传统的电子束焊机电源体系选用工频或中频技能，具有体积大、功率低、束流安稳性差等缺陷。剖析电子束焊机电源现在存在的缺陷并结合现代电力电子技能，本文提出一种根据ARM的全数字化操控的灯丝电源计划，并具体介绍了软硬件完结办法。试验标明，该灯丝电源可以精确地安稳阴极灯丝电流，灯丝发射电子密度安稳性好，到达很好的功用要求。
1.导言
电子束焊机的作业原理如图1所示，当高压电子枪中的阴极灯丝被加热到必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快至光速或挨近光速，电子经过电磁透镜聚集后，构成能量密度超高的电子束，当电子束炮击焊件外表时，电子的强壮动能瞬间转变为热能，使金属熔融，待冷却后天然凝结，到达焊接的意图。
电子束焊接阴极灯丝电源首要用于对阴极灯丝的加热，使其受热后发射电子，操控灯丝加热电源的输出电压或电流可到达操控溢出电子的意图，然后直接的操控电子束流巨细。在实践焊接过程中，需求阴极灯丝可以安稳的发射电子并坚持电子枪内电子密度简直不变，故对灯丝加热电源的要求很高。
2.体系构成及主回路规划
图2是数字操控的电子束焊机阴极灯丝加热电源的电路原理框图。灯丝电源首要由滤波整流电路、Buck调压电路、逆变电路、信号处理电路、Arm操控板、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左右的滑润直流电压，由IGBT构成的Buck电路完结直流电压幅值的调度，逆变电路完结DC/AC的转化，信号收集电路将反应回来的灯丝变压器原边电流和电压进行处理后，送至操控器STM32的A/D输入端，经操控器转化和完结数字PI调度后输出相应的PWM波，然后经驱动电路扩大后去驱动IGBT,完结整个灯丝电源的闭环操控。改动PWM波的占空比就能改动输出电压的幅值和电流。
2.1 CPU操控器
CPU是整个灯丝电源的中心部分，首要担任反应信号的收集、数字PI闭环核算、PWM波输出、参数设置和外部通讯。CPU选用的是ST公司最新推出的STM32F107系列ARM芯片。该系列芯片选用ARM公司32位的Cortex M3为中心，最高主频为72MHz,Cortex中心内部具有单周期的硬件乘法和除法单元，所以合适用于高速数据的处理。芯片具有三个独立的转化周期，最低为1μs的高速模数转化器，三个独立的数模转化器带有各自独立的采样坚持电路，所以特别合适三相电机操控、数字电源和网络使用。芯片还带有丰厚的通讯单元，包含1个以太网接口、5个异步串行接口、1个USB从器材、1个CAN器材、I2C和SPI等模块。
2.2 显现电路及其它电路
关于独立使用的电子束焊机阴极灯丝加热电源，需求可以设置电源的各项参数，包含设定输出电流、PID参数等，而且实时显现当时电流电压值，当产生毛病时分还需求显现毛病类型。灯丝电源的显现单元选用四位数码管进行动态显现，具有显现直观、寿数长等长处。
灯丝电源还包含驱动电路、信号调度电路、维护电路、通讯电路等。
3.操控办法及软件完结
3.1 数字PI闭环操控
当Buck电路输出功率逐步增大的过程中，Buck电路作业形式会从DCM进入到CCM状况，故被控体系是一个典型的非线性操控体系。
因为单相市电供电电压一般存在±10%的动摇，故整流电压Us也至少存在±10%的动摇，此外，阴极灯丝冷态和热态时相差很大，操控体系规划的使命是按捺Us动摇和灯丝电阻产生变化对Io的影响。体系的首要搅扰来自Us的大幅动摇，为了快速按捺体系动摇选用负反应和Us前馈的操控结构，操控体系结构如图4所示。
操控器选用数字PI操控，即：
当电子束焊机刚开机作业时，阴极灯丝处于冷态，此刻忽然敞开灯丝电源，假如依照电压操控，势必会产生很大的冲击电流，这会影响阴极灯丝的寿数，为了防止这种状况，故选用灯丝变压器原边电流操控方法。若选用电流操控时，当灯丝开路时会产生很高的电压易损坏变压器二次侧元器材，为了处理这个问题，需求对输出电压进行约束，并及时提示用户灯丝开裂毛病，然后主动将输出电压降到零。
3.2 体系软件规划
CPU首要功用是完结闭环PI操控算法、发送PWM脉冲、毛病维护、数据显现和长途通讯。体系软件首要是对STM32芯片的编程，编程言语选用C言语。
程序由主程序和若干子程序：通讯程序、采样子程序、PWM中止程序、显现程序等组成。进入PWM中止后，首要对各路反应信号进行收集和处理，该流程图如图5所示，然后经数字PI调度器运算后产生PWM脉冲输出，经驱动电路阻隔扩大后驱动IGBT,完结整个灯丝电源体系的闭环操控。
本电源选用全数字操作界面，一切参数均能经过面板按键进行设置，完结了灯丝电源的全数字化操作，而且数码管够实时显现灯丝电源体系的输出电流、输出电压、运转状况、毛病信息等，当产生毛病时，CPU将一切PWM脉冲悉数封闭，然后将过压、过流以及灯丝开裂信息等毛病信息显现出来。
4.试验成果
电子束焊机的阴极灯丝一般选用很薄的片状钨丝，电阻值一般很小，一般需求灯丝两头加上0~6V可调电压，流过灯丝的最大电流可达30A左右。咱们将制造的电子束焊机灯丝电源用在某闻名厂家出产的电子束焊机上，图6是在真空体系正常作业而高压电源未敞开时，丈量的灯丝电源作业时的波形。
其间图6是输出灯丝电流设定21A时的波形，示波器CH1、CH3是灯丝变压器原边电压、电流丈量波形，CH2是灯丝电流丈量波形。从图中咱们可看出灯丝电源可以很好完结软启动功用，简直无超调，而且灯丝电流纹波十分小，操控在5%以内，到达了很好的操控作用。
5.总结
本文提出一种根据Arm的全数字化操控的灯丝电源计划，剖析了逆变式电源具有高精度、小体积、全数字等特色，一切电源参数直接经过人机界面设定并存储，并具有与上位机长途通讯的功用。在实践焊接试验过程中，灯丝可以依照设定的上升和下降时间完结缓升弛缓降功用，当灯丝开裂的时分也可以很快辨认并及时关断电源输出，并及时提示用户需求跟换新的阴极灯丝，完结了灯丝电源的智能化，经验证，该计划中灯丝电源可以精确地安稳阴极灯丝电流，灯丝发射电子密度安稳性好，到达很好的功用要求。
