手持噴涂設備的高壓靜電電源設計

姚黃，齊金鵬，俞加偉

（東華大學信息科學與技術(shù)學院，上海201600）

手持噴涂設備的高壓靜電電源設計

姚黃，齊金鵬，俞加偉

（東華大學信息科學與技術(shù)學院，上海201600）

目前一些運用噴涂工藝的小公司沒有專門的高壓輸送線路，因此生產(chǎn)的產(chǎn)品瑕疵較多，手持噴涂設備很好的解決這一問題。由于其噴槍與工件之間需要一個強靜電場，為此設計了一種直流高壓靜電電源。電源硬件部分主要采用PWM控制方式改變開關管的導通與關閉時間比率，從而實現(xiàn)輸出電壓大小的可控性。輸出電壓可控范圍0～10kV左右，最小調(diào)節(jié)量為1 kV，誤差為±500 V，輸出電流在16 μA左右。檢測顯示電路依靠A/D轉(zhuǎn)換與分壓反饋可測量電壓的大小并在液晶屏上顯示，還能夠繪制電壓的實時變化曲線，以便對負載阻態(tài)的變化進行實時地觀察。用高壓電表對該裝置的輸出端進行測量，結(jié)果表明，該裝置的輸出端確實產(chǎn)生了可控的高電壓小電流的"靜電"。若以本裝置產(chǎn)生的高壓靜電作用于噴涂槍與工件之間，其噴涂的效果將尤為明顯。

靜電；高壓；PWM；噴涂

靜電噴涂是利用高壓靜電電場是帶負電的涂料微粒沿著電場相反的方向定向運動，并將涂料微粒吸附在工件表面的一種噴涂方法。靜電噴涂設備由噴槍、噴杯以及靜電噴涂高壓電源等組成。當電壓足夠高時，槍頭附近區(qū)域內(nèi)的空氣產(chǎn)生強烈的電暈放電，形成了氣體電離區(qū)域。當靜電噴槍將涂料噴出，涂料微粒接觸頭邊緣或噴嘴處的極針而帶電，在同性相排斥的力的作用下，顆粒離開噴嘴一小段距離便散開霧化。靜電場越強，顆粒散開霧化的效果越好。霧化的顆粒當經(jīng)過氣體電離區(qū)時再帶電。這些帶電的涂料微粒在電場力的作用下向異極的零件表面運動，被附著并沉積在零件表面，形成均勻的涂膜。

國內(nèi)早有一些廠家，或自行研制或委托開發(fā)，但因種種原因至今并未生產(chǎn)具有和國外同類產(chǎn)品相媲美的設備。主要表現(xiàn)在：輸出電壓小，不適合市場上需方的使用要求，達不到現(xiàn)場使用時的工藝水準，不能成為可靠的實用產(chǎn)品推入市場等等。文中設計的高壓靜電電源裝置，采用軟件程序調(diào)節(jié)，使得輸出電壓在0～10 kV之間調(diào)節(jié)。

1　高壓靜電電源裝置的總體構(gòu)成

本文設計的裝置主要由兩大模塊構(gòu)成，分別是升壓模塊和控制模塊。該裝置總體的硬件框圖如圖1所示。

圖1　硬件框圖Fig.1Hardware block diagram

下文將對這兩部分分別進行詳細介紹。

2　升壓模塊的設計

本文的電源裝置若最終要產(chǎn)生10 kV的高壓，電路中就一定要包含有升壓電路，而最常見的升壓手段即為變壓器升壓。彩電內(nèi)的高壓包，正名為行輸出變壓器，也稱為行包或行變，其內(nèi)的硅堆正好用作本裝置中升壓電路的高反壓二極管，效果十分理想［2］。以高壓包為核心再對其建立相應的外圍電路即可產(chǎn)生上萬伏的高壓。此部分電路如圖3所示。

圖2　升壓電路圖Fig.2Boost circuit

圖中的電感L為在行輸出變壓器的“一次側(cè)”用2 mm的漆包導線纏繞若干圈所形成的線圈繞組。如此在行輸出變壓器的硅堆一邊的“二次側(cè)”即可產(chǎn)生直流脈沖高壓靜電，此時需要在輸出端并接兩個耐壓20 kV/5 000 pF的電容。便可得到較為穩(wěn)定的約為脈沖峰值1.4倍的電壓輸出（此部分在該圖中并未詳細畫出）［3］。

