徐明剛　趙潔明

摘 要：文章通過(guò)對(duì)現(xiàn)今電火花加工脈沖電源驅(qū)動(dòng)部分的研究情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了脈沖電源驅(qū)動(dòng)電路部分存在問(wèn)題，硬件電路過(guò)多，導(dǎo)致電磁干擾嚴(yán)重。在此基礎(chǔ)上，文章研制出一種新的脈沖電源驅(qū)動(dòng)電路，該電路采用專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)集成芯片IR2101以及PWM（脈沖寬度調(diào)制模式）波產(chǎn)生芯片TL494CN串聯(lián)共同構(gòu)成，在效率上對(duì)電火花加工有明顯提升。通過(guò)其和傳統(tǒng)直流斬波驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行對(duì)比，得出新型驅(qū)動(dòng)電路在電火花加工的精度、速度、表面粗糙度上有更好的表現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：電火花加工；脈沖電源；驅(qū)動(dòng)電路；開(kāi)關(guān)器件

中圖分類(lèi)號(hào)：TG661 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）04-0161-02

Abstract： Based on the analysis of the research on the driving part of the pulse power supply in EDM， it is found that there are some problems in the driving circuit of the pulse power supply， and there are too many hardware circuits， which lead to serious electromagnetic interference. On this basis， a new pulse power driving circuit is developed. The circuit is composed of special driving integrated chip IR2101 and PWM （pulse width modulation mode） wave generation chip TL494CN series， which improves the EDM significantly in terms of efficiency. Compared with the traditional DC chopper drive circuit， the new drive circuit has better performance in EDM precision， speed and surface roughness.

Key words： electric discharge machining （EDM）； pulse power supply； drive circuit； switching device

1 概述

隨著科技的不斷發(fā)展，加工制造業(yè)對(duì)加工精度和加工材料的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的加工方法已經(jīng)很難滿(mǎn)足當(dāng)前的加工形式。電火花加工是特種加工的主要組成部分，利用工具電極和工件之間的電火花放電產(chǎn)生的局部高溫能很好地蝕除難加工材料、形狀復(fù)雜的材料、加工微孔等。而電火花加工中最重要的組成部分就是脈沖電源的驅(qū)動(dòng)電路部分，雖然近幾年，脈沖電源技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展迅速，但驅(qū)動(dòng)電路部分普遍存在問(wèn)題，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路加工效率不高，硬件電路過(guò)多導(dǎo)致電磁干擾問(wèn)題嚴(yán)重。故設(shè)計(jì)一款高效、節(jié)能的脈沖電源驅(qū)動(dòng)電路對(duì)電火花加工的效率、加工精度、表面粗糙度等有很大的影響。

2 開(kāi)關(guān)元器件

2.1 開(kāi)關(guān)器件的類(lèi)型

開(kāi)關(guān)器件是驅(qū)動(dòng)電路的核心部分，除了早期的RC微能脈沖電源外，當(dāng)下的任何脈沖電源驅(qū)動(dòng)電路都需要有開(kāi)關(guān)元器件來(lái)完成直流斬波以及PWM波輸出。場(chǎng)效應(yīng)管、二極管和晶體管都可用于實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電路，但具有不同特性，然而，他們的基本電路結(jié)構(gòu)都相同，一個(gè)與TTL兼容的控制信號(hào)，由功率門(mén)電路放大，送入電平轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生斷開(kāi)和接通開(kāi)關(guān)的電壓。選擇一款合適的開(kāi)關(guān)元器件對(duì)電火花加工的精度、速度、效率以及電極損耗上尤為重要。

2.2 開(kāi)關(guān)器件的選擇

根據(jù)脈沖電源技術(shù)參數(shù)要求，綜合選擇場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET作為驅(qū)動(dòng)電路的開(kāi)關(guān)器件。MOSFET是當(dāng)今非常流行的開(kāi)關(guān)器件，MOSFET是一種電壓控制型單極晶體管，它具有很多開(kāi)關(guān)器件不具備的優(yōu)點(diǎn)，例如驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，功率小，沒(méi)有二次擊穿問(wèn)題，響應(yīng)速度快，頻率高，浪涌電壓小[2]。但它的缺點(diǎn)在于不適用于大功率的場(chǎng)合。在設(shè)計(jì)脈沖電源驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，考慮到電火花加工的功率不是很大，MOSFET可以完全適用。

