基于NE555方波脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

文華兵　陳常婷　劉頻

摘 要： 為了進(jìn)行鋁合金脈沖MIG焊實(shí)驗(yàn)，將NB?500晶閘管直流弧焊電源改造成脈沖電源，采用NE555時(shí)基集成電路，設(shè)計(jì)了頻率、占空比、峰值和基值均可獨(dú)立調(diào)節(jié)方波脈沖發(fā)生器。該方波脈沖發(fā)生器與NB?500焊機(jī)原有控制電路相結(jié)合，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了鋁合金脈沖MIG焊接。

關(guān)鍵詞： 時(shí)基集成電路； 脈沖發(fā)生器； 弧焊電源； MIG焊接

中圖分類號(hào)： TN782?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）11?0138?02

Abstract： The NB?500 Thyristor DC arc welding power supply was transformed into a pulsed welding power supply for experiments of aluminum alloy pulsed MIG weld. The square?wave pulse generator whose frequency， duty cycle， peak and base value could be adjusted independently was designed by using NE555 time?base integrated circuit. The generator is combined with original control circuit of NB?500 welding machine. The system works stable and can realize the pulsed MIG weld of aluminum alloy.

Keywords： time?base integrated circuit； pulse generator； arc welding power supply； MIG weld

0 引 言

NB?500氣體保護(hù)焊機(jī)為晶閘管整流電源，其輸出外特性為平特性即直流穩(wěn)壓電源，可用于MIG焊和CO2焊，但該電源沒有脈沖輸出功能。因此，本文以NE555時(shí)基集成電路為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了方波脈沖發(fā)生器，取代原焊機(jī)中控制信號(hào)給定環(huán)節(jié)，采用給定信號(hào)變換方式將原焊機(jī)改造成一機(jī)多用，既可作為直流弧焊電源，又可作為脈沖弧焊電源，并成功用于鋁合金脈沖MIG焊[1]。

1 方波脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的方波脈沖發(fā)生器的原理圖如圖1所示。由NE555構(gòu)成的多諧振蕩器 [2?3]，在[A]點(diǎn)處輸出電壓波形為[UA]的鋸齒波，如圖2所示。其工作原理為：在接通電源后，電源[UDD]通過[R1]和[Rp1]對(duì)電容[C1]充電，當(dāng)電容[C1]的電壓充電到[UC1≥2（3UDD）]后，放電管導(dǎo)通，電容[C1]通過[Rp1]對(duì)地放電，[UC1]下降；

當(dāng)[UC1]下降到[≤1（3UDD）]后，放電管截止，電源[UDD]通過[R1]和[Rp1]對(duì)電容[C1]充電，使[UC1]從[1（3UDD）]上升到[2（3UDD），]如此反復(fù)，當(dāng)[UDD]為15 V時(shí)，在[A]點(diǎn)得到一電壓[UA]在5～10 V之間變化的鋸齒波脈沖。該鋸齒波下降沿寬度[TL≈0.7C1Rp1，]上升沿寬度[TH≈0.7（R1+Rp1）C1，]因此，該鋸齒波周期[T≈TH+TL，]即鋸齒波頻率[fA≈1.44[（R1+Rp1）C1]。]當(dāng)[C1，R1]大小確定后，鋸齒波頻率可以通過調(diào)節(jié)[Rp1]的大小來(lái)進(jìn)行改變。

由運(yùn)算放大器LM358構(gòu)成的比較器[4?6]，[UA]加至反相輸入端，與同相輸入端3腳的電壓值[UB]相比較，在LM358的1腳點(diǎn)C處輸出方波脈沖[UC，]該方波脈沖的生成原理如圖2所示。當(dāng)2腳的鋸齒波電壓[UA]高于3腳的電壓[UB]時(shí)，在1腳處輸出一低電平；當(dāng)2腳的鋸齒波電壓[UA]低于3腳的輸入電壓[UB]時(shí)，在1腳處輸出一高電平。當(dāng)改變電位器[Rp2]阻值大小的時(shí)候，比較器LM358同相輸入端的電壓值將發(fā)生改變，進(jìn)而改變方波脈沖的占空比。

