微细电化学纳秒脉冲电源的研制及加工特性测试

作     者：王少阳 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：常伟杰

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：纳秒脉冲电源 单片机 MOSFET 加工间隙检测 微孔加工 

摘      要：微细电化学加工(Micro-electrochemical machining,Micro-ECM)是利用金属在电流的作用下发生阳极溶解,从而实现材料去除的一种非接触式特种加工技术。脉冲电源是微细电化学加工重要的组成部分,微细电化学加工专用的高性能脉冲电源的发展对提高我国微细加工领域技术水平有着重要意义。本文基于微细电化学加工的工艺特点及其对纳秒脉冲电源的需求,研发出一款适用于微细电化学加工的纳秒脉冲电源。主要研究内容如下:1.通过对脉冲电源的前级直流稳压模块的设计实现可调幅值的直流电压输出;基于对斩波电路和其驱动电路的结构设计,实现脉冲参数独立可调的稳定脉冲电压输出;基于单片机对电源功能的数字化控制,对脉冲电源的控制系统进行设计,实现串口通讯、单极性和双极性PWM(Pulse width modulation)信号发生、数据采集等功能。2.提出了一种新的直流电压斩波和驱动电路方案,斩波电路采用多个MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)并联当作主输出回路,同时串联一个辅助MOSFET组成推挽输出电路;驱动电路采用光耦、驱动器和图腾柱电路的结构,有效的提升了驱动能力,并由于具备双路输出驱动信号的能力,解决了多个MOSFET同时驱动和驱动时序不同的问题,极大的提升了输出能力,同时改善了高频输出脉冲的上下沿波形。3.基于加工间隙内复杂的电场环境,设计了使用电阻分压配合差分运算放大的电压采集电路,使用分流器配合电流检测放大器的电流采集电路,解决了高频电压电流难以采集的问题。采集到的电压电流信号传送至单片机的ADC(Analog-to-Digital Converter)模块,单片机的处理程序把检测信号与预设参考值进行比较,在一定范围内实现稳压稳流,当检测到参数异常时关闭电源输出。4.对纳秒脉冲电源样机的输出脉冲波形进行测试,得到了输出波形稳定、上下沿陡峭且脉间电压平滑的脉冲电压波形;利用该电源进行微细电化学工艺特性测试,通过单因素和正交试验分析脉冲参数对加工微孔直径的影响,验证所研制脉冲电源在加工时的输出性能。经试验结果表明,所研制的纳秒脉冲电源达到了预期设计目标,同时能够满足微细电化学加工需要。