可编程纳秒双脉冲集成电源的制作方法.docx

文档介绍：该【可编程纳秒双脉冲集成电源的制作方法 】是由【开心果】上传分享，文档一共【17】页，该文档可以免费在线阅读，需要了解更多关于【可编程纳秒双脉冲集成电源的制作方法 】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。可编程纳秒双脉冲集成电源的制作方法
专利名称:可编程纳秒双脉冲集成电源的制作方法
技术领域:
本发明属于电源技术领域和微细加工技术领域,具体是一种适用于微细电化学加工的可编程纳秒双脉冲集成电源。
背景技术:
利用纳秒及以下级持续时间的超短脉冲电流去除材料时,电化学加工能够将电化学蚀除的局限在电极顶尖部位的微-纳尺寸范围,极大限制蚀除中的杂散腐蚀,成功实现微米级尺寸的微细零件的加工,精度可达几百纳米。随着脉冲宽度的减小,精度明显提高。相较于其他微细加工方法,微细电化学加工具有非接触、无切削力、无热熔除等特点,已经在某些特殊的微细加工场合获得较好效果,利用这种工艺,德国FrizJfaber研究所、美国的IBM以及国内的南京航空航天大学、哈尔滨工业大学等机构先后制作了微米量级的微孔、槽、坑与其他微细结构。电源及其品质是微细电化学加工的关键影响因素,高频、窄脉宽脉冲电源是微细电化学加工的重要研究内容。目前,微细电化学加工电源尚处在实验室阶段,尚存在参数调节范围有限,功能较为单一等问题。
发明内容
针对上述问题,结合微细电化学加工的发展,本发明采用大规模可编程逻辑器件,从调整方便性、易于系统集成等角度出发,提出一种可编程纳秒双脉冲集成电源,具体技术
方案如下一种可编程纳秒双脉冲集成电源,包括调压与整流电路和斩波电路,所述调压与整流电路输入端连接工频交流电,调压与整流电路输出端连接斩波电路的输入端,斩波电路的输出端即为本电源输出端;所述斩波电路的输出端分别连接工具电极和加工工件;斩波电路连接有高频控制电路,由高频控制电路输出控制信号控制斩波电路的输出,进而控制工具电极和加工工件中的电流方向,即在工具电极与工件之间得到要求的正负脉冲;所述控制电路包括高频逻辑控制电路和放大电路,高频逻辑控制电路输出高频逻辑控制信号,该信号经放大电路放大后,得到控制斩波电路的控制信号。所述高频控制电路是以MCU为核心的电路;MCU连接有串行通讯接口、人机接口;MCU输出逻辑控制参数给高频逻辑控制电路,高频逻辑控制电路响应MCU读写时序,接收脉冲参数;再完成逻辑运算,输出高频控制信号。这种设计使MCU可以用两种模式对电源输出的双脉冲信号进行设置与编程通讯模式(通过串行通讯接口与上位计算机通信)与键盘模式(由人机接口的输入键盘来实现)。所述斩波电路包括4只开关管Qi、Q2、Q3和Q4,它们分别接收来自控制电路的控制信号SpnSyS2和IiS1和Q2连接,使QpQ4导通时,电流由调压与整流电路的正极依次经Q1和Q4流到调压与整流电路的负极;Q3和Q4连接,使Q2、Q3导通时,电流由调压与整流电路的正极依次经
Q3和Q2流到调压与整流电路的负极;本电源的输出端中,工具电极连接在Q1和Q2之间,加工工件连接在Q2和Q4之间;Si、IiS1为高电压时,S2、nS2为零电压,Q^Q4饱和导通,Q2、Q3截止,电流经Q1由测试工具电极流向被测工件,而后经过Q4到电源负极,工具电极接电源正极,工件接负极,形成正向脉冲电流;
