微细电化学加工纳秒脉冲电源的研制

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基于CPLD的多功能微细电加工电源的研制

ＴｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆＭｕｌｔｉ — ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭａｃｈｉｎｉｎｇＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＢａｓｅｄｏｎＣＰＬＤ
ｐｕｌｓｅｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｕｎｉｔｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄ．ＡｎｄｔｈｅｐｕｌｓｅｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｍｉｃｒｏＥＤＭａｎｄＥＣＭｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ．ＴｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆｍｉｃｒｏＥＤＭａｎｄＥＣＭｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｂｙｓｗｉｔｃｈｉｎｇｔｈｅｐｕｌｓｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＰＬＤ；ｍｉｃｒｏＥＤＭ；ｍｉｃｒｏＥＣＭ；ｐｕｌｓｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ
工，又能用于微细电化学加工。微细电火花加工电
很大提高。独立式脉冲电源具有脉冲放电不受电
《电加工与模具》２０１３年第２期
设计・研究
基于ＣＰＬＤ的多功能微细电加工电源的研制
樊友文，褚旭阳，陆连强，刘刚，洪永强
（厦门大学物理与机电工程学院，福建厦门３６１００５）
摘要：为了解决微能脉冲电源发展中遇到的功能单一、集成度不高等问题，设计了多功能微细电加工脉冲电源。以单片机和ＣＰＬＤ作为微控制器，利用模块化的方法对关键模块进行设计，并运用Ｑｕａｒｔｕｓ软件对高频脉冲发生单元进行仿真，得到微细电火花和微细电化学的脉冲波形，通过对

μs级可调脉冲电源及微细电解加工应用

ＣＨＥＮｅＷｉ
（ｎｕＵｉｒｔｏｃｅｃｎｅｈｏｇ，ｕｉａ３０１ＨＡｈｉｎｖｓｙｆｉｅａｄＴｃｎｌｙＨａｎｎ２２０，ＣＮ）ｅｉＳｎｏ
ＡｂｔａｔＤｖｌｐｄｔｅｃｔｏｅａｄｔｏｉｇＰｏｅｓｄｔｅｔａｏｅＥｅｔｃｅｃｌｍｉｒｃｉｉｇｂｓｎｓｒｃ：ｅｅｏｅｈａｈｄｎｏｌ．ｒｃｓｅｈｒｌｆｔｌｃｒｈｍｉａｃｏｍａｈｎｎｙｕｉｇｎｉｈｏ
４微细电解￣－试验ｊｒｎ－
在ＤＫ１０Ｊ３５数控电解加工机床上，进行了一些微
细电解加工的试验。
具 ”，它直接影响到加工尺寸精度和加工质量。所设计的阴极应当能提供溶解表面需要的电流分
广泛应用于加工制造业中。
之问的问隙大、阻力小，量电解液由此间隙流走，大而
不易流过工件的细槽。此外，细槽的流程长，出口进窄，而产生缺乏流体的死水区。在死水区没有或很从
少有电解液通过，件的溶解速度将低于其他部位，工加工时就容易产生火花或短路。
１ｒ８ｉＴ不锈钢片，在上面加工宽为０５ｍｍ、ＣｌＮ９ｉ需．深
为０３ｍｍ的迷宫形多道细槽，图１．如。
路。另外，此工件加工的槽比较细小，为达到较好的加工效果，用了研制的微秒级可调脉冲电源进行加工。应由于电化学加工不同于传统的机械加工，其夹具和阴极的设计有其特殊的要求。设计电解液的流向一

纳秒脉冲微细电化学加工的理论及试验_张朝阳

式中
的加工间隙有关。工件上的加工区域极间间隙最小，电解液电阻也最小，记为 R1，决定双电层电容充放电的时间常数τ1=R1C；非加工区域离工具阴极较远，电阻较大，记为 R2 ，时间常数 τ2=R2C 。正是由于 τ1<τ2，造成了加工区和非加工区施加相同的脉冲电压却产生不同的过电位[6]。根据电化学极化的 Butler-Volmer 方程，电极上双电层的过电位 φ 影响电化学反应的电流密度 i ⎛ β nF ⎞ (5) i = i 0 exp ⎜ ϕ ⎜ RgTa ⎟ ⎟ ⎝ ⎠
∗ 航空科学基金(04H52055)和南京航空航天大学博士学位论文创新与创优基金(BCXJ04-09)资助项目。20060208 收到初稿，20060812 收到修改稿
前后电极／溶液界面上所发生的物理、化学变化和电极反应的等效电路，探讨其加工机理。而直流电解加工和普通脉冲电解加工，都是利用电极过程进入稳定状态后的电化学反应实现工件材料的去除加工，常用极化曲线研究，属于稳态加工过程。本文根据电化学原理建立了纳秒脉冲微细电解加工的理论模型，分析了影响微细电解加工精度的工艺因素；并利用所构建的微细电解加工系统，进行微细电解加工试验，实现了微米级工具电极的制作和工件微细结构的加工。
i0 ——交换电流密度 β ——电极反应的传递系数 Rg ——气体常数 Ta ——绝对温度根据法拉第定律：电极界面上发生电化学反应物质的量 V 与通过的电量和材料的电化学当量成正比。对于脉冲电解加工，每个脉冲周期 Tp 内的电量相同。因此电化学去除量为 ton t V = ω Itm = ω m ∫ i (t )Adt = 0 Tp
第 43 卷第 1 期 2007 年 1 月
机械工程学报

