基于SOPC技术的微细电火花加工电源的研究

刘祥发，郭钟宁，彭世康，杜轩宇，张 会

（广东工业大学机电工程学院，广东广州510006）

基于SOPC技术的微细电火花加工电源的研究

刘祥发，郭钟宁，彭世康，杜轩宇，张 会

（广东工业大学机电工程学院，广东广州510006）

针对目前微细电火花加工放电状态复杂、难确定和集成性不足等问题，设计了基于可编程片上系统（SOPC）技术的微细电火花脉冲电源。电源可发送加工脉冲信号，采用并行数字采集信号模块采集电压及电流信号，能判断每个脉冲的放电状态，控制伺服电机的工作，并及时切断无效有害脉冲，提高加工效率和加工精度。同时开发了电源人机交互界面，实现了电源和微细电火花加工机床的实时通讯功能。利用该电源在自主开发的多功能微细加工机床上进行微细孔加工实验，证明了所设计的电源能进行稳定高效的加工。

微细电火花加工；SOPC；并行数字采集；微细孔

微细电火花加工技术具有低加工应力、无毛刺、可加工高硬度材料等优点，是微细轴孔型腔及三维结构的主要加工手段，在航空航天、汽车、生物医疗仪器等行业发挥着重要作用[1-4]。微细电火花加工利用电火花脉冲电源使电极周围产生周期性火花放电，进而产生能量来蚀除工件材料，微能脉冲电源是微细电火花加工系统的重要组成部分，直接决定着微细电火花加工过程的稳定性及加工精度。研究表明，采用小而可控的单个脉冲放电能量能获得更好的加工效果。目前研究较多的有独立式脉冲电源及RC式脉冲电源，且普遍认为微细电火花加工的最小单个脉冲放电能量应不超过10-6J[5]。对于独立式脉冲电源，常用方法是通过降低脉宽来缩短单个脉冲的放电时间，从而实现降低单个脉冲的放电能量，加工过程中存在较高的间隙维持电压，一般为20～30 V；对于RC式脉冲电源，可通过降低电源电压或减小极间等效电容的方法来降低单个脉冲的放电能量。李文卓等[6]通过试验证明RC式脉冲电源不存在维持电压，能更好地实现微能量的电火花纳米尺度加工。

本文研究从实现小而可控的脉冲能量出发，针对微细电火花加工电源稳定性与集成性不足的问题，设计基于可编程片上系统（SOPC）技术的微细电火花脉冲电源。SOPC系统是一个软硬件复合系统，它集合了FPGA（field-programmable gate array）即现场可编程门阵列的硬件与NiosⅡ（FPGA嵌入式处理器）的软核优势，使FPGA扩展接口有限的缺点得到改善。设计的电源系统集成了在线放电状态实时检测模块、电源脉冲输送模块、电机驱动模块及人机交互通讯模块，能及时切断有害脉冲，具有较高的稳定性、可控性和可拓性。在实验室自行研制的多功能微细加工机床上进行了微小孔加工实验，取得了较好的加工效果。

1 电源设计

1.1 电源系统总体结构设计

脉冲电源总体结构设计方案见图1。主要包括：由市电经整流滤波及由FPGA驱动BUCK斩波电路得到的可调稳压直流模块；由FPGA输出脉冲驱动信号经放大后驱动RC脉冲主电路的脉冲发生模块；由采用间隙平均电压及电流信号采集形成的放电状态检测模块；由数据采集卡、PC机和伺服驱动器组成的伺服驱动模块。

图1 电源结构总体设计方案

本设计主要由SOPC控制系统为核心，集成了该电源系统的所有模块，芯片以EP4C15F17C8型的FPGA芯片为核心，电源采用可调稳压恒压方式进行控制，电压与电流反馈信号经低通滤波、八位高速并行采集A/D转换和FIR数字滤波后，将数字信号输送给FPGA进行处理，从而判断出电火花加工状态，并对伺服电机进行运动控制。触摸屏通过RS232串口与逻辑电路进行数据交换，实现对电源的参数控制与实时监控。

1.2 电源硬件逻辑实现

1.2.1 RC主电路驱动

目前，独立式电源和非独立式RC电源是微细电火花加工脉冲电源的主要研究应用领域。独立式电源要获得窄脉宽与开关元件的性能有关，因此受到制约，而非独立式RC电源则相对更易获得较窄的脉宽和较小的单个脉冲放电能量。针对文献[7]所提到的可控RC电源，克服了RC电源单脉冲能量的一致性难以控制、工艺参数不稳定的缺点，成为微细电火花加工脉冲电源的研究主流。

本文设计的RC脉冲电源主回路见图2。实现微细电火花加工的特点是高频、微能、窄脉宽，电流峰值不能超过晶体管的电流峰值，RC电源的放电能量可近似用电容存储能量代替，即：