S2,nS2为高电压时,S1,IiS1为零电压,Q2>Q3饱和导通,Q1^Q4截止,电流经Q3由工具流向工件,而后Q2到电源负极,工具接电源负极,工件接电源正极,形成负向脉冲电流;SpIiSpS2和IiS2均为零电压时,Q1Q4同时截止,流过工具与工件的电流为零。所述高频逻辑控制电路输出高频控制逻辑信号VlV4,它们经驱动后输出VTlVT4,其中,VT2和VT3分别对应输出IiS1和nS2,且VT2与nS^VT3与nS2保持同相;VTl和VT4分别对应输出S1和S2,且VTl与S”VT4与S2保持反相;VTl和VT4分别作为放大电路的输入控制;放大电路包括与VTl和VT4分别对应的高速开关管Q6和Q7;Q6和Q7的集电极进过上拉电阻连接所述调压与整流电路输出端的正极,且Q6和Q7的集电极信号分别作SS1和S2信号。所述调压与整流电路包括整流滤波电路和电压调节电路;所述整流电路是由整流桥和滤波电容构成;所述电压调节电路包括MCU、控制脉冲发生器、光耦D1、功率三极管08与滤波电容C5构成;所述D1的输入端连接在整流桥的直流输出端与控制脉冲发生器之间,所
述0工的输出端连接整流桥的直流输出端与Q8的基极之间,Q8的集电极连接整流桥的直流输出正极Vd;Q8的发射极通过下拉电阻接地,下拉电阻两端并联滤波电容C5,且滤波电容C5两端即为电压调节电路的输出端;所述电压调节电路的MCU与所述高频控制电路共用同一MCU。本电源还设有保护电路;所述保护电路包括高速光耦D2、定时计数电路,高速开关管99、高速开关管Qltl和MCU;所述定时计数器的输出端连接MCU的输入端;所述D2的输入端连接在高电平与Qltl的集电极之间,D2的输出端连接定时计数电路的输入端;所述Q9和Qki的集电极相互连接;所述Qltl的发射极通过隔离电阻与Q9的基极连接;在Qltl的发射极与工具电极连接;所述Q9的发射极通过隔离电阻与Qltl的基极连接;在Q9的发射极与加工工件连接;所述保护电路的MCU与所述高频控制电路共用同一MCU。所述开关管Q1Q4是高速开关管。所述高频逻辑控制电路、控制脉冲发生器和定时技术电路集成在同一可编程逻辑器件中(例如CPLD)。本电源适于电化学微细加工。与现有技术相比,本发明根据微细加工技术的发展,结合微细电化学加工的工艺特点,面向微细加工系统,提出适于微细电化学加工电源的双脉冲纳秒框架结构,先后完成了主电路、控制逻辑电路、控制逻辑芯片等的设计与控制系统软件设计。由于电路中设计了专用逻辑控制芯片,运算速度快,脉冲频率高。同时,系统提供专用键盘与
RS232设置参数,参数设置方便,易于接入微细电化学加工系统。采用液晶显示,电源参数一目了然,人机界面友好。测试实验表明,信号脉宽、脉间能够控制在20ns以下,参数调节范围宽,方便,易于加工系统的计算机控制。
总体来说,本发明脉宽调节范围宽、最小脉宽窄、脉冲频率高、参数设置方便,易于接入微细电化学加工计算机数控系统,能够且易于实现电源参数的在线实时调整。
图1是本脉冲电源主电路示意图;图2是本脉冲电源的功能原理框图;图3是本脉冲电源控制电路原理示意图;图4是本脉冲电源的理想输出示意图;图5是逻辑控制电路的高频信号输出仿真;图6是电压调节电路原理示意图;图7是保护电路原理示意图;图8是本脉冲电源的软件主流程示意图;图9a和图9b是单脉冲加工电压波形示意图;图IOa和图IOb是双脉冲加工电压波形示意图。
具体实施例方式下面结合附图与具体实施方式
对本技术方案作进一步说明(本例中,开关管Q1Q4是高速开关管。)。在图示电路中,220V工频交流电首先经降压变压,而后后进入全桥整流与电容滤波电路,得到加工要求的直流电压。控制电压SpIiS1为高电压时,S2、nS2为零电压,开关管QpQ4饱和导通,Q2>Q3截
