CN109217686A - 一种基于stm32可调电压的高压等离子放电电源设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于STM32可调电压的高压等离子放电电源设备，包括主电路、按键和显示电路、控制电路和电源供电电路，主电路包括整流桥、滤波电容、逆变电路、霍尔电压传感器、霍尔电流传感器和升压变压器，控制电路包括STM32最小系统、下载电路、串口通信电路、过流保护电路、远程启停控制电路、软起动控制电路、SPI FLASH电路、过热保护电路、过欠压保护电路、PWM驱动电路、ADC转换电路、电压电流转换电路和频率检测电路，按键和显示电路包括按键、指示灯和LCD显示屏；本发明能提高生产效率、加工质量和生产安全性，同时本发明电路加入了多种保护电路，增加了可靠性。

Description

一种基于STM32可调电压的高压等离子放电电源设备

技术领域

本发明涉及放电设备领域，具体涉及一种基于STM32可调电压的高压等离子放电电源设备。

背景技术

在塑料加工领域，刚被加工出来的塑料薄膜属于非极性聚合物，表面张力较低，油墨和粘合剂都无法在上面附着牢固，因此要对其进行电晕法处理。其原理是在处理设备上加上高频、高压电来电离空气，产生各种离子冲击塑料薄膜，使塑料表面积和粗糙度增加，电离产生的臭氧还能氧化塑料薄膜，提高塑料薄膜的表面能。

为电晕处理设备提供高频、高压电的电源设备一般为高压逆变电源。高压逆变电源利用PWM驱动MOS管或者IGBT，把直流电转变为交流电，通过改变PWM的频率即可提供高频高压电。

而目前国内的高压逆变电源存在着以下的问题：

1、体积大、重量重，移动不方便；

2、采用模拟电路控制，电路复杂，适应性差；

3、只能调整输出电压，不能对电流、功率、频率进行适应性的调整，工艺性能差，并且电压调节精度差。

4、系统可靠性差，保护措施不足。只有短路保护，没有过欠压、过流、过热保护。

5、抗干扰能力差，因电源中加入了大功率变压器等元件，在工作时会产生电磁干扰，影响控制电路工作。

6、不同的设备对电源电压电流的要求都有所不同，甚至有的设备需要10kV以上的高压，这对设备的耐压和安全都有较高要求，而目前大多数电源输出电压都是固定的且能达到的最高电压并不能达到要求，安全保护也得不到保证。

发明内容

有鉴于此，为解决上述现有技术中的问题，本发明提供了一种基于STM32可调电压的高压等离子放电电源设备，具有提高生产效率、加工质量和生产安全性优点，在工作过程中实现电压、电流、功率、工作频率可调，能满足等离子放电加工工艺的要求，而且本发明电路加入了多种保护电路，增加了可靠性。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种基于STM32可调电压的高压等离子放电电源设备，包括主电路、按键和显示电路、控制电路和电源供电电路，所述电源供电电路分别与主电路、按键和显示电路、控制电路连接，用于为主电路、按键和显示电路、控制电路供电，所述主电路包括整流桥、滤波电容、逆变电路、霍尔电压传感器、霍尔电流传感器和升压变压器，所述整流桥与滤波电容连接，所述滤波电容与逆变电路连接，所述逆变电路与升压变压器连接，所述升压变压器分别与霍尔电压传感器和霍尔电流传感器连接，所述控制电路包括STM32最小系统、下载电路、串口通信电路、过流保护电路、远程启停控制电路、软起动控制电路、SPI FLASH电路、过热保护电路、过欠压保护电路、PWM驱动电路、ADC转换电路、电压电流转换电路和频率检测电路，所述STM32最小系统分别与下载电路、串口通信电路、过流保护电路、远程启停控制电路、软起动控制电路、SPI FLASH电路、过热保护电路、过欠压保护电路、PWM驱动电路、ADC转换电路和频率检测电路连接，所述PWM驱动电路与主电路中逆变电路连接，所述ADC转换电路与电压电流转换电路连接，所述电压电流变换电路分别与霍尔电压传感器和霍尔电流传感器连接，所述频率检测电路分别与霍尔电流传感器和电压电流变换电路连接。

进一步地，所述逆变电路由MOS管组成。

进一步地，所述升压变压器的次级输出电压小于等于15kV，次级输出电流小于等于500mA，输出功率小于等于7.5kW。

进一步地，所述升压变压器的匝数比为1：48。

进一步地，所述按键和显示电路与STM32最小系统连接，包括按键、指示灯和LCD显示屏。

进一步地，所述电源供电电路分别输出+15V、-15V、+24V、+5V和3.3V电压。

与现有技术比较，本发明的一种基于STM32可调电压的高压等离子放电电源，具有提高生产效率、加工质量和生产安全性优点，在工作过程中实现电压、电流、功率、工作频率可调，能满足等离子放电加工工艺的要求，而且本发明电路加入了多种保护电路，增加了可靠性。

