專利名稱：基于fpga的納秒級(jí)微能脈沖電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種特種加工技術(shù)領(lǐng)域的脈沖電源，具體地說(shuō)，涉及的是一種基 于FPGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)的納秒級(jí)微能脈沖電源。
背景技術(shù)：
微細(xì)電火花加工沿襲了普通電火花加工宏觀作用力小，非接觸加工等特點(diǎn)， 成為了微制造領(lǐng)域里一種重要的精密加工方法，在航空航天，汽車，生物制藥等 行業(yè)發(fā)揮著重要作用。微細(xì)電火花加工技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)微細(xì)電火花加工使用 的脈沖電源提出了更高的要求。由于電火花加工利用電極間周期發(fā)生的火花放電 所產(chǎn)生的能量來(lái)蝕除金屬，因此，微觀意義上的單次放電對(duì)宏觀意義上的加工結(jié) 果的影響就很巨大。對(duì)微細(xì)電火花加工來(lái)講，采用小而可控的單個(gè)脈沖放電能量， 更容易獲得好的加工效果。目前，普遍認(rèn)為微細(xì)電火花加工適合的單個(gè)脈沖放電 能量應(yīng)不超過(guò)10—6J，這就要求微細(xì)電火花加工用脈沖電源具備不同于普通電火 花加工電源的特殊能力。
微細(xì)電火花加工電源呈現(xiàn)出短脈寬和低電壓的兩大發(fā)展趨勢(shì)。電火花加工的
單個(gè)脈沖放電能量可表示為『=^(0"0^，式中，U為極間電壓，i為放電
0
電流，t為單個(gè)脈沖的放電時(shí)間。對(duì)于獨(dú)立式脈沖電源，可以通過(guò)降低脈寬來(lái)縮
短單個(gè)脈沖的放電時(shí)間，在20 30V的火花放電維持電壓下降低單個(gè)脈沖的放電 能量，從而提高微細(xì)加工的精度。對(duì)于RC電源，則可通過(guò)降低放電電壓來(lái)減小 單個(gè)脈沖放電能量，減小極間距離，增加放電頻率，獲得好的加工效果。
微細(xì)電火花加工電源主要有非獨(dú)立式的RC電源和獨(dú)立式電源兩種形式。獨(dú) 立式電源具有脈沖易于控制，放電能量可控的特點(diǎn)，但受到開(kāi)關(guān)元件的結(jié)構(gòu)限制， 較難做到很窄的脈寬，使它的應(yīng)用受到了制約。RC電源容易獲得較窄的脈寬和 較小的單個(gè)脈沖放電能量，但存在單脈沖能量難以控制，脈沖能量不均勻，工藝
參數(shù)不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。
4經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利號(hào)98243556.，名稱為新型電火 花加工脈沖電源，該專利提出了可控RC電源的概念，既保持了普通RC電源單個(gè) 脈沖放電能量小的特點(diǎn)，又能較精確的對(duì)他的放電電壓，能量，和脈沖寬度進(jìn)行 控制。但是，現(xiàn)有的微細(xì)電火花加工用脈沖電源受元器件性能的限制，很難達(dá)到 很小的脈寬，在對(duì)微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)的檢測(cè)方面存在單一化的問(wèn)題，沒(méi)有 針對(duì)不同的脈寬和脈間范圍采取不同的檢測(cè)手段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于FPGA的納秒級(jí)微能 脈沖電源，整合現(xiàn)有不同微細(xì)電火花用脈沖電源的優(yōu)勢(shì)，具有高頻、微能、脈沖 寬度和放電能量可調(diào)的特點(diǎn)。
本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，包括脈寬調(diào)制與檢測(cè)部分，以及主放電 回路部分。其中，脈寬調(diào)制與檢測(cè)部分包括FPGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)、光耦、 比較器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、顯示與報(bào)警模塊、脈沖寬度輸入模塊；主放電回路部分 包括功率管驅(qū)動(dòng)模塊、充放電回路模塊、放電能量調(diào)節(jié)模塊。它們之間的連接方 式為FPGA產(chǎn)生的脈沖信號(hào)通過(guò)光耦隔離后，輸出到功率管驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端， 功率管驅(qū)動(dòng)模塊將輸入的脈沖信號(hào)放大，產(chǎn)生供驅(qū)動(dòng)充放電回路模塊用的驅(qū)動(dòng)信
