基于FPGA多输出电火花线切割脉冲电源的研制

徐志伟，方伟文，张永俊，吴涛，梁远标

（1.广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510006，2.杭州诺贝尔集团有限公司，浙江 杭州 311100）

基于FPGA多输出电火花线切割脉冲电源的研制

徐志伟1，方伟文2，张永俊1，吴涛1，梁远标1

（1.广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510006，2.杭州诺贝尔集团有限公司，浙江 杭州 311100）

针对自主研制的多工位同步电火花线切割机床，研制了一种多路输出的脉冲电源，其原理类似于单路输出脉冲电源，但采用了四路直流斩波拓扑结构.采用了 FPGA作为控制器实现输出电压大小、频率和占空比的控制，并对各输出回路电压、电流信号进行采集，通过反馈控制对各支路进行保护.设计了基于触摸屏的人机交互系统，使电源的操作更加方便简单.

电火花线切割；脉冲电源；多输出；FPGA

电火花线切割加工已成为机械加工行业一种不可或缺的重要加工方式.脉冲电源作为电火花线切割机床的关键组成部分，其性能直接影响电火花线切割加工的效率、稳定性以及工件表面质量［1］.

在轮胎模具加工中，需要根据轮胎型号、规格不同而将其切割为 8、12、16等份.传统的轮胎模具加工采用切割方式一条条槽顺序切割，但此方式存在应力分布不均，工件产生变形，且加工效率极低等问题.同时也有方案提出采用多台机床分布在工作台的四周同时进行切割，但这使得成本、占地面积急剧增加.因此，当前轮胎模具切割已成为影响轮胎模具加工质量、效率的最主要的原因之一.本文针对大型环装零件分块切割加工效率低、变形量大的问题，采用多输出电火花线切割机床对此类加工应用具有电源体积小，成倍地提高加工效率，解决环装零件变形等重要意义.

1 电源的总体方案设计

本文提出针对专用的四工位电火花线切割机床设计四路独立输出的脉冲电源.多路输出脉冲电源与单路输出脉冲电源基本原理一样，因此根据全桥逆变拓扑结构设计了一个电压可调的共用直流电源，再由 FPGA控制器发送PWM3脉冲信号，经光耦隔离后放大控制四路功率开关管通断进行斩波，最终得到四路脉冲电源.其原理图如图 1所示，当其中某一支路发生短路时，经过检测电路反馈至控制器，控制器发出信号分别对共用直流电源和各斩波支路同时关断.这样使得各支路加工的同时进行从而保证了各加工部分变形量一致.

电路主要由包括 EMI滤波、整流滤波、全桥逆变器、高频电压器、二次整流滤波、斩波输出、PWM控制、检测电路、快速短路保护电路等组成.

图1 电路整体结构图

1.1 可调直流主电路

直流电源主电路采用全桥逆变拓扑结构［2］，如图2所示.输入220V交流电经EMI滤波，防止电源和电网之间相互干扰，经整流器、滤波电路得到平滑约为 310V的 Uin直流高电压，由FPGA控制器发送PWM1和PWM2脉冲信号经光耦隔离后驱动放大控制全桥逆变器功率开关管IGBT的通断进行逆变得到交变脉冲电压，经高频变压器变压得到高频交流低电压，再经过二次整流滤波得到可调直流电源，根据PWM调制原理，由FPGA控制器控制输入到全桥逆变器的PWM1和PWM2实现电源输出峰值电压的调节［3］.

图2 直流主电路示意图

1.2 驱动电路

全桥逆变器的驱动模块采用 KD202模块，其外围电路如图3所示.PWM1和PWM2信号由FPGA控制器发出，经光耦隔芯片 HCPL2630，主要是数字地和模拟地隔离，最后输出至KD202.三极管 Q1、Q4和 Q2、Q3构成互补的射级输出端，其优点是减轻 PWM控制 IC的负担，特别适合应用在频率较高、被驱动的功率管较大的场合，此芯片输出+15V电压和-8V电压，可满足驱动全桥逆变主电路的要求［4］.

图3 驱动电路与驱动波形图

1.3 斩波电路

斩波电路的功率开关管使用 MOSFET功率器件，斩波信号驱动芯片使用 KA101，该芯片具有三段式过电流保护机制，即先降栅压，再通过延迟判断，确定短路时再实行软关断，同时封锁短路信号并执行一个完整地保护过程，能可靠的保护电源［5］.

如图4所示，由FPGA控制器发送PWM3信号分别发到功率器件 Q11、Q12、Q13、Q14，分别进行斩波.最后得到四路直流脉冲方波.斩波部分实现输出电压的频率和占空比可调节.

图4 单路输出斩波电路和驱动波形图

1.3 检测电路

检测电路包括电流检测电流和电压检测电路.采样间隙电压在二次整流之后即U0的值.采样电阻分压法来检测两极之间的间隙电压.电流采样使用霍尔传感器作为检测过电流的器件，实现快速过流保护的功能.采集到的电流电压信号将通过A/D转化后进入FPGA控制系统. A/D转化模块采用平均电压采样检测方法.A/D转换模块以 1Msps以上的采样速率采集电压值，并在 FPGA中计算平均电压值，以此来判断放电状态.FPGA接收到比较器和A/D转化模块输入的检测信号后，由FPGA做简单的处理，得出实时放电状态的反馈信息，由此对放电状态进行检测，再通过串行通信输入给上位机.采用TLV1572串行逐次逼近型数模转换芯片，采用5V电源供电，最高采样速率可达 1.25Msps，具有自动节电和内部采样保持功能.在TLV1572前端加上光耦隔离芯片HCN201，如图 5所示，可以使模拟地与数字地完全隔离.在HCNR201前后均加油高速运放芯片，使得HCNR201芯片降低电路中的干扰，更加运行稳定.

