电火花加工脉冲电源新型驱动电路的研究

徐明刚　赵洁明

摘 要：文章通过对现今电火花加工脉冲电源驱动部分的研究情况进行分析，发现了脉冲电源驱动电路部分存在问题，硬件电路过多，导致电磁干扰严重。在此基础上，文章研制出一种新的脉冲电源驱动电路，该电路采用专用驱动集成芯片IR2101以及PWM（脉冲宽度调制模式）波产生芯片TL494CN串联共同构成，在效率上对电火花加工有明显提升。通过其和传统直流斩波驱动电路进行对比，得出新型驱动电路在电火花加工的精度、速度、表面粗糙度上有更好的表现。

关键词：电火花加工；脉冲电源；驱动电路；开关器件

中图分类号：TG661 文献标志码：A 文章编号：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

随着科技的不断发展，加工制造业对加工精度和加工材料的要求越来越高，传统的加工方法已经很难满足当前的加工形式。电火花加工是特种加工的主要组成部分，利用工具电极和工件之间的电火花放电产生的局部高温能很好地蚀除难加工材料、形状复杂的材料、加工微孔等。而电火花加工中最重要的组成部分就是脉冲电源的驱动电路部分，虽然近几年，脉冲电源技术在国内外发展迅速，但驱动电路部分普遍存在问题，通过分析发现驱动电路加工效率不高，硬件电路过多导致电磁干扰问题严重。故设计一款高效、节能的脉冲电源驱动电路对电火花加工的效率、加工精度、表面粗糙度等有很大的影响。

2 开关元器件

2.1 开关器件的类型

开关器件是驱动电路的核心部分，除了早期的RC微能脉冲电源外，当下的任何脉冲电源驱动电路都需要有开关元器件来完成直流斩波以及PWM波输出。场效应管、二极管和晶体管都可用于实现开关电路，但具有不同特性，然而，他们的基本电路结构都相同，一个与TTL兼容的控制信号，由功率门电路放大，送入电平转换器，产生断开和接通开关的电压。选择一款合适的开关元器件对电火花加工的精度、速度、效率以及电极损耗上尤为重要。

2.2 开关器件的选择

根据脉冲电源技术参数要求，综合选择场效应晶体管MOSFET作为驱动电路的开关器件。MOSFET是当今非常流行的开关器件，MOSFET是一种电压控制型单极晶体管，它具有很多开关器件不具备的优点，例如驱动电路简单，功率小，没有二次击穿问题，响应速度快，频率高，浪涌电压小[2]。但它的缺点在于不适用于大功率的场合。在设计脉冲电源驱动电路时，考虑到电火花加工的功率不是很大，MOSFET可以完全适用。

但MOSFET的极间电容问题同样不可忽略，其充放电的过程会影响到开关速度，控制策略上必须加大驱动电路电压，以达到使电容快速充放电的目的。选择MOSFET管还要设计一些保护电路，比如过电压保护即设计一个缓冲回路来抑制浪涌电压；欠电压保护防止产生错误的逻辑信号[3]。

3 传统直流斩波驱动电路

3.1 直流斩波电路概述

直流斩波电路即DC-DC变换电路是将直流电变为另一组可调的直流电压，该电路是脉冲电源驱动电路不可或缺的一部分，直流斩波电路的优劣直接决定了电火花脉冲电源加工的精度，速度和表面粗糙度。传统的直流斩波电路首先要利用整流滤波电路将交流变直流，之后用晶体管来充当开关元器件，连接电容、电阻、二极管和电感来实现升压降压，现有的电源电路拓扑结构主要有BOOST电路、BUCK电路、BUCK-BOOST电路、反激变换、正激变换、半桥变换、LLC谐振变换电路等。脉冲电源的驱动电路的拓扑结构主要采用降压BUCK电路。

3.2 直流斩波电路问题

传统的直流斩波电路的优点在于设备简单，响应快，成本低廉，但在电磁干扰问题上有缺陷，因为硬件电路过多会对整个电路板产生电磁干扰，影响系统正常工作，降低脉冲电源的整体效率。本文旨在通過设计传统直流斩波电路来与新型驱动电路进行对比，来研究脉冲电源驱动电路的最优选择。

4 新型集成芯片驱动电路endprint

新型集成芯片电路是借鉴了国内外脉冲电源驱动设计部分的研究情况，设计的集成驱动电路，该电路驱动模块采用IR2101芯片来控制MOSFET管的开关，在PWM波形产生方面，采用了TL494CN芯片，该芯片产生的PWM波直接作用于集成芯片上控制开关部分。

如图1所示，为TL494和IR2304驱动芯片串接的电路图，TL494芯片是MOTOROLA公司推出的一款高性能的固定频率PWM波输出芯片，周期和频率的确定通过芯片5脚和6脚的电容和电阻来确定F=RC，该芯片由12V的外接直流电压供电，输出端接专用驱动芯片IR2101。IR2101是新一代半桥驱动集成芯片，动态响应快，驱动能力强，工作频率高，低功耗设计，具有电源欠保护和关断逻辑，同样只需要12V的电压为芯片供电。芯片控制两个MOSFET开关管IRF510完成电路斩波，并通过P2输出接到脉冲加工间隙上，供给电火花加工所需能量。

5 结束语

通过对脉冲电源传统驱动电路的问题进行分析，发现了传统BUCK驱动电路硬件电路过多，从而产生较大的电磁干扰。基于此类问题，提出了一种新的脉冲电源驱动电路的解决办法，该电路采用专用驱动集成芯片IR2101和PWM波产生芯片TL494CN串联实现。通过对比分析，新型集成驱动电路在加工工艺上优于传统驱动电路，但在节能、成本、电路结构等问题方面能否再进一步提高和优化，还需要再进一步探究。

参考文献：

[1]刘永红.电火花加工脉冲电源功率器件的研究进展[J].制造业自动化，2005，27（3）：58-61.

[2]O. Koch， W. Ehrfeld， FMichel， H.P. Gruber. Recent Progress in Micro-electro Discharge Machining-Part 1. Technology[J].The 13th Int. Symp. On Electro Machining. 2001：154-163.

[3]张恒.电火花成形加工智能脉冲电源研究[D].浙江：浙江工業大学机电工程学院，2008：27-28.

[4]李志国.提高成型电火花加工效率的工艺探讨[J].科技创新与应用，2015（17）：119.

[5]任芸丹，高坚强，时解放.基于大截面聚晶金刚石的绿色电火花放电装置研发[J].科技创新与应用，2016（30）：20-21.

[6]肖菊兰.电火花脉冲电源研究现状及发展趋势[J].科技创新与应用，2016（36）：142.endprint