基于DSP 的高頻高能脈沖電解電源設(shè)計(jì)

曾令燎，劉 偉，郭鐘寧，賈雪奎

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

電解加工具有加工速度快、表面質(zhì)量好、不受材料強(qiáng)度、硬度、韌性限制的優(yōu)良性能，在許多硬質(zhì)材料和形狀復(fù)雜的零件加工中取得了很好的應(yīng)用。研究表明，高頻窄脈沖電流的電解加工電源較低頻脈沖電流或直流電解加工電源，在精度、表面質(zhì)量、效率及穩(wěn)定性方面都有明顯提高。近年來(lái)，通過(guò)縮小加工間隙、熱去除、加入超聲波等提高了電解加工精度，同時(shí)對(duì)電源的要求也越來(lái)越高，要求能與進(jìn)給系統(tǒng)通信、交替進(jìn)行、在小間隙條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作。采用微控制器的脈沖電源，使電解加工的系統(tǒng)可靠性得到提高，在擴(kuò)展性及通信方面更好地滿(mǎn)足加工要求。以DSP 為電源控制核心，實(shí)現(xiàn)了輸出頻率20～50 kHz，占空比0.3～0.9 連續(xù)可調(diào)，峰值電流50 A 可調(diào)，電壓6～40 V 可調(diào)的脈沖電源。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

脈沖電源分兩級(jí)，經(jīng)三相整流濾波，前級(jí)主電路DC－DC 變換器采用ZVS 移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制器采用TI 高性能DSP 芯片TMS320F28027 為核心，利用該芯片強(qiáng)大的ePWM 模塊實(shí)現(xiàn)移相，切換控制輸出電流和電壓；后級(jí)脈沖電路采用并聯(lián)斬波，利用MSP430G2553 實(shí)現(xiàn)輸出頻率、占空比可調(diào)及顯示。脈沖電源整體原理結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 脈沖電源原理圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZVS 移相全橋與并聯(lián)斬波電路設(shè)計(jì)

對(duì)于大功率開(kāi)關(guān)電源，常采用移相全橋DC－DC變換，在UCC3875、UCC3879 等直流開(kāi)關(guān)電源中有過(guò)不少成功的案例。移相全橋在效率、性能上已是非常成熟的電路。對(duì)于本文的中大功率脈沖電源，采用ZVS 移相全橋結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，減少后級(jí)尖峰。主電路與脈沖斬波電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 主電路結(jié)構(gòu)圖

本電源分兩級(jí)，前級(jí)采用移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功率管采用IGBT 模塊BSM35GB120DLC（1 200 V，35 A）。因?yàn)楹蠹?jí)輸出為低壓、大電流場(chǎng)合，采用IRFP2907 場(chǎng)效應(yīng)管并聯(lián)斬波。IRFP2907 的擊穿電壓為75 V，連續(xù)電流209 A，具有極小的導(dǎo)通電阻4.5 mΩ，由于對(duì)單管留有足夠的余量，采用4 個(gè)管并聯(lián)均勻分布。

變壓器是變換器的核心，采用了具有高磁導(dǎo)率的鐵鈷非晶作為變壓器。由于功率較小，故采用風(fēng)冷式。為了便于制作與安裝，變比采用18：1，次級(jí)變壓器線(xiàn)圈單軋多股分布，并聯(lián)穿過(guò)磁芯并焊接到銅板上，易與整流管安裝。

2.2 防同臂導(dǎo)通保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路的好壞影響開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而影響整個(gè)電路的效率。針對(duì)前級(jí)全橋電路，高壓小電流，后級(jí)低壓大電流，為使開(kāi)關(guān)管能完全導(dǎo)通和關(guān)斷，采用M57962L 驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)電壓輸出+15 V，－12 V，驅(qū)動(dòng)電流0.5 A。驅(qū)動(dòng)電路見(jiàn)圖3。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路圖

由于前級(jí)橋臂電路會(huì)出現(xiàn)同臂導(dǎo)通擊穿IGBT的危險(xiǎn)，當(dāng)控制器復(fù)位或上電時(shí)，易發(fā)生4 個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)同時(shí)為高電平的現(xiàn)象。通過(guò)加入簡(jiǎn)單的邏輯電路，對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)做了保護(hù)，防止同臂管同時(shí)導(dǎo)通的可能。驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)電路見(jiàn)圖4。