但MOSFET的極間電容問(wèn)題同樣不可忽略，其充放電的過(guò)程會(huì)影響到開(kāi)關(guān)速度，控制策略上必須加大驅(qū)動(dòng)電路電壓，以達(dá)到使電容快速充放電的目的。選擇MOSFET管還要設(shè)計(jì)一些保護(hù)電路，比如過(guò)電壓保護(hù)即設(shè)計(jì)一個(gè)緩沖回路來(lái)抑制浪涌電壓；欠電壓保護(hù)防止產(chǎn)生錯(cuò)誤的邏輯信號(hào)[3]。

3 傳統(tǒng)直流斬波驅(qū)動(dòng)電路

3.1 直流斬波電路概述

直流斬波電路即DC-DC變換電路是將直流電變?yōu)榱硪唤M可調(diào)的直流電壓，該電路是脈沖電源驅(qū)動(dòng)電路不可或缺的一部分，直流斬波電路的優(yōu)劣直接決定了電火花脈沖電源加工的精度，速度和表面粗糙度。傳統(tǒng)的直流斬波電路首先要利用整流濾波電路將交流變直流，之后用晶體管來(lái)充當(dāng)開(kāi)關(guān)元器件，連接電容、電阻、二極管和電感來(lái)實(shí)現(xiàn)升壓降壓，現(xiàn)有的電源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有BOOST電路、BUCK電路、BUCK-BOOST電路、反激變換、正激變換、半橋變換、LLC諧振變換電路等。脈沖電源的驅(qū)動(dòng)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要采用降壓BUCK電路。

3.2 直流斬波電路問(wèn)題

傳統(tǒng)的直流斬波電路的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備簡(jiǎn)單，響應(yīng)快，成本低廉，但在電磁干擾問(wèn)題上有缺陷，因?yàn)橛布娐愤^(guò)多會(huì)對(duì)整個(gè)電路板產(chǎn)生電磁干擾，影響系統(tǒng)正常工作，降低脈沖電源的整體效率。本文旨在通過(guò)設(shè)計(jì)傳統(tǒng)直流斬波電路來(lái)與新型驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行對(duì)比，來(lái)研究脈沖電源驅(qū)動(dòng)電路的最優(yōu)選擇。

4 新型集成芯片驅(qū)動(dòng)電路endprint

新型集成芯片電路是借鑒了國(guó)內(nèi)外脈沖電源驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)部分的研究情況，設(shè)計(jì)的集成驅(qū)動(dòng)電路，該電路驅(qū)動(dòng)模塊采用IR2101芯片來(lái)控制MOSFET管的開(kāi)關(guān)，在PWM波形產(chǎn)生方面，采用了TL494CN芯片，該芯片產(chǎn)生的PWM波直接作用于集成芯片上控制開(kāi)關(guān)部分。

如圖1所示，為T(mén)L494和IR2304驅(qū)動(dòng)芯片串接的電路圖，TL494芯片是MOTOROLA公司推出的一款高性能的固定頻率PWM波輸出芯片，周期和頻率的確定通過(guò)芯片5腳和6腳的電容和電阻來(lái)確定F=RC，該芯片由12V的外接直流電壓供電，輸出端接專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片IR2101。IR2101是新一代半橋驅(qū)動(dòng)集成芯片，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，工作頻率高，低功耗設(shè)計(jì)，具有電源欠保護(hù)和關(guān)斷邏輯，同樣只需要12V的電壓為芯片供電。芯片控制兩個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管IRF510完成電路斬波，并通過(guò)P2輸出接到脈沖加工間隙上，供給電火花加工所需能量。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)脈沖電源傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路的問(wèn)題進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)BUCK驅(qū)動(dòng)電路硬件電路過(guò)多，從而產(chǎn)生較大的電磁干擾。基于此類(lèi)問(wèn)題，提出了一種新的脈沖電源驅(qū)動(dòng)電路的解決辦法，該電路采用專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)集成芯片IR2101和PWM波產(chǎn)生芯片TL494CN串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)比分析，新型集成驅(qū)動(dòng)電路在加工工藝上優(yōu)于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路，但在節(jié)能、成本、電路結(jié)構(gòu)等問(wèn)題方面能否再進(jìn)一步提高和優(yōu)化，還需要再進(jìn)一步探究。

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