電火花加工脈沖電源新型驅動電路的研究

徐明剛　趙潔明

摘 要：文章通過對現今電火花加工脈沖電源驅動部分的研究情況進行分析，發現了脈沖電源驅動電路部分存在問題，硬件電路過多，導致電磁干擾嚴重。在此基礎上，文章研制出一種新的脈沖電源驅動電路，該電路采用專用驅動集成芯片IR2101以及PWM（脈沖寬度調制模式）波產生芯片TL494CN串聯共同構成，在效率上對電火花加工有明顯提升。通過其和傳統直流斬波驅動電路進行對比，得出新型驅動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。

關鍵詞：電火花加工；脈沖電源；驅動電路；開關器件

中圖分類號：TG661 文獻標志碼：A 文章編號：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

隨著科技的不斷發展，加工制造業對加工精度和加工材料的要求越來越高，傳統的加工方法已經很難滿足當前的加工形式。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生的局部高溫能很好地蝕除難加工材料、形狀復雜的材料、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動電路部分，雖然近幾年，脈沖電源技術在國內外發展迅速，但驅動電路部分普遍存在問題，通過分析發現驅動電路加工效率不高，硬件電路過多導致電磁干擾問題嚴重。故設計一款高效、節能的脈沖電源驅動電路對電火花加工的效率、加工精度、表面粗糙度等有很大的影響。

2 開關元器件

2.1 開關器件的類型

開關器件是驅動電路的核心部分，除了早期的RC微能脈沖電源外，當下的任何脈沖電源驅動電路都需要有開關元器件來完成直流斬波以及PWM波輸出。場效應管、二極管和晶體管都可用于實現開關電路，但具有不同特性，然而，他們的基本電路結構都相同，一個與TTL兼容的控制信號，由功率門電路放大，送入電平轉換器，產生斷開和接通開關的電壓。選擇一款合適的開關元器件對電火花加工的精度、速度、效率以及電極損耗上尤為重要。

2.2 開關器件的選擇

根據脈沖電源技術參數要求，綜合選擇場效應晶體管MOSFET作為驅動電路的開關器件。MOSFET是當今非常流行的開關器件，MOSFET是一種電壓控制型單極晶體管，它具有很多開關器件不具備的優點，例如驅動電路簡單，功率小，沒有二次擊穿問題，響應速度快，頻率高，浪涌電壓小[2]。但它的缺點在于不適用于大功率的場合。在設計脈沖電源驅動電路時，考慮到電火花加工的功率不是很大，MOSFET可以完全適用。

但MOSFET的極間電容問題同樣不可忽略，其充放電的過程會影響到開關速度，控制策略上必須加大驅動電路電壓，以達到使電容快速充放電的目的。選擇MOSFET管還要設計一些保護電路，比如過電壓保護即設計一個緩沖回路來抑制浪涌電壓；欠電壓保護防止產生錯誤的邏輯信號[3]。

3 傳統直流斬波驅動電路

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為另一組可調的直流電壓，該電路是脈沖電源驅動電路不可或缺的一部分，直流斬波電路的優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，之后用晶體管來充當開關元器件，連接電容、電阻、二極管和電感來實現升壓降壓，現有的電源電路拓撲結構主要有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。脈沖電源的驅動電路的拓撲結構主要采用降壓BUCK電路。

3.2 直流斬波電路問題

傳統的直流斬波電路的優點在于設備簡單，響應快，成本低廉，但在電磁干擾問題上有缺陷，因為硬件電路過多會對整個電路板產生電磁干擾，影響系統正常工作，降低脈沖電源的整體效率。本文旨在通過設計傳統直流斬波電路來與新型驅動電路進行對比，來研究脈沖電源驅動電路的最優選擇。

4 新型集成芯片驅動電路endprint

新型集成芯片電路是借鑒了國內外脈沖電源驅動設計部分的研究情況，設計的集成驅動電路，該電路驅動模塊采用IR2101芯片來控制MOSFET管的開關，在PWM波形產生方面，采用了TL494CN芯片，該芯片產生的PWM波直接作用于集成芯片上控制開關部分。

如圖1所示，為TL494和IR2304驅動芯片串接的電路圖，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芯片5腳和6腳的電容和電阻來確定F=RC，該芯片由12V的外接直流電壓供電，輸出端接專用驅動芯片IR2101。IR2101是新一代半橋驅動集成芯片，動態響應快，驅動能力強，工作頻率高，低功耗設計，具有電源欠保護和關斷邏輯，同樣只需要12V的電壓為芯片供電。芯片控制兩個MOSFET開關管IRF510完成電路斬波，并通過P2輸出接到脈沖加工間隙上，供給電火花加工所需能量。

5 結束語

通過對脈沖電源傳統驅動電路的問題進行分析，發現了傳統BUCK驅動電路硬件電路過多，從而產生較大的電磁干擾。基于此類問題，提出了一種新的脈沖電源驅動電路的解決辦法，該電路采用專用驅動集成芯片IR2101和PWM波產生芯片TL494CN串聯實現。通過對比分析，新型集成驅動電路在加工工藝上優于傳統驅動電路，但在節能、成本、電路結構等問題方面能否再進一步提高和優化，還需要再進一步探究。

參考文獻：

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