號(hào)。充放電回路模塊的輸出電壓加載到電火花加工機(jī)床的電極與工件，并且，充 放電回路模塊的輸出經(jīng)衰減后連接到比較器和A/D轉(zhuǎn)換模塊，比較器和A/D轉(zhuǎn)換 模塊的輸出端連接到FPGA，由FPGA處理得出放電狀態(tài)信息。FPGA通過(guò)串行電纜 將這些放電狀態(tài)信息輸出到上位機(jī)。FPGA的輸出端連接到顯示與報(bào)警模塊，顯 示當(dāng)前的脈沖寬度和脈沖間隔，脈沖寬度輸入模塊連接到FPGA供脈寬調(diào)制時(shí)作 輸入。放電能量調(diào)節(jié)模塊連接到主放電回路部分中的充放電回路模塊，調(diào)節(jié)加工 脈沖的開(kāi)路電壓和儲(chǔ)能電容的容值。
所述充放電回路模塊的構(gòu)成為電阻R2的一端與肖特基二極管D的負(fù)端連 接，另一端與第一場(chǎng)效應(yīng)管M2的漏極連接；儲(chǔ)能電容C的一端與肖特基二極管 D的負(fù)端連接；第二場(chǎng)效應(yīng)管Ml的柵極連接到功率管驅(qū)動(dòng)模塊的正相脈沖輸出 端，第一場(chǎng)效應(yīng)管M2的柵極連接到功率管驅(qū)動(dòng)模塊的負(fù)相脈沖輸出端；肖特基 二極管D的正端與場(chǎng)效應(yīng)管的第二場(chǎng)效應(yīng)管Ml的漏極連接。
所述放電能量調(diào)節(jié)模塊的構(gòu)成為電阻R1的一端與直流電源V的正極連接，儲(chǔ)能電容C的另一端與直流電源V的負(fù)極連接。充放電回路模塊的兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管 Ml和M2的源極均與直流電源V的負(fù)極連接，第二場(chǎng)效應(yīng)管Ml的漏極與電阻Rl 的另一端連接。放電能量調(diào)節(jié)模塊具有電壓調(diào)節(jié)和電容調(diào)節(jié)兩種功能，電壓調(diào)節(jié) 用于調(diào)節(jié)直流電源電壓，電容調(diào)節(jié)用于調(diào)節(jié)充放電回路模塊中參與充放電過(guò)程的 儲(chǔ)能電容的容值和個(gè)數(shù)。
所述FPGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)為主要控制芯片，進(jìn)行脈寬調(diào)制的工作。 FPGA接入頻率50MHz以上的晶振，在50MHz的時(shí)鐘頻率下，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)的兩 個(gè)參數(shù)化計(jì)數(shù)器，保證其能產(chǎn)生最高頻率25MHz，脈沖寬度和脈沖間隔最小達(dá)到 20ns。
所述脈沖寬度輸入模塊能夠任意調(diào)節(jié)占空比的大小，脈沖寬度和脈沖間隔從 20ns 60ixs可調(diào)，并提供不同的脈沖調(diào)節(jié)步距以及復(fù)位功能。當(dāng)前的脈沖寬度 和脈沖間隔在顯示與報(bào)警模塊進(jìn)行顯示。
本發(fā)明中，F(xiàn)PGA輸出正向和反向的兩路脈沖信號(hào)，經(jīng)光耦隔離后，輸出給 功率管驅(qū)動(dòng)模塊，用于控制充放電回路模塊中場(chǎng)效應(yīng)管的通斷。在充放電回路模 塊中設(shè)置了兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管，采用低變驅(qū)動(dòng)方式，從漏極輸出電壓，分別控制儲(chǔ)能 電容的充電和放電。通過(guò)兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的交替開(kāi)關(guān)，使儲(chǔ)能電容的充放電過(guò)程分 離，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電容每次放電能量的可控制。