附图说明

图1为本发明的一种基于STM32可调电压的高压等离子放电电源设备的整体电路框图。

图2为本发明的一种基于STM32可调电压的高压等离子放电电源设备主电路的电路框图。

图3为本发明的一种基于STM32可调电压的高压等离子放电电源设备控制电路的电路框图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明的一种基于STM32可调电压的高压等离子放电电源设备的整体电路框图，包括主电路、按键和显示电路、控制电路和电源供电电路，所述电源供电电路分别与主电路、按键和显示电路、控制电路连接，用于为主电路、按键和显示电路、控制电路供电，所述主电路包括整流桥、滤波电容、逆变电路、霍尔电压传感器、霍尔电流传感器和升压变压器，所述整流桥与滤波电容连接，所述滤波电容与逆变电路连接，所述逆变电路与升压变压器连接，所述升压变压器分别与霍尔电压传感器和霍尔电流传感器连接，所述控制电路包括STM32最小系统、下载电路、串口通信电路、过流保护电路、远程启停控制电路、软起动控制电路、SPI FLASH电路、过热保护电路、过欠压保护电路、PWM驱动电路、ADC转换电路、电压电流转换电路和频率检测电路，所述STM32最小系统分别与下载电路、串口通信电路、过流保护电路、远程启停控制电路、软起动控制电路、SPI FLASH电路、过热保护电路、过欠压保护电路、PWM驱动电路、ADC转换电路和频率检测电路连接，所述PWM驱动电路与主电路中逆变电路连接，所述ADC转换电路与电压电流转换电路连接，所述电压电流变换电路分别与霍尔电压传感器和霍尔电流传感器连接，所述频率检测电路分别与霍尔电流传感器和电压电流变换电路连接。

所述按键和显示电路由三部分组成：按键、指示灯和LCD显示屏。按键用来控制主电路的工作状态（启动或者停止），以及用于调整控制参数电压、电流、工作频率大小等等。指示灯用于表示目前的工作状态，包括启动、停止、故障。LCD显示屏用于显示设定参数、实际工作参数以及故障信息。按键和显示电路受控制电路控制。

如图2所示，为本发明的一种基于STM32可调电压的高压等离子放电电源设备主电路的电路框图，主电路首先将220V交流电通过滤波电容变为310V直流电；逆变电路中的MOS管由PWM驱动电路来控制通断，从而将直流电变为脉冲方波，实现逆变功能；MOS管是电压驱动元件，驱动损耗小，热稳定性好，而且抗干扰能力强，增加了主电路的可靠性；因为在电路通电的瞬间会产生电流尖峰，尖峰过大会损坏其他的元器件，因此在逆变电路中加入了一个软启动电路，让电流尖峰通过一个大电阻，降低尖峰峰值，在电路稳定后，通过继电器短路这个大电阻，这样既可以达到保护元件又不增加功耗的目的；脉冲方波经过升压变压器变为需要的高压交流电，升压变压器要采用耐高压的变压器，考虑到电路的安全性以及变压器耐压值和成本，本发明的次级输出电压最高限制为15kV，匝数比为1：48，最大次级输出电流为500mA，最大输出功率为7.5kW；主电路中加入了霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，实时地把电路参数反馈给控制电路，如果出现过欠压、过流等情况，会马上关断电路，起到保护人和机器的目的。

如图3所示，为本发明的一种基于STM32可调电压的高压等离子放电电源设备控制电路的电路框图，所述STM32最小系统电路是整个控制电路的核心，它通过PWM驱动电路控制PWM信号的占空比、频率；通过串口通信电路和上位机进行通信；通过SPI FLASH电路对外部FLASH进行读写；通过软启动控制电路控制软起动电路的开断；处理ADC转换电路采集回来的信息并显示在LCD显示屏上；当电路中出现过欠压、过流、过温时关断设备并将故障状态显示在LCD显示屏上。

所述串口通信电路用于连接STM32最小系统和上位机。STM32最小系统可以通过串口通信电路将目前电路的工作状态发送给上位机；上位机也可以通过串口通信电路发送信号指令来控制电路的工作状态。

所述频率检测电路用于检测主电路的脉冲方波的频率值，并把它发送给STM32最小系统。

所述电压电流变换电路将霍尔电压传感器和霍尔电流传感器采集的交流参数通过有效值调理芯片变换为有效值，并传输给ADC转换电路。

所述ADC转换电路用于将接收到的电压电流有效值经过分压，抗干扰后输出给STM32最小系统。

所述过欠压保护电路用于采集电源供电电路的电压，判断是否过压或者欠压，如果发生过欠压，将会给STM32最小系统发送相应的故障信号，STM32最小系统将会关断电路输出并显示故障状态，起到保护的目的。

所述过热保护电路通过传感器用于检测当前电路的工作温度，当超过设定的阈值时将会给STM32最小系统发送故障信号，STM32最小系统将会关断整个电路输出并显示故障状态，起到保护的目的。

