ARM電子束焊機(jī)燈絲電源設(shè)計(jì)方案

傳統(tǒng)的電子束焊機(jī)電源系統(tǒng)采用工頻或中頻技術(shù)，具有體積大、效率低、束流穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。分析電子束焊機(jī)電源目前存在的缺點(diǎn)并結(jié)合現(xiàn)代電力電子技術(shù)，本文提出一種基于ARM的全數(shù)字化控制的燈絲電源方案，并詳細(xì)介紹了軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)表明，該燈絲電源能夠精確地穩(wěn)定陰極燈絲電流，燈絲發(fā)射電子密度穩(wěn)定性好，達(dá)到很好的性能要求。
1.引言
電子束焊機(jī)的工作原理如圖1所示，當(dāng)高壓電子槍中的陰極燈絲被加熱到一定的溫度時(shí)會(huì)逸出電子，散射出的電子則在高壓電場(chǎng)中被加速至光速或接近光速，電子通過(guò)電磁透鏡聚焦后，形成能量密度超高的電子束，當(dāng)電子束轟擊焊件表面時(shí)，電子的強(qiáng)大動(dòng)能瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使金屬熔融，待冷卻后自然凝固，達(dá)到焊接的目的。
電子束焊接陰極燈絲電源主要用于對(duì)陰極燈絲的加熱，使其受熱后發(fā)射電子，控制燈絲加熱電源的輸出電壓或電流可達(dá)到控制溢出電子的目的，從而間接的控制電子束流大小。在實(shí)際焊接過(guò)程中，需要陰極燈絲能夠穩(wěn)定的發(fā)射電子并維持電子槍內(nèi)電子密度幾乎不變，故對(duì)燈絲加熱電源的要求很高。

2.系統(tǒng)構(gòu)成及主回路設(shè)計(jì)
圖2是數(shù)字控制的電子束焊機(jī)陰極燈絲加熱電源的電路原理框圖。燈絲電源主要由濾波整流電路、Buck調(diào)壓電路、逆變電路、信號(hào)處理電路、Arm控制板、燈絲變壓器和高頻整流電路等組成。單相200V市電經(jīng)全橋不控整流濾波后由得到310V左右的平滑直流電壓，由IGBT構(gòu)成的Buck電路完成直流電壓幅值的調(diào)節(jié)，逆變電路完成DC/AC的轉(zhuǎn)換，信號(hào)采集電路將反饋回來(lái)的燈絲變壓器原邊電流和電壓進(jìn)行處理后，送至控制器STM32的A/D輸入端，經(jīng)控制器轉(zhuǎn)換和完成數(shù)字PI調(diào)節(jié)后輸出相應(yīng)的PWM波，然后經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后去驅(qū)動(dòng)IGBT,完成整個(gè)燈絲電源的閉環(huán)控制。改變PWM波的占空比就能改變輸出電壓的幅值和電流。

2.1 CPU控制器
CPU是整個(gè)燈絲電源的核心部分，主要負(fù)責(zé)反饋信號(hào)的采集、數(shù)字PI閉環(huán)計(jì)算、PWM波輸出、參數(shù)設(shè)置和外部通信。CPU采用的是ST公司最新推出的STM32F107系列ARM芯片。該系列芯片采用ARM公司32位的Cortex M3為核心，最高主頻為72MHz,Cortex核心內(nèi)部具有單周期的硬件乘法和除法單元，所以適合用于高速數(shù)據(jù)的處理。芯片具有三個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換周期，最低為1μs的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，三個(gè)獨(dú)立的數(shù)模轉(zhuǎn)換器帶有各自獨(dú)立的采樣保持電路，所以特別適合三相電機(jī)控制、數(shù)字電源和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。芯片還帶有豐富的通訊單元，包括1個(gè)以太網(wǎng)接口、5個(gè)異步串行接口、1個(gè)USB從器件、1個(gè)CAN器件、I2C和SPI等模塊。
2.2 顯示電路及其它電路
對(duì)于獨(dú)立應(yīng)用的電子束焊機(jī)陰極燈絲加熱電源，需要能夠設(shè)置電源的各項(xiàng)參數(shù)，包括設(shè)定輸出電流、PID參數(shù)等，并且實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前電流電壓值，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)候還需要顯示故障類(lèi)型。燈絲電源的顯示單元采用四位數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，具有顯示直觀、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
燈絲電源還包括驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)調(diào)理電路、保護(hù)電路、通信電路等。

