傳統的電子束焊機電源系統采用工頻或中頻技術，具有體積大、效率低、束流穩定性差等缺點。分析電子束焊機電源目前存在的缺點并結合現代電力電子技術，本文提出一種基于Arm的全數字化控制的燈絲電源方案，并詳細介紹了軟硬件實現方法。實驗表明，該燈絲電源能夠精確地穩定陰極燈絲電流，燈絲發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會逸出電子，散射出的電子則在高壓電場中被加速至光速或接近光速，電子通過電磁透鏡聚焦后，形成能量密度超高的電子束，當電子束轟擊焊件表面時，電子的強大動能瞬間轉變為熱能，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。在實際焊接過程中，需要陰極燈絲能夠穩定的發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的燈絲變壓器原邊電流和電壓進行處理后，送至控制器STM32的A/D輸入端，經控制器轉換和完成數字PI調節后輸出相應的PWM波，然后經驅動電路放大后去驅動IGBT，完成整個燈絲電源的閉環控制。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。芯片具有三個獨立的轉換周期，最低為1μs的高速模數轉換器，三個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、數字電源和網絡應用。芯片還帶有豐富的通訊單元，包括1個以太網接口、5個異步串行接口、1個USB從器件、1個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，并且實時顯示當前電流電壓值，當發生故障時候還需要顯示故障類型。燈絲電源的顯示單元采用四位數碼管進行動態顯示，具有顯示直觀、壽命長等優點。

燈絲電源還包括驅動電路、信號調理電路、保護電路、通信電路等。

控制方法及軟件實現

1、數字PI閉環控制

當Buck電路輸出功率逐漸增大的過程中，Buck電路工作模式會從DCM進入到CCM狀態，故被控系統是一個典型的非線性控制系統。