[发明专利]基于FPGA的纳秒级微能脉冲电源

说明书

技术领域

本发明涉及一种特种加工技术领域的脉冲电源，具体地说，涉及的是一种基于FPGA(现场可编程门阵列)的纳秒级微能脉冲电源。

背景技术

微细电火花加工沿袭了普通电火花加工宏观作用力小，非接触加工等特点，成为了微制造领域里一种重要的精密加工方法，在航空航天，汽车，生物制药等行业发挥着重要作用。微细电火花加工技术的不断发展，对微细电火花加工使用的脉冲电源提出了更高的要求。由于电火花加工利用电极间周期发生的火花放电所产生的能量来蚀除金属，因此，微观意义上的单次放电对宏观意义上的加工结果的影响就很巨大。对微细电火花加工来讲，采用小而可控的单个脉冲放电能量，更容易获得好的加工效果。目前，普遍认为微细电火花加工适合的单个脉冲放电能量应不超过10^-6J，这就要求微细电火花加工用脉冲电源具备不同于普通电火花加工电源的特殊能力。

微细电火花加工电源呈现出短脉宽和低电压的两大发展趋势。电火花加工的单个脉冲放电能量可表示为：W=∫0tu(t)·i(t)dt,]]>式中，u为极间电压，i为放电电流，t为单个脉冲的放电时间。对于独立式脉冲电源，可以通过降低脉宽来缩短单个脉冲的放电时间，在20～30V的火花放电维持电压下降低单个脉冲的放电能量，从而提高微细加工的精度。对于RC电源，则可通过降低放电电压来减小单个脉冲放电能量，减小极间距离，增加放电频率，获得好的加工效果。

微细电火花加工电源主要有非独立式的RC电源和独立式电源两种形式。独立式电源具有脉冲易于控制，放电能量可控的特点，但受到开关元件的结构限制，较难做到很窄的脉宽，使它的应用受到了制约。RC电源容易获得较窄的脉宽和较小的单个脉冲放电能量，但存在单脉冲能量难以控制，脉冲能量不均匀，工艺参数不稳定的缺点。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利号98243556.，名称为：新型电火花加工脉冲电源，该专利提出了可控RC电源的概念，既保持了普通RC电源单个脉冲放电能量小的特点，又能较精确的对他的放电电压，能量，和脉冲宽度进行控制。但是，现有的微细电火花加工用脉冲电源受元器件性能的限制，很难达到很小的脉宽，在对微细电火花加工放电状态的检测方面存在单一化的问题，没有针对不同的脉宽和脉间范围采取不同的检测手段。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于FPGA的纳秒级微能脉冲电源，整合现有不同微细电火花用脉冲电源的优势，具有高频、微能、脉冲宽度和放电能量可调的特点。

本发明是通过如下技术方案实现的，包括脉宽调制与检测部分，以及主放电回路部分。其中，脉宽调制与检测部分包括FPGA(现场可编程门阵列)、光耦、比较器、A/D转换模块、显示与报警模块、脉冲宽度输入模块；主放电回路部分包括功率管驱动模块、充放电回路模块、放电能量调节模块。它们之间的连接方式为：FPGA产生的脉冲信号通过光耦隔离后，输出到功率管驱动模块的输入端，功率管驱动模块将输入的脉冲信号放大，产生供驱动充放电回路模块用的驱动信号。充放电回路模块的输出电压加载到电火花加工机床的电极与工件，并且，充放电回路模块的输出经衰减后连接到比较器和A/D转换模块，比较器和A/D转换模块的输出端连接到FPGA，由FPGA处理得出放电状态信息。FPGA通过串行电缆将这些放电状态信息输出到上位机。FPGA的输出端连接到显示与报警模块，显示当前的脉冲宽度和脉冲间隔，脉冲宽度输入模块连接到FPGA供脉宽调制时作输入。放电能量调节模块连接到主放电回路部分中的充放电回路模块，调节加工脉冲的开路电压和储能电容的容值。