纳秒级脉冲电源的研究与设计

纳秒级脉冲电源的研究与设计随着脉冲功率技术在军事、医疗、环保等领域的快速发展,对于大功率脉冲电源的上升沿宽度要求日益提高,高功率快脉冲也逐渐成为脉冲功率技术的研究热点和发展趋势。

而如何以较低的成本在提高脉冲电源电压等级的同时陡化脉冲宽度也是研究的难点之一。

以高压快脉冲为技术核心,以小型化、高重频和高效率为发展方向,本论文提出了一种低成本对称式的脉冲发生拓扑,同时以磁压缩技术陡化脉冲宽度,并深入研究了磁开关的控制技术,以实现高稳定性的纳秒级脉冲电源的研制,论文主要内容分为以下三个部分:1、提出了一种具有对称串联结构的高压脉冲电源拓扑,大幅降低成本;基于这种新型的高压脉冲电源拓扑,分析并初步验证了各种工作环境下的可行性。

搭建了该高压脉冲电源的仿真模型,仿真验证了在正常运行和发生闪络等不同状态下电路的工作原理。

在实验室完成了该高压脉冲电源的研制,实验验证了在正常运行和发生闪络等不同状态下对于电路的分析,并在实际应用中证明了该拓扑相对于现有研究的优越性。

2、介绍了脉冲磁压缩技术的工作原理,分析了各个磁芯参数对磁开关性能的影响,基于此,确定了磁芯材料的选择,并搭建了磁芯检测平台测量磁芯的磁滞曲线,对比了不同磁芯材料的区别。

基于脉冲电源体积小型化原则,分析了影响磁开关体积的因素,并利用数学模型确定了磁开关参数的最优解。

系统地分析了磁复位原理以及磁复位电路与脉冲电源的匹配问题。

最后搭建了30kV/3kW的纳秒级脉冲电源样机,验证了磁复位原理的可行性,以及在高压大功率应用场合可能遇到的问题及其解决方案。

3、针对电流型磁复位方式存在的不足,指出了对于磁开关控制的必要性,并系统地分析了磁开关控制原理,提出了相应的控制方案。

最后基于PLECS软件搭建了35kV的纳秒级脉冲电源的仿真模型,通过仿真验证了控制方案的可行性和稳定性,并从实际应用角度分析了磁开关的最佳工作区间。

一种纳秒级高压脉冲发生器的研制

高压电器
ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＡｐｐａｒａｔｕｓ
直流电压的纹波系数可用公式（２）描述。
Ｓ＝δＵ／Ｕｄ＝Ｉｄ／（２ｆＣＵｄ）
（２）
显然，Ｃ值越大，纹波系数Ｓ越小。在该电路中，选择
１ｕＦ的电容以减小Ｓ。变压器的变比可调，因此可以
得到不同幅值的高压直流电压。当变压器的高压绕
ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈ＜２０ｎｓ）ｍｕｓｔｂｅｅａｓｙｔｏｂｅｇｅｎｅｒａｔｅｄ．Ｉｎｔｈｉｓ
ｐａｐｅｒ，ａｎｅｗｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｐｕｌｓｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ
ｍｅｒｃｕｒｙｒｅｌａｙｉｓｕｓｅｄａｓｓｗｉｔｃｈａｎｄｔｈｅｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅ
［３］陈衡，侯善敬．电力设备故障红外线诊断［Ｍ］．北京：中国电力出版社，１９９９．
"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
（上接第１３０页）
断路器安全总突变隶属函数值：Ｘ!＝（０．９６９，０．７４９，０．６１２，０．３８７）该高压断路器的运行状态处于“优”阶段，工作性能稳定，故障概率极低。