止,电流经Q1由工具电极流向工件,而后经过Q4到电源阴极,工具电极接电源阳极,工件接阴极,形成正向脉冲电流;控制电压S2、nS2为高电压时,S1,IiS1为零电压,Q2>Q3饱和导通,Q1^Q4截止,电流经03由工具电极流向工件,而后Q2到电源阴极,工具电极接电源阴极,工件接电源阳极,形成负向脉冲电流;两组控制电压均为零电压,开关管Q1-Q4同时截止,流过工具电极与工件的电流为零。通过适当的控制逻辑,动态地改变控制电压组SpnS1与S2、IiS2的高、低电压状态,实现开关管Q1-Q4的顺序通断,即在工具电极与工件之间得到要求的正负脉冲。。受到运算速度限制,系统中的单片机只负责电源参数的显示、逻辑控制参数的读写、串行通讯,键盘输入及处理等实时性要求较低的任务。系统的高频控制信号由控制逻辑实现,由于输出电压与输出电流的限制,控制逻辑的输出信号并不能直接用于实际加工,需要电压放大电路把控制逻辑输出的低电压信号转换为加工需要的加工电压,即图1中的控制电压组31、1^1与52、1^2。控制电压组SpIiS1与S2、nS2作用到图1所示的斩波电路上,使开关管Q1-Q4动态地工作在截止或深度饱和状态,为工件_工具电极对提供加工电流。系统提供两种模式对电源输出的双脉冲信号进行设置与编程通讯模式与键盘模式。由于通讯数据量较少,同时微细加工对电源的控制实时性要求不高,加之串口通
讯简洁可靠,在工业现场应用较为广泛,因而系统选用串行通讯实现电源与主控计算机的数据交互。通过串行通讯接口RS232,微细加工系统主控计算机可以直接对双脉冲的脉宽、脉间、峰值电压调整、正负脉冲数之比等参数进行设定通讯波特率选择115200B/S;由于按键较少,系统采用独立式键盘,直接送单片机Pl口供单片机检索。这里的单片机系统指单片机最小系统,包括时钟电路与复位电路等。,产生高频脉冲控制信号,结构如图3,主要由单片机及外围电路、CPLD及控制逻辑、总线驱动及后级的电压放大电路构成。电路中的单片机选用深圳宏晶科技的STC12C5A60S2系列的8位高速单片机,内部集成64K的FLASH、1280字节的RAM、8路8位的AD转换器。由于电源运行中要处理、存储的数据量不大,系统无外扩的数据存储器,只使用单片机内部RAM作为数据存储。实现高频脉冲信号控制逻辑的可编程逻辑器件采用Altra公司的EPM7160STC100系列的CPLD,基准时钟为100M有源晶振,通过对基准时钟计数CPLD实现高频脉冲的脉宽、脉间、峰值电压调整等控制。为增强控制信号的驱动能力,在CPLD的输出信号V1-V4后增加一片总线驱动芯片74LS245,用74LS245的对应输出VT1、VT4作为电压放大电路的输入控制。图中电压放大电路中的Q6、Q7选用2N2369系列高频开关管,最高开关速度
20ns;电容C1-C4选用104瓷片电容,Vdc为220V工频交流电经降压整流滤波后得到的直流电源。电源工作过程中,单片机接收串口传输或键盘输入的脉冲参数,根据基准时钟计算脉宽与脉间、峰值电压调整的数值,将得到的相应计数值与正负脉冲个数比送入实现逻辑控制的CPLD,CPLD对基准脉冲计数,定时输出相应的控制信号,经总线驱动器与电压放大电路得到主电路的控制电压组SpnS1与S2、nS2。经过Q6、Q7,电压放大电路输入VT1、VT4与输出Si、S2反相,VT2与IiS1、VT3与输出IiS2保持同相。