圖4 驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路圖

M57962L 的每個(gè)模塊都需兩路電源供電，正電壓可達(dá)18 V，負(fù)電壓最低至－15 V，且不能與其他共地。全橋電路需四路兩輸出電源供電，如用變壓器單獨(dú)供電，需多路變壓器輸出，顯得系統(tǒng)復(fù)雜。通過(guò)UC3842 設(shè)計(jì)一個(gè)四輸出的開(kāi)頭電源，加入7812 三端穩(wěn)壓管，7812 的輸出端作為驅(qū)動(dòng)電路的地，解決了驅(qū)動(dòng)電路供電復(fù)雜的問(wèn)題。圖5 是電路中一組電源的結(jié)構(gòu)。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路電源圖

2.3 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

由于脈沖電流采集困難，本脈沖電源采用恒流電源控制模式，在次級(jí)整流后串接一個(gè)大電感濾波，不接濾波電容，利用電感電流不能突變的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)恒流控制。電流傳感器接在地端時(shí)易受后級(jí)斬波干擾，其安裝位置見(jiàn)圖1 電流I 反饋處。電流檢測(cè)電路見(jiàn)圖6。

圖6 電流采集電路圖

2.4 改進(jìn)同步脈沖電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

盡管AD 采樣速度很快，該DSP 轉(zhuǎn)換時(shí)間最高可達(dá)216.67 ns，但在低電平時(shí)也檢測(cè)到低電壓，如采用同步檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)較困難。采用脈沖電壓直接比較反饋，當(dāng)電壓超過(guò)預(yù)定值時(shí)，輸出波形也為脈沖；如采用直流控制方法，在一個(gè)周期里控制器會(huì)有一部分時(shí)間檢測(cè)為過(guò)壓狀態(tài)，一部分時(shí)間為欠壓狀態(tài)，平行點(diǎn)不易把握，在輸出占空比變化時(shí)，平行點(diǎn)更不易控制。

針對(duì)脈沖電壓在低電平時(shí)誤判為欠壓狀態(tài)，引入了電平觸發(fā)D 觸發(fā)器，在低電平時(shí)能保持高電平時(shí)的狀態(tài)。電平觸發(fā)D 觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)及波形見(jiàn)圖7。該D 觸發(fā)器由一片六路兩輸入高速與非門(mén)組成。CLK 信號(hào)為驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)信號(hào)；D 信號(hào)是經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)，負(fù)載電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí)的信號(hào)，為脈沖信號(hào)。由于受器件延時(shí)影響，會(huì)有一段延時(shí)輸出，延時(shí)時(shí)間與器件有關(guān)，兩信號(hào)波形如圖7b CLK和D 所示。CLK為高電平時(shí)，當(dāng)反饋D 為高電平時(shí)，Q 為電平。當(dāng)CLK 從高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，反饋信號(hào)D 仍然為高電平，Q 也為高電平。在一個(gè)周期里，如果輸出電壓高于設(shè)定值，Q 輸出只在很小一段時(shí)間內(nèi)是低電平，如果是脈沖采集在低電平時(shí)都為低電平。如果D 信號(hào)一直是低電平，Q 也一直是低電平。這樣，采用比較法，利用控制器內(nèi)部比較器實(shí)現(xiàn)電壓脈沖峰值電壓控制。

圖7 D 觸發(fā)器結(jié)構(gòu)與波形圖

脈沖電壓采集電路見(jiàn)圖8。輸出電壓經(jīng)電位器分壓取樣，經(jīng)高速精密運(yùn)放跟隨輸入至比較器同相端，與精密低溫漂基準(zhǔn)電壓源經(jīng)精密線(xiàn)性光耦隔離放大至比較器反相端比較，再經(jīng)快速無(wú)源光耦隔離，接入D 觸發(fā)器D 輸入端，驅(qū)動(dòng)信號(hào)接入D 觸發(fā)器CLK 端，Q 輸出至控制器調(diào)節(jié)前級(jí)PWM 寬度，使輸入脈沖電壓峰值穩(wěn)定在設(shè)定值。

圖8 脈沖電壓采集電路圖

通過(guò)采用此結(jié)構(gòu)的檢測(cè)電路，在低電平時(shí)能鎖住高電平時(shí)的狀態(tài)，使控制器快速響應(yīng)穩(wěn)定輸出狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)輸出脈沖峰值電壓可調(diào)，并能實(shí)現(xiàn)控制與主電路很好的隔離。由于并聯(lián)斬波驅(qū)動(dòng)信號(hào)與反饋信號(hào)相反，接入D 觸發(fā)器的信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路延時(shí)，CLK 信號(hào)需接一個(gè)非門(mén)反相，如果接的是一個(gè)延時(shí)反相器，延時(shí)時(shí)間便可減少。圖9 是實(shí)測(cè)D 與CLK、Q 與CLK 的信號(hào)，延時(shí)為0.5 μs。