微小孔的电解加工工艺研究

微小孔的电解加工工艺研究陈辉;王玉魁;王振龙【摘要】为了研究微小孔的电解加工工艺,采用在线加工的微细电极和超短脉冲电压,以及复合电解液电解加工微小孔.通过在线加工电极,避免了电极的二次装夹,提高了加工孔时的定位精度.实验中,分析了不同种类的电解液及其浓度、加工电压以及脉冲宽度对微小孔加工精度的影响.实验结果表明,添加络合剂的钝化电解液既能溶解阳极的电解产物,避免发生短路,提高了加工的稳定性,又不会增大加工间隙.而超短脉冲电压能明显减小微小孔加工的侧面间隙,并保证孔直径的一致性.【期刊名称】《电加工与模具》【年(卷),期】2010(000)006【总页数】5页(P17-20,31)【关键词】微细电解;微细电极;微小孔;超短脉冲电压【作者】陈辉;王玉魁;王振龙【作者单位】哈尔滨工业大学微系统与微结构教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学微系统与微结构教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨,150001【正文语种】中文【中图分类】TG662微小孔结构在微小机械零件加工中占有重要的比重。

一般将直径0.3～1.0mm的孔称为小孔,将直径＜0.3mm的孔称为微孔。

微小孔的应用十分广泛,如燃料喷嘴(内燃机)、化纤细丝喷嘴、医用流量计、喷码机喷嘴等的微小孔加工[1]。

微小孔的加工方法有机械钻削、冲压、电火花加工、超声加工、激光加工、电子束加工和离子束加工等。

与其他加工方法相比,由于电解加工金属是以离子形式去除,对材料的破坏小,几乎没有切削力,很适合金属材料的微细加工[2]。

电解加工微小孔的方法有多种。

如:掩膜电解加工可在镍、钼、不锈钢等金属材料上加工微小孔,用于喷墨打印机喷嘴和MEMS器件[3];喷射电解液电解加工,可在钛表面快速加工数百个孔,在曲面上也能加工出高深径比的孔,但它的加工精度与掩膜加工相比低很多[4]。

德国的研究人员采用纳秒超短脉冲电源,可把工件上的电化学反应限制在几微米的范围内,为电化学微细加工金属材料奠定了基础。

电化学加工技术

电化学加工技术的概况与展望姓名：代路杰班级：模具1班学号：0930140110-------------------------------------------------------------------------------- 摘要：分析总结电化学加工专业领域的工艺技术及设备的研发和应用概况，展望其近期发展趋势、关键技术及发展战略。

近年来，延续了自20世纪90年代后期以来的良好发展态势，电化学加工专业领域工艺技术水平及设备性能均取得了稳步发展，应用领域进一步扩展，产业发展也达到了一个新的高度。

1 工艺技术研究相对传统加工和其他优势特种加工技术而言，电化学加工的基础理论较为薄弱，工艺技术尚欠成熟。

但正因为如此，其有待研究、开发的空间也更为广阔。

近期，电化学加工工艺技术研究涉及的方向主要集中在超纯水电解加工、微细加工、加工间隙的检测与控制、数字化设计与制造技术等重点领域。

下面分别加以详述。

1.1 超纯水电解加工超纯水电解加工是在常规电解加工原理的基础上, 利用超纯水作电解液，并采用强酸性阳离子交换膜来提高超纯水中OH-离子的浓度, 使电流密度达到足够去除材料的一种新型电解加工工艺方法。

日本学者率先提出以超纯水代替常规电解液，实现绿色、微细电解加工的思想。

国内学者近年来也开展了超纯水电解加工的机理、超纯水小孔电解加工、超纯水电化学扫描直写加工、超声辅助纯水微细电解加工等研究，为超纯水电解加工的应用奠定了基础。

1.2 微细电化学加工微细加工是当前电化学加工研究中最活跃也是最热点的方向。

从原理上而言，电化学加工中材料的去除或增加过程都是以离子的形式进行的。

由于金属离子的尺寸非常微小(10-1nm级)，因此，以“离子"方式去除材料的微去除方式使电化学加工技术在微细制造领域、以至于纳米制造领域存在着理论上的极大优势，只要精细地控制电流密度和电化学发生区域，就能实现电化学微细溶解或电化学微细沉积。

基于SiC MOSFET的纳秒级脉冲电源研制

基于SiC MOSFET的纳秒级脉冲电源研制脉冲功率技术广泛应用于军事、环境保护、生物技术等领域,比如脱硫脱硝、脉冲杀菌、激光管驱动、阴极射线管扫描电路等。

传统脉冲电源的主放电开关主要以真空弧光放电管、氢闸流管、火花隙为主,存在成本高、寿命短、外围电路复杂等缺点。

随着电力电子技术的发展,功率MOSFET和IGBT的性能越来越高,众多研究学者利用MOSFET或IGBT串并联组成高压固态开关替代传统放电开关,进而设计出纳秒级上升沿的高重复频率脉冲发生器。