通過(guò)放電能量調(diào)節(jié)模塊設(shè)置儲(chǔ)能 電容容值的大小，可以容易地將儲(chǔ)能電容中儲(chǔ)存的能量減小到10—8J，從而實(shí)現(xiàn) 小而可控的單次脈沖放電能量。在儲(chǔ)能電容的充電過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置放電能量調(diào) 節(jié)模塊中直流電源電壓和充電電阻的大小，可以調(diào)節(jié)儲(chǔ)能電容的充電速度，且可 以調(diào)節(jié)儲(chǔ)能電容充電所達(dá)到的電壓值，繼而調(diào)節(jié)極間的工作電壓；也可以通過(guò)調(diào) 節(jié)充電電壓的大小來(lái)調(diào)節(jié)極間的工作電壓。
所述比較器和A/D轉(zhuǎn)換模塊用于極間放電狀態(tài)的檢測(cè)，其中
比較器采用跳變邊緣檢測(cè)方法，用于脈寬脈間均大于200ns時(shí)候的檢測(cè)。比 較器檢測(cè)的是極間電壓的下降沿，通過(guò)在FPGA中下降沿的發(fā)生時(shí)間判斷該脈沖 是正常放電脈沖還是短路脈沖，或開(kāi)路脈沖。
A/D轉(zhuǎn)換模塊采用平均電壓采樣檢測(cè)方法，用于脈寬或脈間小于200ns時(shí)加 工狀態(tài)的檢測(cè)。A/D轉(zhuǎn)換模塊以1Msps以上的采樣速率采集電壓值，并在FPGA 中計(jì)算平均電壓值，以判斷放電狀態(tài)。所述FPGA接受到比較器和A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入的檢測(cè)信號(hào)后，由FPGA做簡(jiǎn)單 的處理，得出當(dāng)前放電狀態(tài)的反饋信息，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)放電狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)的功能， 并通過(guò)串行通信的方式輸出給上位機(jī)，為伺服機(jī)構(gòu)的控制提供依據(jù)。
本發(fā)明之所以采用兩種不同的檢測(cè)方法進(jìn)行極間放電狀態(tài)檢測(cè)，是因?yàn)槊}寬 和脈間的可調(diào)范圍很大(20ns 20iis)，而不同的脈沖周期下，所適合采用的檢 測(cè)方法也是不同的。經(jīng)過(guò)脈寬調(diào)制輸出的脈沖，在經(jīng)過(guò)功率管驅(qū)動(dòng)模塊和場(chǎng)效應(yīng) 管形成極間加工脈沖后，產(chǎn)生了一定的延時(shí)，這個(gè)延時(shí)約在50ns左右。如果脈 寬和脈間小于200ns，則脈寬調(diào)制產(chǎn)生的脈沖和極間加工脈沖之間的相位差異就 很大，較難用跳變邊緣檢測(cè)的方法獲得準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。因此，在小脈寬和小脈 間的情況下，采用平均電壓檢測(cè)法更為有效。而在脈寬和脈間較大的情況下，延 時(shí)占整個(gè)脈沖周期的比例很小，延時(shí)對(duì)跳變邊緣檢測(cè)法的影響也變得很小。此時(shí)， 采用跳變邊緣檢測(cè)法可以獲得每個(gè)脈沖的放電狀態(tài)，比平均電壓檢測(cè)法更為精確 可靠。因此，在脈寬和脈間較大的情況下，就采取跳變邊緣檢測(cè)的方法，來(lái)確定 放電狀態(tài)。
本發(fā)明采用FPGA同時(shí)完成脈沖電源的脈寬調(diào)制和放電狀態(tài)檢測(cè)任務(wù)，實(shí)現(xiàn) 與上位機(jī)的通訊，具有集成度高，柔性好，成本低的特點(diǎn)。FPGA正向高密度， 高速度，低功耗方向發(fā)展，能夠內(nèi)嵌DSP， MCU， RAM等模塊。本發(fā)明采用兩種不 同的放電狀態(tài)檢測(cè)方案，適應(yīng)了不同脈沖寬度和脈沖間隔條件下精確檢測(cè)的要 求。在本發(fā)明中集成兩種方法，有利于擴(kuò)大電源的應(yīng)用范圍，可以更有效地進(jìn)行 脈寬較大的粗加工和脈寬較小時(shí)的精加工，有利于提高加工效率。


圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖2為本發(fā)明實(shí)施例中采用的主放電回路部分中的充放電回路模塊和放電 能量調(diào)節(jié)模塊的示意圖中脈寬調(diào)制與檢測(cè)部分l，主放電回路部分2， FPGA 3，光耦4，功率 管驅(qū)動(dòng)模塊5，充放電回路模塊6，放電能量調(diào)節(jié)模塊7，比較器8， A/D轉(zhuǎn)換模 塊9，顯示與報(bào)警模塊IO，脈沖寬度輸入模塊ll，串行電纜12，上位機(jī)13，電 火花加工機(jī)床14。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖1所示，本實(shí)施例包括脈寬調(diào)制與檢測(cè)部分1和主放電回路部分2。其 中，脈寬調(diào)制與檢測(cè)部分1包括FPGA 3，光耦4，比較器8， A/D轉(zhuǎn)換模塊9， 顯示與報(bào)警模塊IO，脈沖寬度輸入模塊ll;主放電回路部分2包括功率管驅(qū)動(dòng) 模塊5，充放電回路模塊6，放電能量調(diào)節(jié)模塊7。
FPGA3產(chǎn)生的高電平3. 3V的輸出脈沖通過(guò)光耦4隔離后，輸出到功率管驅(qū) 動(dòng)模塊5的輸入端，功率管驅(qū)動(dòng)模塊5將輸入的脈沖放大到12V，產(chǎn)生供驅(qū)動(dòng)充 放電回路模塊6用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。充放電回路模塊6的輸出電壓加載到電火花加工 機(jī)床14的電極與工件，并且，充放電回路模塊6的輸出經(jīng)衰減后連接到比較器 8和A/D轉(zhuǎn)換模塊9，它們的輸出端連接到FPGA 3，由FPGA 3處理得出放電狀 態(tài)信息。FPGA 3通過(guò)串行電纜12將這些信息輸出到上位機(jī)13。 FPGA 3的輸出 端連接到顯示與報(bào)警模塊10，顯示當(dāng)前的脈沖寬度和脈沖間隔，脈沖寬度輸入 模塊11連接到FPGA 3供脈寬調(diào)制時(shí)作輸入。放電能量調(diào)節(jié)模塊7連接到主放電 回路部分2中的充放電回路模塊6，調(diào)節(jié)加工脈沖的開(kāi)路電壓和儲(chǔ)能電容的容值。
本實(shí)施例中，光耦4為邏輯光耦，其帶寬為DC 25MHz。
本實(shí)施例采用FPGA 3作為主要控制芯片，進(jìn)行脈寬調(diào)制的工作。具體的， 本實(shí)施例采用Actel公司的ProASIC3A3P250 FPGA，擁有25萬(wàn)個(gè)邏輯門，脈沖 電源所需的各個(gè)任務(wù)模塊均可以在FPGA中編程調(diào)試實(shí)現(xiàn)，節(jié)約了資源。在50MHz 的時(shí)鐘頻率下，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)參數(shù)化計(jì)數(shù)器，可以使FPGA 3輸出脈寬和 脈間最小達(dá)20ns的脈沖。
本實(shí)施例中，所述通過(guò)脈沖寬度輸入模塊11能夠任意調(diào)節(jié)占空比的大小， 脈沖寬度和脈沖間隔從20ns 60u s可調(diào)，并提供不同的脈沖調(diào)節(jié)步距以及復(fù)位 功能。當(dāng)前的脈沖寬度和脈沖間隔在顯示與報(bào)警模塊io進(jìn)行顯示。
如圖2所示，本實(shí)施例中，充放電回路模塊6和放電能量調(diào)節(jié)模塊7包括 電阻Rl和R2，儲(chǔ)能電容C，兩個(gè)M0SFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)Ml和 M2，肖特基二極管D，直流電源V。其中儲(chǔ)能電容C為兩個(gè)模塊公用的元器件。 連接線路為電阻Rl的一端與直流電源V的正極連接，另一端與場(chǎng)效應(yīng)管Ml
8的漏極連接；電阻R2的一端與肖特基二極管D的負(fù)端連接，另一端與場(chǎng)效應(yīng)管 M2的漏極連接；儲(chǔ)能電容C的一端與肖特基二極管D的負(fù)端連接，另一端與直 流電源V的負(fù)極連接；場(chǎng)效應(yīng)管Ml和M2的源極均與直流電源V的負(fù)極連接，場(chǎng) 效應(yīng)管M1的柵極連接到功率管驅(qū)動(dòng)模塊的正相脈沖輸出端，場(chǎng)效應(yīng)管M2的柵極 連接到功率管驅(qū)動(dòng)模塊的負(fù)相脈沖輸出端；肖特基二極管D的正端與場(chǎng)效應(yīng)管的 Ml的漏極連接。