圖9 脈沖電壓實(shí)測(cè)波形圖

電源主回路采用TMS320F28027 為控制器，通過(guò)反饋調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的PWM 實(shí)現(xiàn)控制，并聯(lián)斬波開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為MSP430 產(chǎn)生，利用電位器調(diào)節(jié)占空比和頻率。本脈沖電源可實(shí)現(xiàn)電流型與電壓型控制。電壓型控制時(shí)，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部比較器實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)，采樣電流再與設(shè)定電流值比較，與進(jìn)給系統(tǒng)通信調(diào)節(jié)間隙。在電流型輸出時(shí)，通過(guò)內(nèi)部AD采樣實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)，再檢測(cè)電壓狀態(tài)，與進(jìn)給系統(tǒng)通信調(diào)節(jié)間隙。電流型與電壓型模式加工，能保持電流、電壓的穩(wěn)定，通過(guò)預(yù)設(shè)的參數(shù)與進(jìn)給系統(tǒng)通信調(diào)節(jié)間隙，再控制電解液的壓力，使流場(chǎng)也保持穩(wěn)定，從而使加工更穩(wěn)定，提高了加工精度。

2.5 邏輯控制電路設(shè)計(jì)

控制電路分為主電路移相全橋和脈沖斬波電路。移相全橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)由DSPTMS320F28027 四路高分辨率ePWM 產(chǎn)生，控制變換器，并顯示當(dāng)前電流值、電壓值、加工狀態(tài)、故障報(bào)警等信息。斬波電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)由MSP430 定時(shí)器1 實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器，調(diào)節(jié)并顯示當(dāng)前頻率和占空比，與DSP 通過(guò)SCI 通信，發(fā)送當(dāng)前的頻率和占空比給DSP，經(jīng)DSP處理，通過(guò)RS232 發(fā)送給進(jìn)給系統(tǒng)調(diào)節(jié)間隙?？刂破髡w原理見(jiàn)圖10。

圖10 控制電路框圖

3 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)分為MSP430 設(shè)計(jì)和DSP 程序設(shè)計(jì)。MSP430 主程序流程見(jiàn)圖11a，上電初始化參數(shù)，等待DSP 開(kāi)啟信號(hào)，剛開(kāi)始時(shí)，PMW 以最大占空比輸出，防止負(fù)載有輸出，待DSP 檢測(cè)到等于啟動(dòng)電流時(shí)，啟動(dòng)MSP430PWM 輸出。DSP 主程序流程見(jiàn)圖11b，利用該DSP 的4 個(gè)通道的12 位AD，分別在電流模式或電壓模式下對(duì)設(shè)定電流、電壓、實(shí)際電流采集處理，并與進(jìn)給系統(tǒng)調(diào)節(jié)間隙，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定加工。系統(tǒng)并中對(duì)變壓器初級(jí)電流檢測(cè)，防止后級(jí)反饋延時(shí)而導(dǎo)致前級(jí)電流過(guò)大帶來(lái)的危險(xiǎn)。

圖11 主程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以電解加工系統(tǒng)作為負(fù)載，陰極為外徑8 mm、內(nèi)徑2 mm 的黃銅電極，陽(yáng)極為1Cr18Ni8Ti 不銹鋼板，電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5 %NaNO3與3 %NaCl 溶液，間隙通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)控制在0.1～0.5 mm。

圖12 分別是在電壓24 V 時(shí)，不同頻率和占空比的實(shí)驗(yàn)波形。采用該改進(jìn)電壓檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)電壓模式控制。由于檢測(cè)波形中尖峰電壓較大，可通過(guò)幾級(jí)RC、RCD 吸收電路以減少尖峰電壓。

圖12 不同頻率和占空比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖13 是頻率40 kHz、占空比50 %時(shí)，不同電壓的實(shí)驗(yàn)波形。其中圖13a 是無(wú)吸收電路波形，其他都是帶吸收電路的輸出波形。通過(guò)結(jié)合電壓檢測(cè)電路及控制方法，可使輸出電壓穩(wěn)定在0.5 V 以?xún)?nèi)，比以往的控制精度大大提高。如采用高精度的基準(zhǔn)源、運(yùn)放及延時(shí)時(shí)間的控制，精度還能進(jìn)一步提高。

圖13 不同電壓的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的脈沖電源調(diào)節(jié)操作較靈活，驅(qū)動(dòng)電路有自帶的保護(hù)措施，提高了電源的整體安全性，采用合適的器件，在惡劣的電解加工環(huán)境中能保持穩(wěn)定性，解決了窄脈沖電壓難以檢測(cè)控制的問(wèn)題。

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