2 脈沖焊接功能的實(shí)現(xiàn)

脈沖MIG焊穩(wěn)定的熔滴過渡頻率在30～300滴/s范圍內(nèi)[7?8]，因此應(yīng)盡量將圖2中鋸齒波的發(fā)生頻率保持在該范圍內(nèi)。由前述可知，鋸齒波的頻率[fA≈1.44[（R1+Rp1）C1]，]若選[C1=1 μF，]則[4.76 kΩ≤][R1+2Rp1≤]47.6 kΩ，可選[R1=]4.7 kΩ，[Rp1=]15 kΩ，就能保證熔滴的過渡頻率在所需范圍內(nèi)。

為了滿足脈沖MIG焊占空比調(diào)節(jié)的要求，脈沖發(fā)生器占空比調(diào)節(jié)范圍設(shè)計(jì)為10%～100%。由于鋸齒波的輸出電壓在5～10 V之間變化，因此在圖1所示的電路中選[R2=]5 kΩ，[R3=]10 kΩ，電位器[Rp2]為15 kΩ，此時(shí)3腳的輸入電壓將在5～10 V之間變化，就可以保證足夠的調(diào)節(jié)范圍。

由于晶閘管式脈沖弧焊電源的給定脈沖電壓大小需要改變，因此需對(duì)上述產(chǎn)生的方波脈沖的峰值電壓和基值電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)電路如圖3所示。INPUT端信號(hào)由圖1中的C點(diǎn)提供，當(dāng)輸入電壓為高電平時(shí)，此時(shí)三極管VT處于飽和狀態(tài)，在E點(diǎn)處輸出的基值電壓[Ugu]由電位器[Rp4]控制；當(dāng)輸入低電平時(shí)，三極管VT處于截止?fàn)顟B(tài)，在[E]點(diǎn)處輸出得峰值電壓[Ugu]由電位器[Rp3]控制。當(dāng)開關(guān)S1閉合時(shí)，電源輸出脈沖電流，可做脈沖弧焊電源使用；當(dāng)開關(guān)S1斷開時(shí)，電源輸出直流電流，可做直流弧焊電源使用，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用的功能。

[E]點(diǎn)處輸出的脈沖電壓[Ugu]與NB?500原有的控制電路相結(jié)合，控制焊接電流的輸出，其控制原理如圖4所示。當(dāng)給定電壓[Ugu]為高幅值時(shí)，主電路將輸出相應(yīng)幅值的脈沖電流；當(dāng)脈沖給定電壓[Ugu]為低幅值時(shí)，主電路將輸出與其相應(yīng)的基值電流[9]。通過調(diào)節(jié)脈沖給定電壓的頻率和占空比，就可以實(shí)現(xiàn)輸出電流的脈寬比和脈沖頻率的調(diào)節(jié)。

用漢諾威焊接分析[10]儀對(duì)焊接電流、電弧電壓進(jìn)行采集，實(shí)驗(yàn)條件為鋁焊絲直徑為1.2 mm，保護(hù)氣體為氬氣，焊接速度為60 cm/min，焊接電壓為[Uf=]24.5 V，焊接電流為[If=]184 A，脈沖發(fā)生器的頻率[f]為65 Hz，占空比為42%，峰值設(shè)定值為10.7 V，基值設(shè)定值為2.4 V，采集到的焊接電流、電弧電壓波形如圖5所示，因?yàn)楹附与娀∈欠蔷€性負(fù)載，因此采集到的電壓值較平緩。由于焊機(jī)輸出電感較大，影響焊接電流脈沖輸出的波形，導(dǎo)致脈沖波形有些失真，但通過對(duì)熔滴過渡及焊縫的觀察，該電路能滿足脈沖焊接的實(shí)驗(yàn)需求。

3 結(jié) 論

本文采用NE555時(shí)基集成電路和LM358運(yùn)算放大器，設(shè)計(jì)了脈沖頻率、占空比以及脈沖峰值和基值均可獨(dú)立調(diào)節(jié)的方波脈沖發(fā)生器。實(shí)踐證明，該電路應(yīng)用于NB?500焊機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)鋁合金脈沖MIG焊接。

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