上述電路中，直流電源V、電阻Rl和儲(chǔ)能電容C構(gòu)成了放電能量調(diào)節(jié)模塊7， 其中，直流電源V、電阻R1屬于電壓調(diào)節(jié)部分，儲(chǔ)能電容C屬于電容調(diào)節(jié)部分。 通過(guò)調(diào)節(jié)直流電源V和電阻Rl，可以調(diào)節(jié)儲(chǔ)能電容C的充電速度和開(kāi)路電壓， 從而調(diào)節(jié)放電能量；通過(guò)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能電容C的容值和個(gè)數(shù)，可以調(diào)節(jié)儲(chǔ)能電容C 在一定電壓下儲(chǔ)存的能量值，起到調(diào)節(jié)放電能量的作用。
電阻R2，儲(chǔ)能電容C，場(chǎng)效應(yīng)管M1和M2，肖特基二極管D，構(gòu)成了充放電 回路模塊6的結(jié)構(gòu)，其中，場(chǎng)效應(yīng)管Ml和M2是核心部件。場(chǎng)效應(yīng)管Ml和M2 的開(kāi)通與關(guān)斷，是由主放電回路部分2中功率管驅(qū)動(dòng)模塊5輸出的相位相反的兩 路脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)的。
控制儲(chǔ)能電容C充電和放電的場(chǎng)效應(yīng)管Ml和M2均采用低邊驅(qū)動(dòng)的方式，即 將場(chǎng)效應(yīng)管的漏極作為輸出端。場(chǎng)效應(yīng)管Ml和M2是交替通斷的。當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管 Ml關(guān)斷時(shí)，直流電源對(duì)儲(chǔ)能電容C進(jìn)行充電，而此時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管M2是開(kāi)通的， 場(chǎng)效應(yīng)管M2的漏極端電壓為零，電極之間電勢(shì)為零，處于脈沖間隔狀態(tài)，不發(fā) 生放電；當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管M1開(kāi)通時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管M1的漏極電壓為零，直流電源停止向 對(duì)儲(chǔ)能電容C的充電，此時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管M2關(guān)斷，場(chǎng)效應(yīng)管M2的漏極端電壓瞬間 上升到儲(chǔ)能電容C充電后所達(dá)到的電壓值，在電極之間形成一個(gè)脈沖，儲(chǔ)能電容 C儲(chǔ)存的能量釋放在電極之間的火花放電中。儲(chǔ)能電容C的充放電過(guò)程是分離的， 實(shí)現(xiàn)了單個(gè)脈沖放電能量的可控。
在場(chǎng)效應(yīng)管M1開(kāi)通，場(chǎng)效應(yīng)管M2關(guān)斷的情況下，場(chǎng)效應(yīng)管M1漏極端電壓 為零，而此時(shí)儲(chǔ)能電容C上卻有充電完成后形成的高電壓。為了阻止儲(chǔ)能電容C 中存儲(chǔ)的電量返經(jīng)場(chǎng)效應(yīng)管M1通道流失，在通路上設(shè)置一個(gè)高性能的肖特基二 極管D，實(shí)現(xiàn)對(duì)通路的快速關(guān)斷，以確保儲(chǔ)能電容C中的能量充分用于極間的放 電。