式中：U为给电容充电的开路电压；C为主回路中的标称电容；C′为分布的杂散电容值。

为了降低极间放电能量，减少直流电压值和设置标称电容的大小是一个有效的方法。但回路中的杂散电容值C′是由机床及工具、工件的相对导电面积、距离、电源馈线形式及长短决定的，且难以消除，在放电过程中会储存一定能量，制约了脉冲放电能量的进一步降低。而通过降低充电电压U，不仅能获得小能量脉冲，还能降低杂散电容的储存能量。

图2 电源主电路

为了获得高频窄脉宽的放电能量，对晶体管的特性提出了要求。电容的充电特性为电容电压与时间成指数曲线关系，即：

式中：UC为电容两端电压；U0为开路直流电压；R为充电电阻，其与电容C的乘积为电容的充电时间参数；t为晶体管开通到关闭的导通时间。

电容的放电电流可表示为：

式中：I为放电电流；R′为放电回路限流电阻；t′为加工时间。

通过对主回路中电容的充电及放电特性分析，当要获得高频微能脉冲时，要求电容有较短的充电时间；当t=3RC时，UC便达到U0的95%[8]，故可通过减少充电电阻阻值和充电电容来解决。当t=3RC=100 ns时，假设取C=1 nF，则R=33 Ω，设加工电压70 V时的晶体管应承受的最大电流Imax=2.1 A；当电容进行放电时，假设脉宽为1 μs，最小限流电阻设为10 Ω，电源设计中以继电器选择限流电阻控制加工电流进行加工，则晶体管应承受的最大电流I′max= 2.7 A。所选取的晶体管参数应具备耐压值高，即漏源极击穿电压VDSS＞120 V；承受的连续漏极电流ID＞3 A；具备较陡的上升及下降沿，栅极容量Qg较小。根据这些特性选取了MOSFET晶体管IRF840作为本次设计电源的开关元件。图3是电源在频率100 kHz、脉宽1 μs下的空载电压波形，场效应管对电容的充放电间存在1 μs死区，由图3可看出，该场效应管能有效地对电容进行充放电，获得加工窄脉宽。

图3 电源空载波形

场效应管U3是为了保证极间在脉间时段内的电压始终为0，有利于极间充分消电离，极间状态得到充分恢复，从而减少拉弧现象，提高工件表面质量。当U1开通时，U2关断，U3开通，电容充电，极间通过U3进行成分消电离，保持极间电压为0；当U1关断时，U2开通，U3关断，电容通过工件和电极之间进行放电加工。场效应管的开通和关断通过MOSFET专用驱动芯片TPS2812进行驱动，负责将SOPC系统处理器的驱动信号进行放大驱动。

1.2.2 并行A/D数据采集及保护电路

微细电火花加工大致可分为开路、火花加工、过渡电弧、有害电弧、短路等加工状态，其加工过程复杂多变，涉及电参数、物理、化学等多因素影响，因此，高效电火花加工系统一直是微细电火花加工的研究热点。

本文采用并行A/D采集方法对极间间隙电压进行采集分析，并采用ACS712芯片对加工电流进行转换，再通过有效均值计算芯片AD637对极间加工电流进行短路电流判断检测，通过与比较器进行电流比较后，经嵌位限幅电路后输入SOPC触发电平进行电源保护，其设计电路见图4。ACS712是带2.1 kVRMS电压绝缘及低电阻电流导体的全集成、基于霍尔效应的线性电流传感器，具有低噪音模拟信号路径和极稳定的输出偏置电压。AD637是一个完整的高精度单机转换器，它能计算任何复杂波形的真有效值、平均值、均方值、绝对值等，且能分贝输出，具有高精度、宽频带及动态性良好的特点。

图4 电流信号采集及短路保护电路图

A/D电路由高速AD芯片AD9280、AD8056构建的衰减电路和信号输入接口组成，每个时钟周期并行，同时采集8位数据。AD9280是单芯片、单电源、8 bit、32 MSPS模数转换器，内部集成了采样保持放大器和电源基准源，利用多级流水线架构实现低功耗高速数据转换，能将整个转换精度分成低精度的单阶子转换器，各阶段的结果在时序控制下通过数字校准电路实现高精度的数据转换。由Signal Tap II采集到的数据波形见图5。在40 M晶振周期下，每个时钟周期都能采集到8位有效数值，所构建的A/D转换电路能有效采集加工电压每个脉冲的极间电压数据，经数据处理后，可精准判断加工状态，及时切断有害脉冲，避免拉弧，保证工件表面精度，提高加工效率。