①响应单片机读写时序,接收脉冲参数;②完成逻辑运算,输出高频控制信号V1-V4等,具有较高的逻辑复杂性与实时性要求,选用CPLD器件EPM7160STC100实现。脉冲电源的理想输出如图4。根据波形特点,将电源输出分为正脉冲脉宽(状态①)、正脉冲脉间(状态②)、负脉冲脉宽(状态③)与-负脉冲脉间(状态④)等四个状态,对应逻辑控制电路的4个相应工作状态。完成控制逻辑的EPM7160响应100M的基准时钟上升沿,通过16位计数器实现图中的脉宽、脉间控制,通过4位计数器控制一个输出循环内正负脉冲的数量,控制逻辑的状态转换及条件如下
1)正脉冲脉宽计数结束且正脉冲计数未完,则状态①转②;2)正脉冲脉间计数结束,则状态②转为状态①;3)正脉冲脉宽计数结束且正脉冲计数结束,则状态
①转④;
4)负脉冲脉间计数结束,则状态④转③;5)负脉冲脉宽计数结束且负脉冲计数未完,则状态③转④;6)负脉冲脉宽计数结束且负脉冲计数结束,则状态③转②。以基准时钟作为敏感量,用VHDL设计进程PROCESS实现上述状态转换。在状态①,逻辑控制电路输出VpV3送出低电平,V2、V4送出高电平,使SpnS1输出高电压,S2、nS2输出零电压,图1的仏、94导通,Q2、Q3截止,电源输出正脉冲脉宽;在状态②,VpV4送出高电平,V2、V3送出低电平,SpnSpS1与HS1输出零电压,Qi、Q2、Q3、Q4截止,电源输出正脉冲脉间;在状态④,各控制信号与电路状态与状态②相同;在状态③,V”V3为高,V2、V4为低,01、04截止,Q2、Q3导通,电源输出负脉冲脉宽。实际设计中,从增强电源通用性出发,增加了单脉冲输出功能。脉冲参数中,如果负脉冲个数为零,则电源输出单向正脉冲,此时控制逻辑状态转换条件简化为1)正脉冲脉宽计数结束,则状态①转②;2)正脉冲脉间计数结束,则状态②转为状态①;设计进程PROCESS时,如果负脉冲个数为零,则调用双脉冲波形状态变换;反之,调用单脉冲波形的状态变换。图5为双脉冲波形的逻辑控制电路的高频信号输出仿真,其中elk为基准时钟,Pulsej与PUlse_p为脉宽计数值与脉间计数值,此处分别设置为3和1;n2与nl为一个工作循环的正负脉冲个数,分别设置为3
和1。在状态①,VpV3为低,V2、V4*高,信号保持3个基准时钟周期;状态②,V1,V4为高,V2,V3为低,信号保持1个时钟周期;状态③,V1,V3为高,V2、V4为低,信号保持3个时钟周期;状态④,H为高,V2、V3为低,信号保持1个时钟周期;同时,正脉冲含3个脉宽和脉间,负脉冲周期含1个脉宽与脉间,各控制信号状态符合上述的波形分析及图中设定值。单片机读写逻辑控制则通过双向口的原理实现。、控制脉冲发生器、光耦D1、功率三极管Q8与滤波电容C5构成,原理如图6所示,其中的Vd为工频220v交流电压经降压、整流滤波后得到的直流电压,电压调节通过改变控制脉冲的占空比实现。调节电压时,单片机根据设定电压计算控制脉冲的占空比,得到控制脉冲的脉宽与脉间计数值,送入CPLD。CPLD根据相应计数值对基准脉冲计数,产生控制脉冲。脉宽计数时,CPLD输出低电平,光耦D1的发光二极管亮,光敏三极管导通,;脉间计数时,CPLD输出高电平,发光二极管不亮,光敏三极管关断,电容C5放电。滤波电容C5选用3300μF电解电容,它频繁的充放电过程形成直流电压VDC。占空比越小,Vdc比Vd小的越多,占空比越大,Vdc越接近于Vd。、定时计数电路(CPLD),开关管Q9、Q1(1与单片机构成,原理如图7所示。图中的