一種基于ARM的電子束焊機(jī)燈絲電源方案實(shí)現(xiàn)

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。

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。

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。

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、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。

控制方法及軟件實(shí)現(xiàn)

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)典型的非線性控制系統(tǒng)。