在电源加工过程中，电流和电压经过检测反馈到FPGA控制器中的PWM1、PWM2、PWM3模块，实时调整输出电压和电流.当电源发生过压、过流和短路等故障时，可迅速关断电源保证电源、电极丝和工件的安全.

图5 电压检测

图6 电流检测

1.4 保护电路

快速短路保护系统是脉冲电源的重要组成部分，它不仅要保护电源系统不致损坏，同时还要防止电极和工件在短路时发生烧伤［5］.保护电路的原理是高增益反相误差放大器，在其反相输入端输入设定的参考电压 （对应一定保护电流、电压门槛值），正相输入端输入电流电压采样信号，当检测到过流或过压时，对会在比较器的输出端输出保护.

为了安全起见，本电路经 LM219（电压比较器）二次放大.本保护电路除了具有电流保护功能外，还有电压保护功能，可防止变压器故障输出高电压而造成电路损坏.LM219的每个封装内有两个独立收比较器，可由 5V单电源供电.其转换速度快，输入偏置电流小，输出部分具有独立的地线引出端，输出与TTL/RTL/DTL电容相容.LM219的灵敏度高，能对弱小信号进行比较，是一种输出功率较大的精密电压比较器，广泛用于控制、测量等电子系统中.如图所示为驱动继电器电路、此外为了保护电源还设计了 LM219芯片构成窗口比较器将真有效值转换后的电压信号 Udc接到比较器 LM219的引脚 5和引脚10，与基准电压1（引脚4输入电压 U1）和基准电压（引脚10输入电压U2）比较.当Udc＜Ud2或者Udc＞U1时，认为欠流或者过流，输入为高电平，经光耦隔离，并将电平转换后输入FPGA.

图7 保护电路图

2 FPGA控制系统及人机界面的设计

控制系统的核心为 FPGA，其内部设计包括：硬件逻辑部分、NiosⅡ软核部分、Analon总线部分以及 RS232通信部分等.FPGA硬件逻辑设计主要包括 AD采样模块、过流检测模块［6］.

人机界面的设计是用软件虚拟按钮来替代传统的物理按钮，既可以节省物理空间，且界面直观友好，操作方便［5］.也使得电源系统数字化集成化.触摸屏的设计主要包括人机界面的设计和通信协议的编写.

图8 控制系统与触摸屏界面图

图9 电源输出波形图

3 实验结果

电源输出电压为 60～120V、频率为 1～30K，占空比为 0.1～0.9，且都为连续可调.检测多槽电火花线切割脉冲电源的输出波形，得到电源的输出波形如图所示：脉冲电源电压可调节为60V、70V、80V、90V， 脉 冲 频 率 1K、5K、10K、15K，占空比 0.1、0.2、0.3、0.4.

4 结语

研制出一套用于多工位电火花线切割脉冲电源，该电源采用逆变加斩波的电路结构，减小了电源的体积，保证了多路输出电源的一致性，对于大型环装零件的线切割能保证加工效率、变形量小.其输出电压、频率、占空比连续可调.具有完善的短路保护系统，当加工发生过流或短路时，能很好地保护电源功率器件免受过流损坏，同时提高电源的可靠性.FPGA的应用，使输出电压、脉冲频率和占空比连续可调.通过触摸屏，将电源与控制系统基于一体，便于操作.

［1］刘晋春,白基成，郭永丰.特种机加工［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［2］王志强.开关电源设计［M］.电子工业出版社，2005.

［3］张淼，冯垛生，现代电力电子技术与应用，北京：中国电力出版社［M］.2006.

［4］Keith Billings著，张占松，王仁皇，谢丽萍 译，开关电源手册［M］.2006.

［5］钟文明,张永俊.基于 dsPIC单片机的电火花线切割脉冲电源的研制［J］.电加工与模具，2014.

［6］田耀杰,刘石安，吴蓉.基于 FPGA电火花加工脉冲电源的设计［J］.华侨大学，2014电子测试.

［责任编辑：王晓军］

Xu Zhiwei1,FANG Weiwen2,Zhang Yongjun1,Wu Tao1,Liang Yuanbiao1

(1.Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006;2.Hangzhou nabel group co.,LTD,Hangzhou 311100)

Research of Multi-output WEDM Pulse Power Supply Based on FPGA

For self-developed multi-station synchronous WEDM,a multi-output pulsed power supply was researched.The principle of the pulsed power supply is the same as the principles of the single output pulse power, the main structure of the full-bridge topology DC main circuit output plus four independent branch chopper.By FPGA as the controller sends a pulse signal to control the PWM modulation output voltage magnitude,frequency and duty cycle.Ensure a consistent pulse signal of each branch,so the same parameters as the electrical output of each end.Collection for each output circuit voltage and current signals,after internal processing by FPGA output feedback signal for each branch protection.When one of one or more channels fails,the other circuit continues to work to ensure efficiency.Designed based on interactive touch-screen system,make the operation more convenient and simple power supply.

wire cutting;power supply;multiple output;FPGA

TH 162

A

1672-402X（2016）08-0057-04

2016-03-10

国家自然科学基金“多槽同步电火花线切割放电特性与控制模式研究”（批准号：51275098）

徐志伟（1990-），男，江西南昌人，硕士研究生，研究方向：电火花线切割脉冲电源.