3　控制模塊的硬件設計

控制系統(tǒng)的硬件組成部分主要包括電源、單片機模塊、按鍵操作模塊和采樣顯示模塊。

控制系統(tǒng)主要通過單片機對開關管進行PWM的占空比進行控制以實時調(diào)節(jié)升壓部分的輸出電壓［4］。再由采樣電路對輸出電壓值按比例縮小并進行采樣檢測，反饋回單片機，然后由與單片機相連的LCM12864液晶屏進行電壓值的實時顯示并繪制電壓變化曲線。

3.1電阻分壓及阻值計算

本文所設計的裝置最終的輸出電壓將高達10 kV，因此必須要將輸出的電壓按比例提取出能交由單片機進行處理的5 V以內(nèi)的電壓信號。

在串聯(lián)電路中，各電阻上的電流相等，各電阻兩端的電壓之和等于電路總電壓。于是可知每個電阻上的電壓值就等于該電阻所占該段電路的總電阻的百分比，利用這一簡單的分壓原理即可從輸出的上萬伏的高壓中提取出變化范圍在0到5 V之間的弱電信號以供A/D轉(zhuǎn)換芯片使用。

由于該電源裝置最終的輸出電壓將為10 kV左右，輸出電流約為16 μA，即輸出電阻為10k/16u=600 MΩ。而現(xiàn)在要從這600 MΩ兩端的電壓中提取出5 V以內(nèi)的電壓信號，則采樣電阻的阻值為600M*（5/10k）等于300 kΩ。采樣電路中的電阻多采用多高壓電阻串聯(lián)的方式連接，所以采樣電路應設計成由6個100 MΩ電阻再串聯(lián)一個300 kΩ電阻的結(jié)構(gòu)。

3.2單片機系統(tǒng)與電壓采樣電路

作為系統(tǒng)核心的單片機芯片，在試驗中使用的是最常見也是最易用的STM32F103，此款單片機是32位高性能的單片機。停止模式下典型功耗是20 μA上下，待機模式下典型功耗20 μA上下，停止模式可由外部中斷喚醒，很適合在電池供電系統(tǒng)中使用［5］。

采用經(jīng)典的電壓采樣電路作為電壓采樣模塊，由采樣電阻提取出5 V以內(nèi)的電壓信號，再由電容C濾除雜波并穩(wěn)定輸出，穩(wěn)壓二極管D主要起到控制電壓一定要在5 V以內(nèi)，起到保護STM32F103內(nèi)部ADC芯片的作用。如此5 V以內(nèi)的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送往單片機進行處理，最后在12864液晶屏上顯示當前輸出的電壓值。該采樣電路如圖4所示。

圖3　采樣電路Fig.3Sampling circuit

3.3顯示電路

顯示電路主要是由控制芯片、128×64液晶屏和外圍驅(qū)動電路組成。其控制器ST7920是臺灣矽創(chuàng)電子公司生產(chǎn)的一款優(yōu)秀的中文圖形控制芯片，它可以顯示字母，數(shù)字符號，中文字型及自定圖形顯示。該芯片共內(nèi)置8192個中文漢字（16×16點陣），128個字符的ASCII字符庫（16×8點陣）及64×256點陣顯示RAM（GDRAM），為了能夠簡單，有效的顯示漢字和圖形，該模塊內(nèi)部設計有2 MB的中文字型CGROM和64×256點陣地GDRAM繪圖區(qū)域；同時，改模塊還提供有4組可編程控制的16×16點陣字空間；除此之外，為了適應多種微處理器和單片機接口的需要，該模塊還提供了4位并行，8位并行，2線串行等多種接口方式。因此該控制芯片也滿足了本設計顯示電壓曲線的要求［6］。

4　控制模塊的軟件設計

4.1按鍵功能的確定

除電源鍵外本裝置將設置3個按鍵，要求這3個按鍵就能對電壓值的百位與十位分別進行數(shù)值調(diào)節(jié)。當然，為了實驗方便，最好是可以雙向調(diào)節(jié)。那么這3個按鍵實現(xiàn)的功能應該分別是進入/退出調(diào)節(jié)模式（確認鍵）、當前位減1和當前位加1。

