基于Arm的电子束焊机灯丝电源的设计方案_技术

　　传统的电子束焊机电源系统采用工频或中频技术，具有体积大、效率低、束流稳定性差等缺点。分析电子束焊机电源目前存在的缺点并结合现代电力电子技术，本文提出一种基于Arm的全数字化控制的灯丝电源方案，并详细介绍了软硬件实现方法。实验表明，该灯丝电源能够精确地稳定阴极灯丝电流，灯丝发射电子密度稳定性好，达到很好的性能要求。

　　1.引言

　　电子束焊机的工作原理如图1所示，当高压电子q中的阴极灯丝被加热到一定的温度时会逸出电子，散射出的电子则在高压电场中被加速至光速或接近光速，电子通过电磁透镜聚焦后，形成能量密度超高的电子束，当电子束轰击焊件表面时，电子的强大动能瞬间转变为热能，使金属熔融，待冷却后自然凝固，达到焊接的目的。

　　电子束焊接阴极灯丝电源主要用于对阴极灯丝的加热，使其受热后发射电子，控制灯丝加热电源的输出电压或电流可达到控制溢出电子的目的，从而间接的控制电子束流大小。在实际焊接过程中，需要阴极灯丝能够稳定的发射电子并维持电子q内电子密度几乎不变，故对灯丝加热电源的要求很高。

　　2.系统构成及主回路设计

　　图2是数字控制的电子束焊机阴极灯丝加热电源的电路原理框图。灯丝电源主要由滤波整流电路、Buck调压电路、逆变电路、信号处理电路、Arm控制板、灯丝变压器和高频整流电路等组成。单相200V市电经全桥不控整流滤波后由得到310V左右的平滑直流电压，由IGBT构成的Buck电路完成直流电压幅值的调节，逆变电路完成DC/AC的转换，信号采集电路将反馈回来的灯丝变压器原边电流和电压进行处理后，送至控制器STM32的A/D输入端，经控制器转换和完成数字PI调节后输出相应的PWM波，然后经驱动电路放大后去驱动IGBT，完成整个灯丝电源的闭环控制。改变PWM波的占空比就能改变输出电压的幅值和电流。

　　2.1 CPU控制器

　　CPU是整个灯丝电源的核心部分，主要负责反馈信号的采集、数字PI闭环计算、PWM波输出、参数设置和外部通信。CPU采用的是ST公司最新推出的STM32F107系列ARM芯片。该系列芯片采用ARM公司32位的Cortex M3为核心，最高主频为72MHz，Cortex核心内部具有单周期的硬件乘法和除法单元，所以适合用于高速数据的处理。芯片具有三个独立的转换周期，最低为1μs的高速模数转换器，三个独立的数模转换器带有各自独立的采样保持电路，所以特别适合三相电机控制、数字电源和网络应用。芯片还带有丰富的通讯单元，包括1个以太网接口、5个异步串行接口、1个USB从器件、1个CAN器件、I2C和SPI等模块。