姚黃，齊金鵬，俞加偉

（東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201600）

手持噴涂設(shè)備的高壓靜電電源設(shè)計(jì)

姚黃，齊金鵬，俞加偉

（東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201600）

目前一些運(yùn)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(shè)備很好的解決這一問題。由于其噴槍與工件之間需要一個(gè)強(qiáng)靜電場(chǎng)，為此設(shè)計(jì)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(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)閉時(shí)間比率，從而實(shí)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(cè)顯示電路依靠A/D轉(zhuǎn)換與分壓反饋可測(cè)量電壓的大小并在液晶屏上顯示，還能夠繪制電壓的實(shí)時(shí)變化曲線，以便對(duì)負(fù)載阻態(tài)的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)地觀察。用高壓電表對(duì)該裝置的輸出端進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明，該裝置的輸出端確實(shí)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(chǎng)是帶負(fù)電的涂料微粒沿著電場(chǎng)相反的方向定向運(yùn)動(dòng)，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(shè)備由噴槍、噴杯以及靜電噴涂高壓電源等組成。當(dāng)電壓足夠高時(shí)，槍頭附近區(qū)域內(nèi)的空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈的電暈放電，形成了氣體電離區(qū)域。當(dāng)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(chǎng)越強(qiáng)，顆粒散開霧化的效果越好。霧化的顆粒當(dāng)經(jīng)過氣體電離區(qū)時(shí)再帶電。這些帶電的涂料微粒在電場(chǎng)力的作用下向異極的零件表面運(yùn)動(dòng)，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(shè)備。主要表現(xiàn)在：輸出電壓小，不適合市場(chǎng)上需方的使用要求，達(dá)不到現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)的工藝水準(zhǔn)，不能成為可靠的實(shí)用產(chǎn)品推入市場(chǎng)等等。文中設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(duì)這兩部分分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2　升壓模塊的設(shè)計(jì)

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(duì)其建立相應(yīng)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(dǎo)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(shí)需要在輸出端并接兩個(gè)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(xì)畫出）［3］。

3　控制模塊的硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件組成部分主要包括電源、單片機(jī)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(jī)對(duì)開關(guān)管進(jìn)行PWM的占空比進(jìn)行控制以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)升壓部分的輸出電壓［4］。再由采樣電路對(duì)輸出電壓值按比例縮小并進(jìn)行采樣檢測(cè)，反饋回單片機(jī)，然后由與單片機(jī)相連的LCM12864液晶屏進(jìn)行電壓值的實(shí)時(shí)顯示并繪制電壓變化曲線。

3.1電阻分壓及阻值計(jì)算

本文所設(shè)計(jì)的裝置最終的輸出電壓將高達(dá)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(jī)進(jìn)行處理的5 V以內(nèi)的電壓信號(hào)。

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(gè)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(hào)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(hào)，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(yīng)設(shè)計(jì)成由6個(gè)100 MΩ電阻再串聯(lián)一個(gè)300 kΩ電阻的結(jié)構(gòu)。

3.2單片機(jī)系統(tǒng)與電壓采樣電路

作為系統(tǒng)核心的單片機(jī)芯片，在試驗(yàn)中使用的是最常見也是最易用的STM32F103，此款單片機(jī)是32位高性能的單片機(jī)。停止模式下典型功耗是20 μA上下，待機(jī)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(hào)，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(hù)STM32F103內(nèi)部ADC芯片的作用。如此5 V以內(nèi)的模擬信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送往單片機(jī)進(jìn)行處理，最后在12864液晶屏上顯示當(dāng)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(dòng)電路組成。其控制器ST7920是臺(tái)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(hào)，中文字型及自定圖形顯示。該芯片共內(nèi)置8192個(gè)中文漢字（16×16點(diǎn)陣），128個(gè)字符的ASCII字符庫（16×8點(diǎn)陣）及64×256點(diǎn)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(shè)計(jì)有2 MB的中文字型CGROM和64×256點(diǎn)陣地GDRAM繪圖區(qū)域；同時(shí)，改模塊還提供有4組可編程控制的16×16點(diǎn)陣字空間；除此之外，為了適應(yīng)多種微處理器和單片機(jī)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(shè)計(jì)顯示電壓曲線的要求［6］。

4　控制模塊的軟件設(shè)計(jì)

4.1按鍵功能的確定

除電源鍵外本裝置將設(shè)置3個(gè)按鍵，要求這3個(gè)按鍵就能對(duì)電壓值的百位與十位分別進(jìn)行數(shù)值調(diào)節(jié)。當(dāng)然，為了實(shí)驗(yàn)方便，最好是可以雙向調(diào)節(jié)。那么這3個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)的功能應(yīng)該分別是進(jìn)入/退出調(diào)節(jié)模式（確認(rèn)鍵）、當(dāng)前位減1和當(dāng)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(shè)定一個(gè)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(rèn)鍵，按一次顯示三位數(shù)的電壓值（單位：百伏），并且光標(biāo)在百位閃爍，按加、減鍵進(jìn)行調(diào)節(jié)，再按確認(rèn)鍵是對(duì)十位進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)?shù)谌伟聪麓_認(rèn)鍵時(shí)，返回到電壓變化曲線圖界面。據(jù)此，設(shè)計(jì)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(yàn)與分析

本設(shè)計(jì)在焊接前應(yīng)先結(jié)合單片機(jī)開發(fā)板在面包板上插線進(jìn)行參數(shù)調(diào)試。首先利用單片機(jī)的計(jì)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(shè)定占空比為0.5（即一直保持以當(dāng)前狀態(tài)下的最大輸出電壓進(jìn)行輸出），并接1 000 M歐姆的電阻作為負(fù)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(jìn)行試驗(yàn)［7］。每組多次試驗(yàn)并取平均值。根據(jù)試驗(yàn)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(shí)輸出電壓約為10.1 kV。

表1　試驗(yàn)電路輸入輸出關(guān)系表Tab.1Relation between input and output of the test circuit

6　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種可控高壓靜電電源裝置，裝置由電源模塊、單片機(jī)控制系統(tǒng)、鍵盤操作模塊、采樣檢測(cè)電路和顯示模塊等組成。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)，可以滿足噴涂槍的頭部產(chǎn)生一個(gè)離子圈，在滲透液、顯像粉通過離子圈時(shí)，粒子便帶負(fù)電，同時(shí)零件接地帶正電，從而使帶負(fù)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(jī)高壓包制作高壓發(fā)生器［J］.物理教學(xué)探討，2009（9）：57-58.

［2］FBT設(shè)計(jì)與制造.高壓包的結(jié)構(gòu)和原理［Z］.

［3］周林，蔣建文，易強(qiáng)，等.PWM控制器的控制方法［J］.重慶郵電學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)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(xué)院學(xué)報(bào)，2014，30（1）：4-10.

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［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(hào)：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(shè)計(jì)與應(yīng)用。