所述下载电路用于将程序下载到STM32最小系统和进行程序调试。

所述远程启停控制电路通过光耦和开关达到远程启停控制的目的，通过采用光耦和提高供电电压实现远距离控制电源目的，而且也有利于提高电路的抗干扰能力。

所述SPI FLASH电路用于给STM32最小系统提供额外的内存空间，同时用于存放设备当前的参数值。

所述软启动控制电路受STM32最小系统控制，用于控制软启动电路的开通和关断。

所述PWM驱动电路受STM32最小系统控制，产生PWM信号来控制MOS管的通断，通过STM32最小系统来改变PWM信号的频率、占空比即可改变PWM驱动电路的频率和占空比，控制主电路中MOS管的通断频率和占空比，进而改变输出电压、电流或者功率。

所述电源供电电路分两部分，一部分将220V交流电通过变压器降压后，变成低压交流电，再通过整流滤波电路变为低压直流电，再通过各种不同的稳压电路后，可以分别输出+15V、-15V、+24V、+5V和3.3V电压，为控制板以及按键和显示电路板提供所需的相应供电电源；另一部分直接为主电路提供220V交流电。

输出恒压、恒流和恒功率控制采用增量式PID来调节，根据设定值和反馈值的误差，由STM32最小系统来调节PWM信号的频率、占空比，从而控制MOS管的通断频率和占空比，实现调节目的。

实施例

当设备通电以后，LCD显示屏会显示当前电路的各种参数，指示灯也会显示当前设备的状态；按下启动按钮，控制电路就会输出PWM信号，通过PWM驱动电路控制MOS管的开断，从而将直流电变为脉冲方波，实现逆变的功能，脉冲方波经过升压变压器变为需要的高压交流电提供给负载，按停止按钮可以随时停止输出PWM信号，让主电路停止工作；在设备工作过程中，可以随时通过上位机或者LCD显示屏来选择所需的工作参数，设备通过PID控制来调节频率或者占空比，起到改变和稳定参数的目的；在设备工作过程中，如果遇到电源供电电路的电压不稳，造成过欠压、MOS管发热温度过高或者负载电流过大，出现过流的情况，设备会自动停止工作，故障指示灯亮，LCD显示屏显示目前的故障状态，此时按任何的按钮都没有反应，只有排除故障后，重新上电方可继续工作。

综上所述，本发明的一种基于STM32可调电压的高压等离子放电电源，具有提高生产效率、加工质量和生产安全性优点，在工作过程中实现电压、电流、功率、工作频率可调，能满足等离子放电加工工艺的要求，而且本发明电路加入了多种保护电路，增加了可靠性。

Claims (6)

1.一种基于STM32可调电压的高压等离子放电电源设备，包括主电路、按键和显示电路、控制电路和电源供电电路，所述电源供电电路分别与主电路、按键和显示电路、控制电路连接，用于为主电路、按键和显示电路、控制电路供电，其特征在于：所述主电路包括整流桥、滤波电容、逆变电路、霍尔电压传感器、霍尔电流传感器和升压变压器，所述整流桥与滤波电容连接，所述滤波电容与逆变电路连接，所述逆变电路与升压变压器连接，所述升压变压器分别与霍尔电压传感器和霍尔电流传感器连接；所述控制电路包括STM32最小系统、下载电路、串口通信电路、过流保护电路、远程启停控制电路、软起动控制电路、SPI FLASH电路、过热保护电路、过欠压保护电路、PWM驱动电路、ADC转换电路、电压电流转换电路和频率检测电路；所述STM32最小系统分别与下载电路、串口通信电路、过流保护电路、远程启停控制电路、软起动控制电路、SPI FLASH电路、过热保护电路、过欠压保护电路、PWM驱动电路、ADC转换电路和频率检测电路连接，所述PWM驱动电路与主电路中逆变电路连接，所述ADC转换电路与电压电流转换电路连接，所述电压电流变换电路分别与霍尔电压传感器和霍尔电流传感器连接，所述频率检测电路分别与霍尔电流传感器和电压电流变换电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于STM32可调电压的高压等离子放电电源设备，其特征在于：所述逆变电路由MOS管组成。

3.根据权利要求1所述的一种基于STM32可调电压的高压等离子放电电源设备，其特征在于：所述升压变压器的次级输出电压小于等于15kV，次级输出电流小于等于500mA，输出功率小于等于7.5kW。

4.根据权利要求1所述的一种基于STM32可调电压的高压等离子放电电源设备，其特征在于：所述升压变压器的匝数比为1：48。

5.根据权利要求1所述的一种基于STM32可调电压的高压等离子放电电源设备，其特征在于：所述按键和显示电路与STM32最小系统连接，包括按键、指示灯和LCD显示屏。

6.根据权利要求1所述的一种基于STM32可调电压的高压等离子放电电源设备，其特征在于：所述电源供电电路分别输出+15V、-15V、+24V、+5V和3.3V电压。