精密核心零部件 等加工需求的迅猛發展，現代綠色智能高端加工設備的研發和設計能力亟待提高。電火花 加工是一種非傳統加工技術，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。電火花加工可對各類導體和半導體材料、特別是傳統機械接觸式加工難于或不能加 工的高硬度、高強度、高熔點、高韌性、高脆性等特殊材料、特殊結構以及復雜形狀零部 件進行高效、精密加工，在微精加工制造領域發揮著重要的、甚至是不可或缺的作用。

脈沖電源是電火花加工機床的重要組成部分，早期大多數電火花加工機床采用非獨立 式或晶體管式脈沖電源，這種電源能夠輸出穩定的脈沖波形，但是輸出波形單一，且能量 利用率不高。隨著電力電子技術的發展，新的電路拓撲和控制技術被引入脈沖電源中，新 的電路拓撲包括基于Buck的節能式電源、基于Flyback拓撲的微細電火花電源、基于LLC 和LCL的諧振式電源等，新的控制技術包括自適應控制、線性非線性結合控制、直接電流 控制等。近年來，有學者提出一種單周期非線性電流控制方法，這種控制方法能夠快速調 節脈沖電源輸出電流，動態響應能力好，電流跟隨性好，穩定性強，適合應用于電火花電源控制中，通過電流參考值，電源能夠輸出不同波形和幅值的電流，極大豐富了脈沖 電源的輸出波形，有利于電火花加工條件的進一步探究。單周期非線性電流控制算法是 一種基于電火花加工間隙性質的電流直接控制方法，能夠使輸出電流迅速跟上參考值， 輸出期望的電流波形，但由于動態時擬合占空比與理想值有差距，電流動態調節時會產 生過沖，造成輸出波形出現尖刺，同時，當電路穩態占空比大于0.5時，電路會產生次 諧波震蕩，造成系統失穩，因此需要提出一種電流動態調節補償策略，用于解決電流過 沖和次諧波震蕩問題。

已有研究提出了解決超調和次諧波震蕩的方法，對于傳統PID控制，通過降低比例系數、增大積分常數和合理匹配微分常數來降低超調，但傳統方法調節時間長，不能滿 足高動態要求；解決次諧波震蕩問題的方法通常為斜坡補償技術，這種技術已經較為成 熟，經典的斜坡補償技術通過單一的補償斜率對電流環進行補償，這種方式補償斜率固 定，不能滿足不同占空比的電路要求；分段斜坡補償設定了不同占空比下不同的斜坡補 償斜率，改善了固定補償斜率的缺陷，但是不能滿足不同開關頻率的需要；指數型斜坡 補償方案實現了補償斜率隨頻率的連續變化，并且在不同頻率下的補償斜率調節更為精 準，但是這種方法的動態性能不夠好，不能滿足電火花加工要求。因此提出一種單周期 控制的動態調節策略，通過預測電路到達穩態的占空比，使電路能夠在1～2個開關周期 內到達穩態，滿足不同占空比需求，適應不同的開關頻率，動態響應好。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對背景技術的缺陷，在于提供一種電火花脈沖電源 單周期控制的動態調節策略，有效去除超調引起的電流波形尖刺，同時解決電流次諧波震蕩問題。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：