本文以SiC MOSFET为核心功率器件,设计了一台纳秒级脉冲电源,电源主要技术指标为:输出脉冲峰值可调范围为0~30kV,脉冲重复频率为10Hz~1kHz可调,最大输出电流为80A,脉冲上升时间小于100ns。

本论文的主要工作如下:设计了纳秒脉冲电源的拓扑结构,主电路采用三级Marx发生器结构,研究了SiC MOSFET串联开关的静态和动态电压不均衡机制,给出了影响SiC MOSFET串联均压的关键因素。

针对静态均压电路的特性,明确了均压电阻的设计方法,对于动态均压电路,采用负载侧RCD电路作为均压措施,并确定了相应参数的选取依据。

对比分析了正激式驱动、半桥驱动、反激驱动三种驱动方式的优缺点,确定采用半桥驱动的方式作为SiC MOSFET的串联驱动电路,该电路的隔离强度高、驱动电路设计方便,其驱动变压器的原边和副边绕组匝数均为1匝,可减少其分布参数的影响。

通过实验测试了驱动电路的同步性,其驱动的延迟时间差异小于10ns,同步性良好。

采用Microchip公司的dsPIC33FJl28MC706作为主控制芯片,整个控制系统可以实现频率可调、脉冲幅值可调、过压和过流保护等,最终完成了实验样机的制作和调试,利用针-板反应器负载对电源的性能进行测试,实验结果表明电源满足了设计指标且基本性能良好。

微细电化学加工技术

微细电化学加工技术现状与进展摘要：微细电电化学加工是微细加工领域的一个重要研究方向，电化学加工是利用电化学阳极溶解的原理将零件加工成型，具有工具无损耗、加工表面质量好、与零件材料硬度无关、加工后工件无应力和变形等优点，近年来随着电解加工理论的进一步成熟，微细电解加工以其独特的优势有望成为微细加工领域的又一主流技术[1]。

微细电化学在未来的微纳加工中必将大有作为。

本文介绍了国内外微细电化学加工技术、微细电化学加工电源及检测技术的研究现状[2]。

结合国内外微细电化学加工技术的最新进展，系统地综述了微细电化学加工在多个方面的研究情况和工艺特点[3]。

关键词：电化学；电化学加工；微细电化学加工；脉冲电源。

电化学电化学是一项古老的技术，是从研究电能与化学能的相互转换开始形成的。

到20 世纪50 年代中期，苏联、美国和我国才相继开始了电解加工工艺的试验研究，电解加工也逐渐得到了发展。

随着科学技术的不断发展和深入，电化学的研究领域不断拓宽和扩展，在电化学基础上开拓的电化学加工技术，支撑了电铸、电镀、电解冶炼和电解合成、电解加工、材料腐蚀的控制等重要的产业部门，已迅速地发展成为具有重大工业意义的一项技术。