3.控制方法及軟件實(shí)現(xiàn)
3.1 數(shù)字PI閉環(huán)控制
當(dāng)Buck電路輸出功率逐漸增大的過(guò)程中，Buck電路工作模式會(huì)從DCM進(jìn)入到CCM狀態(tài)，故被控系統(tǒng)是一個(gè)典型的非線(xiàn)性控制系統(tǒng)。
由于單相市電供電電壓通常存在±10%的波動(dòng)，故整流電壓Us也至少存在±10%的波動(dòng)，此外，陰極燈絲冷態(tài)和熱態(tài)時(shí)相差很大，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)是抑制Us波動(dòng)和燈絲電阻發(fā)生變化對(duì)Io的影響。系統(tǒng)的主要干擾來(lái)自Us的大幅波動(dòng)，為了快速抑制系統(tǒng)波動(dòng)采用負(fù)反饋和Us前饋的控制結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
控制器采用數(shù)字PI控制，即：

當(dāng)電子束焊機(jī)剛開(kāi)機(jī)工作時(shí)，陰極燈絲處于冷態(tài)，此時(shí)突然開(kāi)啟燈絲電源，如果按照電壓控制，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，這會(huì)影響陰極燈絲的壽命，為了避免這種情況，故采用燈絲變壓器原邊電流控制方式。若采用電流控制時(shí)，當(dāng)燈絲開(kāi)路時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的電壓易損壞變壓器二次側(cè)元器件，為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要對(duì)輸出電壓進(jìn)行限制，并及時(shí)提示用戶(hù)燈絲斷裂故障，然后自動(dòng)將輸出電壓降到零。
3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
CPU主要功能是完成閉環(huán)PI控制算法、發(fā)送PWM脈沖、故障保護(hù)、數(shù)據(jù)顯示和遠(yuǎn)程通信。系統(tǒng)軟件主要是對(duì)STM32芯片的編程，編程語(yǔ)言采用C語(yǔ)言。

程序由主程序和若干子程序：通信程序、采樣子程序、PWM中斷程序、顯示程序等組成。進(jìn)入PWM中斷后，首先對(duì)各路反饋信號(hào)進(jìn)行采集和處理，該流程圖如圖5所示，然后經(jīng)數(shù)字PI調(diào)節(jié)器運(yùn)算后產(chǎn)生PWM脈沖輸出，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后驅(qū)動(dòng)IGBT,實(shí)現(xiàn)整個(gè)燈絲電源系統(tǒng)的閉環(huán)控制。
本電源采用全數(shù)字操作界面，所有參數(shù)均能通過(guò)面板按鍵進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了燈絲電源的全數(shù)字化操作，并且數(shù)碼管夠?qū)崟r(shí)顯示燈絲電源系統(tǒng)的輸出電流、輸出電壓、運(yùn)行狀態(tài)、故障信息等，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，CPU將所有PWM脈沖全部封鎖，然后將過(guò)壓、過(guò)流以及燈絲斷裂信息等故障信息顯示出來(lái)。
4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果
電子束焊機(jī)的陰極燈絲一般采用很薄的片狀鎢絲，電阻值通常很小，通常需要燈絲兩端加上0~6V可調(diào)電壓，流過(guò)燈絲的最大電流可達(dá)30A左右。我們將制作的電子束焊機(jī)燈絲電源用在某知名廠家生產(chǎn)的電子束焊機(jī)上，圖6是在真空系統(tǒng)正常工作而高壓電源未開(kāi)啟時(shí)，測(cè)量的燈絲電源工作時(shí)的波形。

其中圖6是輸出燈絲電流設(shè)定21A時(shí)的波形，示波器CH1、CH3是燈絲變壓器原邊電壓、電流測(cè)量波形，CH2是燈絲電流測(cè)量波形。從圖中我們可看出燈絲電源能夠很好實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能，幾乎無(wú)超調(diào)，并且燈絲電流紋波非常小，控制在5%以?xún)?nèi)，達(dá)到了很好的控制效果。
5.總結(jié)
本文提出一種基于Arm的全數(shù)字化控制的燈絲電源方案，分析了逆變式電源具有高精度、小體積、全數(shù)字等特點(diǎn)，所有電源參數(shù)直接通過(guò)人機(jī)界面設(shè)定并存儲(chǔ)，并具備與上位機(jī)遠(yuǎn)程通信的功能。在實(shí)際焊接實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，燈絲能夠按照設(shè)定的上升和下降時(shí)間實(shí)現(xiàn)緩升和緩降功能，當(dāng)燈絲斷裂的時(shí)候也能夠很快識(shí)別并及時(shí)關(guān)斷電源輸出，并及時(shí)提醒用戶(hù)需要跟換新的陰極燈絲，實(shí)現(xiàn)了燈絲電源的智能化，經(jīng)驗(yàn)證，該方案中燈絲電源能夠精確地穩(wěn)定陰極燈絲電流，燈絲發(fā)射電子密度穩(wěn)定性好，達(dá)到很好的性能要求。