图5 Signal Tap II并行采集信号显示

1.2.3 人机交互设计

为实现对微细电火花加工电源的实时检测及通讯，利用可编程片上系统（SOPC）可裁减、可升级、可扩充且具备软硬件系统可编程的特点，采用NiosII系列32位RSIC嵌入式软核及Avalon总线在软核处理器与外围设备之间实现数据连接，进而实现电源与机床控制系统的实时通讯，提高微细电火花加工系统的自动化程度和可操作性。电源系统的人机交互界面见图6。

图6 人机交互界面

2 工艺实验

2.1 实验条件

为了验证设计的微细电火花加工电源的加工稳定性，在实验室多功能微细加工机床上进行了微细孔加工实验（图7）。机床主要包括圆盘大理石平台、立式滑台、主轴及微三维平台，并用多轴运动控制卡DMC2610控制立式滑台的运动与主轴旋转。主轴旋转精度为1 μm，立式滑台分辨率为1 μm，微三维运动平台的最小分辨率为0.1 μm。

图7 多功能微加工实验平台

实验采用蒸馏水作为工作液，与煤油相比，蒸馏水加工时不会产生污染，且冷却速度快、流动性好、危险系数低。实验所用工具电极为直径100 μm的钨电极，工件为厚度500 μm的不锈钢板，工具电极接电源正极。

2.2 加工波形及实验结果

在频率100 kHz、占空比20%、开路电压80 V的加工条件下，用示波器取得的加工波形见图8。可看出，在加工过程中，放电加工期的极间不存在维持电压，满足上述RC放电不存在维持电压、适合微纳加工的理论。同时，该电源具备很好的反馈作用机能，在检测到短路状态时能及时回退，切断有害脉冲，且在消电离后能及时自动进给，保持连续加工，具备良好的加工状态。

在开路电压为60、80、100 V的情况下，保持频率100 kHz、占空比20%进行连续加工实验，得到最小值为150 μm的微小孔，其表面光滑无毛刺，加工效果见图9。由此可知，开路电压的大小直接影响电火花加工的能量大小，同时验证了所设计电源的加工稳定性和连续性。

图8 微细电火花加工波形图

图9 在不同电压下的微小孔加工

3 结束语

通过可控RC放电实现了单个放电脉冲可控能量小的微细加工，设计了基于SOPC的高度集成化微细电火花加工电源，具有可拓性强、稳定性高的特点。通过高速并行数据采集能实现对加工状态的精准判断，避免有害加工，加工表面精度高。同时，电源设计结合了电火花加工工艺特点，实现了与微细电火花加工系统的实时通讯，可操作性强。实验结果表明，本文设计的电源能进行高效稳定的加工，对微细电火花加工电源的高度集成化具有一定的指导意义。

[1] 陈伦军，李刚，赵万生.微细特种加工的最新研究进展[J]．电加工与模具，2006（3）：24-28．

[2] 李立青，郭艳玲，白基成，等.电火花加工技术研究的发展趋势预测[J]．机床与液压，2008，36（2）：174-178．[3]TAKEZAWA H，HAMAMATSU H，MOHRI N. Developmentofmicro-EDM-center with rapidly sharpened electrode[J]．Journal of Materials Processing Technology，2004，149（1-3）：112-116.

[4] 宋博岩，刘明宇.微细电加工脉冲电源的研究进展[J].电加工与模具，2007（S1）：30-33.

[5] 高毅.基于电火花加工机床脉冲电源的研究现状与发展趋势[J].科技信息，2008（6）：78-79.

[6] 李文卓，颜国正，蔡彬，等.RC脉冲电源维持电压问题的研究[J]．电加工与模具，2005（4）：10-13．

[7] 霍孟友，艾兴，张建华.电火花精微加工脉冲电源设计[J].新技术新工艺，1999（6）：7-8.

[8] 贾宝贤.微细特种加工系统及加工技术的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005.

Study on Micro EDM Power Supply Based on SOPC Technology

Liu Xiangfa，Guo Zhongning，Peng Shikang，Du Xuanyu，Zhang Hui
（School of Electro-mechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

In order to solve the problems that electrical discharging states in Micro EDM is complicated and lack of integration，a pulse generator for micro electro-discharge based on SOPC is designed.The power source can transmit and process pulse signal.By using parallel digital signal acquisition module to get voltage and current signal，the generator can tell discharging status of each pulse，thus controlling servo motor and cutting off invalid and harmful pulse in time，which greatly improvesmachining efficiency and accuracy.Besides，man-machine interface ofgeneratoris developed，which turns real-time communication functions of micro EDM controlled machine tool into reality.An experiment about micro-hole processing was carried out on a micro EDM controlled machine tool using this generator，which is developed by our lab.And it turned out that this generator is capable of high efficiency and stable machining.

micro EDM；SOPC；parallel digital signal acquisition；micro-hole

TG661

A

1009－279X（2016）06－0015-04

2016-08-05

国家自然科学基金资助项目（51275098）

刘祥发，男，1991年生，硕士研究生。