4.2軟件程序流程圖

裝置開啟后，然后首先由用戶設定一個電壓值，繼而開始顯示電壓變化曲線。然后等待用戶按下確認鍵，按一次顯示三位數(shù)的電壓值（單位：百伏），并且光標在百位閃爍，按加、減鍵進行調(diào)節(jié)，再按確認鍵是對十位進行調(diào)節(jié)，當?shù)谌伟聪麓_認鍵時，返回到電壓變化曲線圖界面。據(jù)此，設計出軟件的程序流程圖如圖5所示。

圖4　程序流程圖Fig.4Flowchart of program

5　試驗與分析

本設計在焊接前應先結(jié)合單片機開發(fā)板在面包板上插線進行參數(shù)調(diào)試。首先利用單片機的計數(shù)器產(chǎn)生37 kHz的PWM脈沖，此為高壓包最高效工作頻率。設定占空比為0.5（即一直保持以當前狀態(tài)下的最大輸出電壓進行輸出），并接1 000 M歐姆的電阻作為負載然后逐漸增加輸入電壓、電流并逐漸減少高壓包原邊匝數(shù)來進行試驗［7］。每組多次試驗并取平均值。根據(jù)試驗結(jié)果，繪制出如表1所示的表格。

依據(jù)此表中的數(shù)據(jù)，最終確定裝置的供電電源參數(shù)為12 V/2 A，原邊線圈匝數(shù)為6。此時輸出電壓約為10.1 kV。

表1　試驗電路輸入輸出關系表Tab.1Relation between input and output of the test circuit

6　結(jié)束語

本文設計了一種可控高壓靜電電源裝置，裝置由電源模塊、單片機控制系統(tǒng)、鍵盤操作模塊、采樣檢測電路和顯示模塊等組成。實驗證明，本裝置產(chǎn)生出的高壓靜電，電壓高，可調(diào)范圍大，內(nèi)阻小，帶載能力強，可以滿足噴涂槍的頭部產(chǎn)生一個離子圈，在滲透液、顯像粉通過離子圈時，粒子便帶負電，同時零件接地帶正電，從而使帶負電的滲透液、顯像粉粒子很好地吸附在工件表面上，形成規(guī)則均勻的滲透劑和顯象劑薄層。

［1］陳俊華.用黑白電視機高壓包制作高壓發(fā)生器［J］.物理教學探討，2009（9）：57-58.

［2］FBT設計與制造.高壓包的結(jié)構(gòu)和原理［Z］.

［3］周林，蔣建文，易強，等.PWM控制器的控制方法［J］.重慶郵電學院學報：自然科學版，2001（S1）：110-113.

［4］曲振江，劉娜，朱偉.靜電除塵裝置中倍壓整流電路的輸出電壓［J］.滄州師范學院學報，2014，30（1）：4-10.

［5］裴留慶.電路理論基礎［M］.北京：北京師范大學出版社，1983.

［6］Zhang Cuixia，Wu Jiaxin，Li Yuan xuan.Design of Lowpower Wake-up Circuits in Underwater Acoustic Communication［J］.Physics Procedia，2012，33.

［7］Masuda S et al.A Pulse Voltage Source for Electrostatic Precipitators［C］//Conf.Rec.1987 Annu.Meet IAS，1987：235.

High-voltage electrostatic spraying based power supply design

YAO Huang，QI Jin-peng，YU Jia-wei
（College of Information，Donghua University，Shanghai 201600，China）

At present，some small companies do not need to spray a special high-voltage transmission line，So many products are defective，hand-held spraying equipment good solution to this problem，because of the need for a strong electrostatic field between the gun and the workpiece which，for the design of a DC high voltage electrostatic power.The hardware device changes the duty cycle by PWM control mode，controlling the output voltage magnitude.Controllable output voltage is range of about 0～10 kV.The minimum adjustment amount is 1kV.The error is±500V.The output current is about 16uA.Detection and display circuit can measure and display the value of output voltage and display the dynamic currved.The measurement of high voltage meter shows that the device did generate the controllable"electrostatic"which has high-voltage and low-current.In terms of high-voltage electrostatic interaction between this deviceve of it in real time rely on the A/D conversion and the feedback of divided voltage.The real-time state of load can be easily obse generates spray gun and the workpiece，its effect will be particularly evident spraying

electrostatic；high voltage；PWM；spraying

TN722

A

1674－6236（2015）24-0070-03

2015-02-22稿件編號：201502128

姚黃（1990—），男，安徽桐城人，碩士研究生。研究方向：高壓靜電電源設計與應用。