电化学加工电化学加工技术主要是利用金属材料发生氧化还原的电化学过程来实现去除材料和增加材料的目的。

电化学加工技术自问世以来，以其新颖的加工原理而得到了极为广泛的应用，已成为当前机械加工领域中不可缺少的加工方法。

电化学加工技术是一种特种加工技术，目前在微细加工中已占有重要的位置。

由于加工过程是以离子单位方式进行的，所以在微细加工中占有重要的位置。

随着现代电力电子技术的发展，针对电化学加工对精度和表面质量的要求，逐渐采用脉冲电源替代直流电源，而且脉冲电源的频率也在不断提高。

另外，计算机控制技术的发展，使采用简单形状电极加工复杂结构的工件成为可能，使电化学加工技术有了广阔的应用前景[4]。

电化学加工是一种基于在溶液中通电，使离子从一个电极移向另一个电极，从而将材料去除或沉积的方法，因此。

微细电化学加工电源的设计与研究

ｍｉｒｃｏＥＣＭｒｃｓ．Ｔｈｉａｅｒａｎｌｏｅｕｐｙｓｓｅｏｒｍｉｒｐｏｅｓｓｐｐｒｐｅｅｓａｐｗｒｓｐｌｙｔ￣ｔｆｃＥＣＭｉｅｕｄｎｇｔｅｈａｄａｅａｈｏｎ［ｌｈｒｗｒｎｄｔｅｓｔａｅＴｈｅｈｒｗａｅｍｏ［ｃｍｐｓｄｏｏｌｐｒｒｎｉｔｒａｅｃｒｕｔｏｅｍｐｌｉｒａｒ — ｏｆｗｒａｄｒｄｕｅｂｏｏｅｆａｃｉｕｅ．ａｎｅｆｃｉｃｉ，ａｐｗｒａ］ｉｅ，ｎｄａｐｏｆｃｓｅｅｔｎｉｃｉＴｈｏｆｗａｅｍｕｌｓｃｍｐｓｆｔｅｄｉｅｎｈｅｃｎｔｏｒｇａ．Ｔｈｏｅｕ — ｅｓｄｔｃｉｇｃｒｕｔｅｓｔｒｄＵｅｉｏｏｅｄｏｈｒｖｒａｄｔｏｒｌｐｏｒｍｅｐｗｒｓｐｐｔｙｔｍｅｉｅａｈａａｉｉｌｓｏｅｅａｉｇａｖｒｅｙｏＶＶｈｐｓ，ｄｔｃｉｇａｄｃｔｏｌｎａｈｌ — ｙｓｓｅｄｓｇｎｄｈｓｔｅｃｐｂｔｅｆｇｎｒｔｎａｉｔｆ％ａＣｓａｅｔｅｅｔｎｎｏｎｒｌｉｇｍｃｎｉｇｐｏｅｓｗｈｃｓｓｉａｅｆｒｍｉｒｎｒｃｓ、ｉｈｉｕｔｂｔｏｃｏＥＣＭＫｅｗｏｄｙｒｓｉ］ｒＣＭ，ｐｗｅｕｐｌＴｅｏＥｔｏｓｐｙ，ｐｒｃｓｅｅｔｎｒｏｅｓｄｔｃｉｇ，ｓｌａａｉｅｃｎｒｌｅｆｄｐｔｏｔｏｖ

超短脉冲微细电解加工电源及工艺试验

Ｖｏ．６ＮＯ．１３８Ａｕｓ２０８ｇｕｔ０
（ｔｒｌｃｎｅＥｉｏ）ＮａａＳｉｃｄｔｎｕｅｉ
文章编号：１０ —６Ｘ（０８０ —０５０００５５２０）８０７ —４
超短脉冲微细电解加工电源及工艺试验术
特别要求．
（）电流容量较小．据欧姆定律：３根
，ｏ／＝Ｕ＇ＡＡ（）２
效、稳定的纳秒级微细电解加工脉冲电源．本研究中提出一种新型的斩波式超短脉冲电解加工电源，其最窄脉宽可达１０ｓ大大改善微细电解的效果．０，ｎ
（）电源的输出波形为脉冲波，脉冲上升和１且下降沿应不超过最小脉宽的２％．频率－占空比０其厂、Ｄ、冲宽度ｔ是微细电解加工电源最重要的Fra bibliotek 数脉。
之一，者之间的关系为三
ｔ＝／。Ｄｆ（）１
对于微细电解加工电源，般希望其频率尽可能地一高，这也是微细电解加工电源的主要发展方向之一．（）电源输出的额定电压在１５～１．围２．００Ｖ范内连续可调（由连续可调变压器调节）峰值电压越．
小，加工的精度越高，实现微米级精度加工的电压一般在５Ｖ以下，压精度一般为 ±５，波系数无稳％纹
弱了散蚀能力，加工问隙大大降低，加工精度显著提高Ｊ国外研制的纳秒级脉冲电源已接近于投入实．

微细孔电加工技术

012 31242456 789 :2
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!" #
微细孔加工过程中排屑针对微细孔加工排屑困难，稳定性差等问题，国
内国外几家单位都进行了超声辅助电火花微细孔加
・ !" ・
《航空精密制造技术》 !""# 年第 $% 卷第 $ 期
量，减少传动链造成的误差，分辨率和响应速度。以日本的古谷克司和毛利尚武等人为代表的研究人员先后研制蠕动式、冲击式、椭圆式 $ 种电火花电极直接驱动机构以及它们的改进型如点阵式机构和自动式机构。研制利用压电陶瓷的快速伸缩来直接驱动电极的冲击式机构，可实现每步 "& "!!’ 的进给，且加工稳定，效率提高。国内一些大学和科研单位都开展了这方面的研究。哈尔滨工业大学成功研制出基于双定子驻波形线性步进式超声波马达的电极直接驱动电火花加工装置。清华大学和北京机电研究院合作开发出蠕动式微进给机构的微细电火花加工装置，并在实验条件下，用紫铜作电极，在不锈钢工件上，在 #""( 电压下，加工出最小直径为 ")"!’，深径比大于 % 的微细孔。工具电极直接驱动机构的研究已引起人们的高度关注。电火花微细孔加工控制系统灵敏度直接关系到微细孔加工能否有效进行。控制系统的关键是电火花放电时的检测环节和控制环节。目前放电间隙信号检测采用的方法主要有：击穿延时检测方法、间隙脉冲放电状态分类统计法、适时采样与门槛电压的比较法、脉冲电压的积分法等检测方法。一些研机构正进行进一步的研究探索，如哈尔滨工业大学在采用间隙电流检测法来检测放电间隙是否击穿时，提高用间隙电流的变化 * +, - +. / 作为间隙击穿检测的依据，最大限度地缩短了击穿检测时间的滞后，提高了系统的灵敏度；南京航空航天大学根据电火花微细孔加工的特点，把多传感器融合技术应用到复杂的微细孔电火花间隙检测领域，避免了单一传感器的局限性，系统的可靠性显著提高。控制方法已从过去的单片机向 01 机智能模糊控制方向发展。为提高电火花微细孔加工质量提供了有力的保证。 !" # 微能脉冲电源脉冲电源的作用是提供击穿间隙中加工介质所需要的电压，并在间隙击穿后提供能量以蚀除工件材料。接受放电间隙的影响程度分类，可分为非独立脉冲电源和独立式脉冲电源。非独立式电源的典型代表是 21 驰张式脉冲电源，其特点：结构较为简单，在蚀除物排除上有一定的自适应作用，使用较方便。缺点是加工时脉冲电参数不稳定。独立式脉冲

