新型微细电火花脉冲电源拓扑及其控制关键问题研究

Based on the analysis of micro spark discharge and its machining performance, considering the new type pulse power generator that implements advanced power electronics technology, a alternating pulse machining concept as well as a proper circuit topology is proposed. Then, in order to achieve high machining efficiency and quality, the corresponding control strategy with hybrid-mode control and multi-parameter real-time adjusting is provided. Furthermore, the novel pulse power supply and discharge gap are modeled for analyzing the stead-state and dynamic response of the power supply, and the effects of spark on the proposed pulse power supply are analyzed for the optimization of the control method. Finally, a complete design solution of the novel pulse power generator for micro electrical discharge machining is provided. . This proposal is a combination of Micro Manufacturing and Power Electronics, and it can offer some theoretical knowledge and application methods on the design of pulse power supply for high machining quality and efficiency, which will advance the micro EDM and ECM machining and accelerate the application of new materials in aeronautics, astronautics, military, and precise manufacture.

脉冲电源是影响微细电火花加工效果的关键装置。本项目拟基于对微细电火花放电机理、放电电压电流对加工影响的研究，结合已有新型脉冲电源拓扑结构和控制的优缺点，提出可实现正负脉冲微细加工的新型微细电火花脉冲电源拓扑；给出相应的多控制模式结合、多放电参数实时可控的放电能量控制策略；之后分别建立脉冲电源和放电间隙的数学模型，研究系统稳态和动态特性以及火花放电间隙对新型脉冲电源开关器件和控制的影响，提出保证系统稳定工作的控制优化方法。最终给出新型微细电火花脉冲电源的完整设计方案。.本项目是电力电子学和微细电火花加工的交叉领域，为微细电火花脉冲电源的发展打下理论和工程应用基础，也是电力电子拓扑分析、变换器控制和建模理论的丰富。可进一步提升我国微细电加工机床水平，满足航空航天、民用国防等制造领域的迫切需要。

脉冲电源是控制火花放电能量和放电频率，决定加工质量和加工速度的关键装置。随着工业应用中对电火花加工质量的不断提高，作为放电能量调控装置的电火花脉冲电源，其研究极具挑战。.本项目从电力电子化的脉冲电源系统架构、电路拓扑和控制策略等方面，开展了高效率高动态响应电火花脉冲电源的研究：针对微细电火花放电加工，通过分析采用RC式脉冲电源的微细电火花加工放电间隙电压和电流波形，考虑放电回路和电源的寄生参数，揭示多次正负放电现象的电学原理及其加工效果，给出高频正负脉冲加工思路；为了在单次加工周期完成正负脉冲加工，将可实现极性翻转的全桥拓扑和可实现输出电流控制的Buck电路相结合，构建了新型脉冲电源电路拓扑；根据火花放电机理和放电电压电流变化规律，将间隙电压和间隙电流以一定权重求和后的信号作为控制变量，变换器可在间隙击穿前后实现电压控制和电流控制的灵活切换；通过类比计算机CPU和电火花放电间隙，根据其工作特点和对供电电源的要求，提出适用于电火花放电间隙的动态电压调整控制策略，以提高变换器的动态响应；建立变换器和放电间隙等效数学模型，对系统进行小信号分析和闭环设计；基于以上工作，给出新型微细电火花脉冲电源系统的完整设计方案。.本项目是电力电子学和微细电火花加工的交叉领域，为高效高动态响应电火花脉冲电源的研究提供理论和工程应用基础。研究成果可应用于各类电火花电加。