基于NE555方波脉冲发生器的设计及应用

文华兵　陈常婷　刘频

摘 要： 为了进行铝合金脉冲MIG焊实验，将NB?500晶闸管直流弧焊电源改造成脉冲电源，采用NE555时基集成电路，设计了频率、占空比、峰值和基值均可独立调节方波脉冲发生器。该方波脉冲发生器与NB?500焊机原有控制电路相结合，系统工作稳定，实现了铝合金脉冲MIG焊接。

关键词： 时基集成电路； 脉冲发生器； 弧焊电源； MIG焊接

中图分类号： TN782?34 文献标识码： A 文章编号： 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气体保护焊机为晶闸管整流电源，其输出外特性为平特性即直流稳压电源，可用于MIG焊和CO2焊，但该电源没有脉冲输出功能。因此，本文以NE555时基集成电路为基础设计了方波脉冲发生器，取代原焊机中控制信号给定环节，采用给定信号变换方式将原焊机改造成一机多用，既可作为直流弧焊电源，又可作为脉冲弧焊电源，并成功用于铝合金脉冲MIG焊[1]。

1 方波脉冲发生器的设计

设计的方波脉冲发生器的原理图如图1所示。由NE555构成的多谐振荡器 [2?3]，在[A]点处输出电压波形为[UA]的锯齿波，如图2所示。其工作原理为：在接通电源后，电源[UDD]通过[R1]和[Rp1]对电容[C1]充电，当电容[C1]的电压充电到[UC1≥2（3UDD）]后，放电管导通，电容[C1]通过[Rp1]对地放电，[UC1]下降；

当[UC1]下降到[≤1（3UDD）]后，放电管截止，电源[UDD]通过[R1]和[Rp1]对电容[C1]充电，使[UC1]从[1（3UDD）]上升到[2（3UDD），]如此反复，当[UDD]为15 V时，在[A]点得到一电压[UA]在5～10 V之间变化的锯齿波脉冲。该锯齿波下降沿宽度[TL≈0.7C1Rp1，]上升沿宽度[TH≈0.7（R1+Rp1）C1，]因此，该锯齿波周期[T≈TH+TL，]即锯齿波频率[fA≈1.44[（R1+Rp1）C1]。]当[C1，R1]大小确定后，锯齿波频率可以通过调节[Rp1]的大小来进行改变。

由运算放大器LM358构成的比较器[4?6]，[UA]加至反相输入端，与同相输入端3脚的电压值[UB]相比较，在LM358的1脚点C处输出方波脉冲[UC，]该方波脉冲的生成原理如图2所示。当2脚的锯齿波电压[UA]高于3脚的电压[UB]时，在1脚处输出一低电平；当2脚的锯齿波电压[UA]低于3脚的输入电压[UB]时，在1脚处输出一高电平。当改变电位器[Rp2]阻值大小的时候，比较器LM358同相输入端的电压值将发生改变，进而改变方波脉冲的占空比。

2 脉冲焊接功能的实现

脉冲MIG焊稳定的熔滴过渡频率在30～300滴/s范围内[7?8]，因此应尽量将图2中锯齿波的发生频率保持在该范围内。由前述可知，锯齿波的频率[fA≈1.44[（R1+Rp1）C1]，]若选[C1=1 μF，]则[4.76 kΩ≤][R1+2Rp1≤]47.6 kΩ，可选[R1=]4.7 kΩ，[Rp1=]15 kΩ，就能保证熔滴的过渡频率在所需范围内。

为了满足脉冲MIG焊占空比调节的要求，脉冲发生器占空比调节范围设计为10%～100%。由于锯齿波的输出电压在5～10 V之间变化，因此在图1所示的电路中选[R2=]5 kΩ，[R3=]10 kΩ，电位器[Rp2]为15 kΩ，此时3脚的输入电压将在5～10 V之间变化，就可以保证足够的调节范围。

由于晶闸管式脉冲弧焊电源的给定脉冲电压大小需要改变，因此需对上述产生的方波脉冲的峰值电压和基值电压进行调节，调节电路如图3所示。INPUT端信号由图1中的C点提供，当输入电压为高电平时，此时三极管VT处于饱和状态，在E点处输出的基值电压[Ugu]由电位器[Rp4]控制；当输入低电平时，三极管VT处于截止状态，在[E]点处输出得峰值电压[Ugu]由电位器[Rp3]控制。当开关S1闭合时，电源输出脉冲电流，可做脉冲弧焊电源使用；当开关S1断开时，电源输出直流电流，可做直流弧焊电源使用，实现了一机多用的功能。

[E]点处输出的脉冲电压[Ugu]与NB?500原有的控制电路相结合，控制焊接电流的输出，其控制原理如图4所示。当给定电压[Ugu]为高幅值时，主电路将输出相应幅值的脉冲电流；当脉冲给定电压[Ugu]为低幅值时，主电路将输出与其相应的基值电流[9]。通过调节脉冲给定电压的频率和占空比，就可以实现输出电流的脉宽比和脉冲频率的调节。

用汉诺威焊接分析[10]仪对焊接电流、电弧电压进行采集，实验条件为铝焊丝直径为1.2 mm，保护气体为氩气，焊接速度为60 cm/min，焊接电压为[Uf=]24.5 V，焊接电流为[If=]184 A，脉冲发生器的频率[f]为65 Hz，占空比为42%，峰值设定值为10.7 V，基值设定值为2.4 V，采集到的焊接电流、电弧电压波形如图5所示，因为焊接电弧是非线性负载，因此采集到的电压值较平缓。由于焊机输出电感较大，影响焊接电流脉冲输出的波形，导致脉冲波形有些失真，但通过对熔滴过渡及焊缝的观察，该电路能满足脉冲焊接的实验需求。

3 结 论

本文采用NE555时基集成电路和LM358运算放大器，设计了脉冲频率、占空比以及脉冲峰值和基值均可独立调节的方波脉冲发生器。实践证明，该电路应用于NB?500焊机，能够实现铝合金脉冲MIG焊接。

参考文献

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[2] 孙余凯，吴鸣山，项绮明.555时基电路识图[M].北京：电子工业出版社，2007.

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[10] 汪有韬.基于DSP的高速CO2焊波控系统的研究[D].南昌：南昌航空大学，2007.