一种新型窄脉宽脉冲电源的设计与实现

关键词：电化学加工；脉冲电源；窄脉宽；ＤＳ技术Ｄ
中图分类号：Ｐ９Ｔ２ＤＩ１．９３ｊｉｎ１０Ｏ：０３６／．ｓ．０７—１４２１．２０３ｓ４Ｘ．０２０．０
在航空航天、密仪器和生物医学等精密机精械加工领域，随着加工精度要求的提高，电化学微
面可以防止在加工过程中由于短路或者其他原因损坏前端电路部分，到信号隔离及滤波作用。起
６１７在应用中，了抗干扰，电源端需接０１Ｎ３为在．
的去耦电容；了限流，为还需在光耦的２脚与３脚之间串接一个４０Ｑ的电阻 …。７为了对脉冲整形，得到所需的超窄脉冲信号，利用６１７的上升沿较为缓慢的特点，其输出Ｎ３将信号通过后端脉冲整形芯片７Ｈ１，４Ｃ４经两次反相整形输出得到。由于７Ｈ１４Ｃ４为六反相施密特触
可以１．５。２为单位对相位步进调节。１
为方便频率调节，采用Ａｍｌｔｅ公司的５系列单１
片机Ａ８Ｓ１Ｔ９５控制Ａ９５产生频率可调的正弦波Ｄ８１
图３两级仃型ＬＣ低通滤波器的电路结构
信号。Ａ８Ｓ１Ｔ９５单片机内部为增强型的ＲＳＩＣ结构Ｄ，ＵＴ８ＥＤ７１３信号整形电路．具有每１Ｈ实现１ＩｓｚＭＭ／的数据处理能力，为方便为得到所需的超窄脉冲信号，需利用快速光耦使用，Ｔ９５还支持在线编程。Ａ８Ｓ１单片机与Ａ８Ｓ１Ｔ９５结合脉冲整形电路。将Ａ９５产生的５～１ｚＤ８１０ＭＨＡ９５Ｄ８１的连接示意图如图２所示。的正弦波信号，通过快速光耦及脉冲整形电路变换实现脉冲信号的超窄脉宽，宽最小可达１Ｓ并且脉宽和脉０Ｂ，

基于FPGA的纳秒级微细电解加工脉冲电源的研制

ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｍａｃｈｉｎｉｎｇ．ＴｏｕｔｉｌｉｚｅＦＰＧＡｉｎｓｉｄｅｈｉｇｈ —ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｌｏｃｋｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｐｕｌｓｅｓｉｇｎａｌ，ａｃｑｕｉｒｅｎａｎｏｓｅｃｏｎｄｐｕｌｓｅｔｈｒｏｕｇｈａｍｐｌｉｆｙａｎｄｃｈｏｐｐｉｎｇ．Ｔｈｅｐｕｌｓｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｈａｓｗｉｄｅｒａｎｇｅｔｏｒｅｇｕｌａｔｅ．Ｆｏｒｓｈｏｒｔ — ｃｉｒｃｕｉｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｉｎＦＰＧＡｔｏｄｅａｌｗｉｔｈｓａｍｐｌｉｎｇｓｉｇｎａｌａｎｄｏｕｔｐｕｔｔｈｅｆｅｅｄｂａｃｋｓｉｇｎａ１．Ｗｈｅｎｅｍｐｌｏｙｅｄｔｈｉｓｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｓｏｎｉｃｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｖｅｒｉｉｅｆｄｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｍｉｃｒｏｍａ（・ｈｉｎｉｎｇ；ＦＰＧＡ；ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ

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ｃｉｖｄｔｈｍｍ，ｈａａｅｅｓｆｈｏｅｓｐｌｃｎｂｄｕｔｄｏｎｙｔｅｈｓｃｒ— ｈｅｅ．Ａｅｓｅｔｅｔｅｐｒｍｔｅｐｗｒｕｐｙａｅａｊｓｎｌｅｂｏｔｏｔａｉｒｏｔｅｉｈｎ
ｐｔｒｏｈｅｅｅｔｏｈｍｉａｉｒ－ｍａｈｎｎｙｔｍ．Ｔｈｙｔｍｅｔｎｉａｅｔａａａｅｅｓｓｃｓｕｅｆｔｌｃｒｃｅｃｌｍｃｏｃｉｉｇｓｓｅｅｓｓｅｔｓｓｉｄｃｔｈｔｐｒｍｔｒｕｈａ
相较于其他微细加工方法，细电化学加工具有微
非接触、削力、热熔除等特点，无切无已经在某些特殊
的微细加工场合获得较好效果。利用这种工艺，
德国ＦｉＨｂｒ究所、国的ＩＭ以及国内的ｒ — ａｅ研ｚ美Ｂ
滤波，成直流电压。。电路存在外部干扰时，形：若
南京航空航天大学胡、海交通大学等机构先后Ｊ上
制作了微米量级的微孔、、与其他微细结构。槽坑
电源及其品质是微细电化学加工的关键影响因
数，产生高频脉冲控制信号。结构如图４主要由单片，
机及外围电路、ＰＤ及控制逻辑、线驱动及极问脉ＣＬ总
冲采样与转换电路构成。
图２脉冲电源的主电路
图中的删
为电源开关控制信号，由系统计算机
直接控制，通过固态继电器ＳＲ实现电源的开关。通Ｓ
１工作原理与总体结构
１１工作原理．
纳秒脉冲电源的直流部分电路结构如图１所示，２０Ｖ工频交流电经降压变压后进人全桥整流与电容２滤波电路，到直流电压。而后，过Ｒ、功率三得经Ｃ与极管Ｖ成的调节电路，输出端经过电容Ｃ再次Ｔ构在
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局限在电极顶尖散腐纳极
室阶段，尚存在参数调节范围有限、较为单一等问功能题。针对上述问题，结合微细电化学加工的发展，文本
Ａｂｓｒｃ：Ａｃｏｄｎｇｔｅｐｏｅｓｎｈｒｃｅｆｅｅｔｏｈｍｉａｉｒ —ｍａｈｎｎｔａｔｃｒｉｈｒｃｓｉｇｃａａｔｒｏｌｃｒｃｅｃｌｍｃｏｃｉｉｇ，ａｎａｏｅｏｕｓｏｒｓ — ｎｓｃｎｄｐｌｅｐｗｅｕｐ
ｐｙｉｖｌｐｄｗｉｌｓｄｅｅｏｅｔａＣＰＬＤｅｉｅＥＰＭ７１０，ａｄａ８ｂｔｍｉｒｃｎｔｏｌｒＳｈｄｖｃ６ｎｉｃｏｏｒｌｅＴＣ１２Ｃ５０ＳＡ６２．Ｓｅｉｌｐｃａｋｙｏｒｎ２２ｃｍｍｕｉａｉｎｃｒｕｔｕｅｏｒｍｅｅｅｔｓｂｌ，ａｄｄｉｐａｉｃｔｗｉｅｂａｄａｄＲＳ３ｏｎｃｔｏｉｃｉｓｄｆｒｐａａｔｒｓｔｉｉｕｉｎｇｔｎｓｌｙｃｒｕｉｔｈ１６４ＬＣＤｄｌｓａｓｅｌｚｄＳｈｔｆｉｎｌｎ－ｍａｈｎｅｉｔｒａｅｆｔｐｗｅｓｐｐｙｓａ２８ｍｏｕｅｉｌｏｒａｉｅＯｔａｒｅｄｙｍａｃｉｎｅｆｃｏｈｅｏｒｕｌｉ－
素，高频、脉宽脉冲电源是微细电化学加工的重要研窄
究内容 ¨ ｍ。目前，细电化学加工电源尚处在实验 ’ 微
升高，Ｔ基一射级电压下降，Ｖ。发基级电流随之
江苏省自然科学基金（Ｋ０９５）江苏省高校ｆ然科学基金（９Ｊ４００）南京工程学院基金（Ｘ００４Ｂ２０３０；１０ＫＢ６０５；ＫＪ７０）
因此，出电压较为稳定。输
放大电路，ｉＳｇ被放大至加工电压；通过Ｒ、Ｒ构Ｑ与成的电流放大，电极一工具之间得到实际加工电流。
图３脉冲电源的结构组成
