一種基于A(yíng)RM的電子束焊機燈絲電源方案實(shí)現

傳統的電子束焊機電源系統采用工頻或中頻技術(shù)，具有體積大、效率低、束流穩定性差等缺點(diǎn)。分析電子束焊機電源目前存在的缺點(diǎn)并結合現代電力電子技術(shù)，本文提出一種基于A(yíng)rm的全數字化控制的燈絲電源方案，并詳細介紹了軟硬件實(shí)現方法。實(shí)驗表明，該燈絲電源能夠精確地穩定陰極燈絲電流，燈絲發(fā)射電子密度穩定性好，達到很好的性能要求。

引言

電子束焊機的工作原理如圖1所示，當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，當電子束轟擊焊件表面時(shí)，電子的強大動(dòng)能瞬間轉變?yōu)闊崮?，使金屬熔融，待冷卻后自然凝固，達到焊接的目的。

電子束焊接陰極燈絲電源主要用于對陰極燈絲的加熱，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定的發(fā)射電子并維持電子槍內電子密度幾乎不變，故對燈絲加熱電源的要求很高。

系統構成及主回路設計

圖2是數字控制的電子束焊機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調壓電路、逆變電路、信號處理電路、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構成的Buck電路完成直流電壓幅值的調節，逆變電路完成DC/AC的轉換，信號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)控制器轉換和完成數字PI調節后輸出相應的PWM波，然后經(jīng)驅動(dòng)電路放大后去驅動(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。

1、CPU控制器

CPU是整個(gè)燈絲電源的核心部分，主要負責反饋信號的采集、數字PI閉環(huán)計算、PWM波輸出、參數設置和外部通信。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據的處理。芯片具有三個(gè)獨立的轉換周期，最低為1μs的高速模數轉換器，三個(gè)獨立的數模轉換器帶有各自獨立的采樣保持電路，所以特別適合三相電機控制、數字電源和網(wǎng)絡(luò )應用。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、顯示電路及其它電路

對于獨立應用的電子束焊機陰極燈絲加熱電源，需要能夠設置電源的各項參數，包括設定輸出電流、PID參數等，并且實(shí)時(shí)顯示當前電流電壓值，當發(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碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，具有顯示直觀(guān)、壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。

燈絲電源還包括驅動(dòng)電路、信號調理電路、保護電路、通信電路等。

控制方法及軟件實(shí)現

1、數字PI閉環(huán)控制

當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)，故被控系統是一個(gè)典型的非線(xiàn)性控制系統。