本實(shí)施例工作過(guò)程中，F(xiàn)PGA3輸出正向和反向的兩路脈沖信號(hào)，經(jīng)光耦4隔 離后，輸出給功率管驅(qū)動(dòng)模塊5，用于控制充放電回路模塊6中場(chǎng)效應(yīng)管Ml和 M2的通斷，充放電回路模塊6中的兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管M1和M2，采用低變驅(qū)動(dòng)方式， 從漏極輸出電壓，分別控制儲(chǔ)能電容C的充電和放電，放電能量調(diào)節(jié)模塊7設(shè)置 儲(chǔ)能電容C容值的大小，將儲(chǔ)能電容C中儲(chǔ)存的能量減小到10—8J，實(shí)現(xiàn)小而可 控的單次脈沖放電能量；在儲(chǔ)能電容C的充電過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置放電能量調(diào)節(jié)模 塊7中直流電源電壓和充電電阻的大小，調(diào)節(jié)儲(chǔ)能電容C的充電速度、儲(chǔ)能電容 C充電所達(dá)到的電壓值，繼而調(diào)節(jié)極間的工作電壓，也可以通過(guò)調(diào)節(jié)充電電壓的 大小來(lái)調(diào)節(jié)極間的工作電壓。
本實(shí)施例分別采用比較器8和A/D轉(zhuǎn)換模塊9完成兩種不同的方法用于放電 狀態(tài)的檢領(lǐng)!l。其中，比較器8執(zhí)行跳變邊緣檢測(cè)法，用于脈寬和脈間較大(〉200ns) 的情況，A/D轉(zhuǎn)換模塊9執(zhí)行平均電壓檢測(cè)法，用于脈寬和脈間較小(〈200ns) 的情況。
本實(shí)施例中，比較器8使用美信公司的MAX999比較器，檢測(cè)每個(gè)脈沖的下 降沿。如果在空載情況下的脈沖下降沿來(lái)臨前，比較器即已檢測(cè)到脈沖下降沿， 則視為在該脈沖時(shí)段內(nèi)已發(fā)生火花放電；如果在空載情況下脈沖上升沿來(lái)臨后， 比較器仍檢測(cè)到極間電壓為O，則視為該脈沖時(shí)段短路；如果在空載情況下的下 降沿來(lái)臨時(shí)，比較器檢測(cè)到的極間電壓仍然為開(kāi)路電壓，則視為該脈沖時(shí)段開(kāi)路， 不發(fā)生放電。通過(guò)統(tǒng)計(jì)某一時(shí)段內(nèi)的火花放電、開(kāi)路和短路的脈沖各所占的比率， 可以得到該時(shí)段內(nèi)的放電狀態(tài)信息。
本實(shí)施例中，A/D轉(zhuǎn)換模塊9采用美信公司的MAX1206高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行 采樣，MAX1206最高采樣率達(dá)40MHz，可以滿足本實(shí)施例的要求。
上述的比較器8和A/D轉(zhuǎn)換模塊9的檢測(cè)結(jié)果輸出到FPGA3， FPGA3接受到 比較器8和A/D轉(zhuǎn)換模塊9輸入的檢測(cè)信號(hào)后，經(jīng)處理得出當(dāng)前放電狀態(tài)的反饋 信息，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)放電狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)的功能，并通過(guò)串行通信的方式輸出給上位 機(jī)13，為伺服機(jī)構(gòu)的控制提供依據(jù)。
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權(quán)利要求
1、一種基于FPGA的納秒級(jí)微能脈沖電源，其特征在于包括脈寬調(diào)制與檢測(cè)部分，以及主放電回路部分，所述脈寬調(diào)制與檢測(cè)部分包括FPGA、光耦、比較器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、顯示與報(bào)警模塊、脈沖寬度輸入模塊，所述主放電回路部分包括功率管驅(qū)動(dòng)模塊、充放電回路模塊、放電能量調(diào)節(jié)模塊，其中FPGA產(chǎn)生的脈沖信號(hào)通過(guò)光耦隔離后，輸出到功率管驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端，功率管驅(qū)動(dòng)模塊將輸入的脈沖信號(hào)放大，產(chǎn)生供驅(qū)動(dòng)充放電回路模塊用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；充放電回路模塊的輸出電壓加載到電火花加工機(jī)床的電極與工件，并且，充放電回路模塊的輸出經(jīng)衰減后連接到比較器和A/D轉(zhuǎn)換模塊，比較器和A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接到FPGA，由FPGA處理得出放電狀態(tài)信息；FPGA通過(guò)串行電纜將這些放電狀態(tài)信息輸出到上位機(jī)，F(xiàn)PGA的輸出端連接到顯示與報(bào)警模塊，顯示當(dāng)前的脈沖寬度和脈沖間隔，脈沖寬度輸入模塊連接到FPGA供脈寬調(diào)制時(shí)作輸入；放電能量調(diào)節(jié)模塊連接到主放電回路部分中的充放電回路模塊，調(diào)節(jié)加工脈沖的開(kāi)路電壓和儲(chǔ)能電容的容值。