图１脉冲电源直流部分电路
系统提供两种模式对电源输出的脉冲信号进行设
ｊｓｄｔｌｓｔａ０ｎ，ｈｃｕｔｌｆｌｔｃｅｉａｍｃｏｍａｈｎｎ．ｕｔｓｈｎ２ｓｗｉｉｓｉｂｅｏｅｅｒｈｍｃｌｉｒ— ｃｉｉｇｅｏｅｈｓａｒｃｏ
Ｋｅｗｏｒｙｄｓ：ＥｌｃｒｃｍｉａｃｏｅｔｏｈｅｃｌＭｉｒ－ｍａｈｎｎｃｉｉｇ；Ｐｗｅｕｐｙ；ＮａｓｃｎｏｒＳｐｌｎｏｅｏｄ；ＰｕｓｒｍｅｅｌｅＰａａｔｒ
摘要：根据微细电化学加工的工艺特点，用ＣＬ器件ＥＭ７６采ＰＤＰ１０与８位单片机ＳＣ２５６Ｓ设计Ｔ１ＣＡ０２，
了微细电化学加工纳秒脉冲电源。脉冲参数设置通过专用键盘或Ｒ２２实现，Ｓ３参数显示采用国显电子的１８４液晶模块实现，２６人机界面友好。通过Ｒ２２电源可以接受主控计算机的实时参数调Ｓ３，
过适当的控制逻辑，态地改变控制信号ｓ的高低动
电平状态，现开关管Ｑ．Ｑ的通断时序，实与即在工具电极与工件之间得到加工要求的脉冲电流。
１２系统结构．
罔
图４逻辑控制电路原理
善哥
电源的系统结构如图３所示，受运算速度限制，系
主
一
・
ｌ主题：特种加Ｚ技术
。１ｐＣ！ｐｃｌｃＩｎ｝ｃｎｌ￣ＯＩｂｅｌ￥ａＭａｎｎａｅｈｏｏＹＩ
减小，引起发射极电流下降，拉低输出直流电压Ｖ；反之，ｉ下降一上升一基极电流增大一：升。Ｖｃ）上
极，形成脉冲电流脉宽；反之，制信号ｓ控／高电平，ｇ为
开关管Ｑ，和导通，止，到加工电流脉问。电饱Ｑ截得路中的Ｑ、．Ｑ选用２２６Ｎ３９系列高频开关管，高开关最速度小于２ｓＤ，用ＢＶ６系列快恢复二极管，０ｎ；选Ｙ２反
ＺＨＡＮＧＪａｈａ，ＧＥＨｏｇｕ，ＬｎｓｅｇＡＮＧＬｉｎｕｎｙＩＨｏｇｈｎ，Ｆｉ
（ｃｏｌｆｕｍｔｎａｊｇＩｓｔｔｏｅｈｏｇ，ａｊｇ２１７ＨＳｈｏｏＡｔａｉ，ＮｎｉｎｔｕｅｆｃｎｌｙＮｎｉ，ＣＮ）ｏｏｎｉＴｏｎ１１６
出低电平，开关管Ｑ。止，：和导通，截Ｑ饱电流经开关管Ｑ由工件流向工具电极，过工具电极到达电源阴，经
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Ｒ２２微细加工系统主控计算机Ｓ３，可以直接对脉冲的脉宽、问等参数进行设定，脉通讯波特率选择１５２０ＢＳ考虑到实际应用，１０／；系统按键较
整。测试表明，宽、间等脉冲参数可调，脉脉且调节方便，用性强。输出脉宽、间可以调至２ｓ通脉０ａ
以下。于微细电化学加工。适
关键词：细电化学加工电源微
中图分类号：Ｇ６２Ｔ６
纳秒
脉冲参数
向恢复时间３Ｓ０Ｉ。Ｉ
少，而采用独立式键盘，接送单片机ＰＬ供检索。故直Ｉ这里的单片机系统指单片机最小系统，括时钟包
电路与复位电路等。
２逻辑控制电路设计
２１电路原理．
逻辑控制电路接收串行通讯或键盘输入的脉冲参
主题：特种加工技术ｌ
Ｉｐｃ：ｐｃａＭａｈｎｎｅｈｏｏｙ ’ ｏｔｓ￣ｅｔｌｃｉｇＩｃｎｌｇｉ
微细电化学加工纳秒脉冲电源的研制
张建华葛红宇李宏胜方力
（南京工程学院自动化学院，苏南京２１６）江１１７
ｐｌｕａｏｎｕｓｔｖｌｒｏｔｏｂｄｕｔ．Ｔｅｐｌｕａｏｒｕｓｔｖｌａｅａ — ｕｓｄｒｔｎａｄｐｌｉｅａａｅｐｔｅａｊｓｄｈｕｓｄｒｉｎｏｌｉｅａｃｎｂｄｅｉｅｎｒｅｅｔｐｅｎｒ