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的納秒級(jí)微能脈沖電源，其特征是，所 述充放電回路模塊的構(gòu)成為電阻(R2)的一端與肖特基二極管(D)的負(fù)端連接， 另一端與第一場(chǎng)效應(yīng)管(M2)的漏極連接；儲(chǔ)能電容(C)的一端與肖特基二極管(D) 的負(fù)端連接，第二場(chǎng)效應(yīng)管(M1)的柵極連接到功率管驅(qū)動(dòng)模塊的正相脈沖輸出 端，第一場(chǎng)效應(yīng)管(M2)的柵極連接到功率管驅(qū)動(dòng)模塊的負(fù)相脈沖輸出端，肖特基 二極管(D)的正端與場(chǎng)效應(yīng)管的第二場(chǎng)效應(yīng)管(M1)的漏極連接；所述放電能量調(diào)節(jié)模塊的構(gòu)成為電阻(R1)的一端與直流電源(V)的正極連接，儲(chǔ)能電容(C)的另一端與直流電源(V)的負(fù)極連接；充放電回路模塊的兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管(Ml)和(M2)的源極均與直流電源(V)的負(fù)極 連接，第二場(chǎng)效應(yīng)管(M1)的漏極與電阻(R1)的另一端連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的納秒級(jí)微能脈沖電源，其特征是，所 述FPGA接入頻率50MHz以上的晶振，產(chǎn)生最高頻率25腿z，脈沖寬度和脈沖間 隔最小達(dá)到20ns。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的納秒級(jí)微能脈沖電源，其特征是，所 述脈沖寬度輸入模塊，其脈沖寬度和脈沖間隔從20ns 60 !i s可調(diào)。
全文摘要
一種基于FPGA的納秒級(jí)微能脈沖電源，屬于特種加工領(lǐng)域。本發(fā)明中，F(xiàn)PGA產(chǎn)生的脈沖信號(hào)通過(guò)光耦隔離后，輸出到功率管驅(qū)動(dòng)模塊，功率管驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生供驅(qū)動(dòng)充放電回路模塊用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；充放電回路模塊的輸出電壓加載到電火花加工機(jī)床的電極與工件，且充放電回路模塊的輸出經(jīng)衰減后通過(guò)比較器和A/D轉(zhuǎn)換模塊連接到FPGA，由FPGA處理得出放電狀態(tài)信息，并輸出到上位機(jī)，F(xiàn)PGA的輸出端連接到顯示與報(bào)警模塊，顯示當(dāng)前的脈沖寬度和脈沖間隔，脈沖寬度輸入模塊連接到FPGA供脈寬調(diào)制時(shí)作輸入；放電能量調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié)加工脈沖的開(kāi)路電壓和儲(chǔ)能電容的容值。本發(fā)明具有高頻、微能、脈沖寬度和放電能量可調(diào)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B23H1/02GK101474698SQ20091004505
公開(kāi)日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2009年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月8日
發(fā)明者康小明, 毅 蔣, 趙萬(wàn)生, 琳 顧 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)