手持喷涂设备的高压静电电源设计

姚黄，齐金鹏，俞加伟

（东华大学信息科学与技术学院，上海201600）

手持喷涂设备的高压静电电源设计

姚黄，齐金鹏，俞加伟

（东华大学信息科学与技术学院，上海201600）

目前一些运用喷涂工艺的小公司没有专门的高压输送线路，因此生产的产品瑕疵较多，手持喷涂设备很好的解决这一问题。由于其喷枪与工件之间需要一个强静电场，为此设计了一种直流高压静电电源。电源硬件部分主要采用PWM控制方式改变开关管的导通与关闭时间比率，从而实现输出电压大小的可控性。输出电压可控范围0～10kV左右，最小调节量为1 kV，误差为±500 V，输出电流在16 μA左右。检测显示电路依靠A/D转换与分压反馈可测量电压的大小并在液晶屏上显示，还能够绘制电压的实时变化曲线，以便对负载阻态的变化进行实时地观察。用高压电表对该装置的输出端进行测量，结果表明，该装置的输出端确实产生了可控的高电压小电流的"静电"。若以本装置产生的高压静电作用于喷涂枪与工件之间，其喷涂的效果将尤为明显。

静电；高压；PWM；喷涂

静电喷涂是利用高压静电电场是带负电的涂料微粒沿着电场相反的方向定向运动，并将涂料微粒吸附在工件表面的一种喷涂方法。静电喷涂设备由喷枪、喷杯以及静电喷涂高压电源等组成。当电压足够高时，枪头附近区域内的空气产生强烈的电晕放电，形成了气体电离区域。当静电喷枪将涂料喷出，涂料微粒接触头边缘或喷嘴处的极针而带电，在同性相排斥的力的作用下，颗粒离开喷嘴一小段距离便散开雾化。静电场越强，颗粒散开雾化的效果越好。雾化的颗粒当经过气体电离区时再带电。这些带电的涂料微粒在电场力的作用下向异极的零件表面运动，被附着并沉积在零件表面，形成均匀的涂膜。

国内早有一些厂家，或自行研制或委托开发，但因种种原因至今并未生产具有和国外同类产品相媲美的设备。主要表现在：输出电压小，不适合市场上需方的使用要求，达不到现场使用时的工艺水准，不能成为可靠的实用产品推入市场等等。文中设计的高压静电电源装置，采用软件程序调节，使得输出电压在0～10 kV之间调节。

1　高压静电电源装置的总体构成

本文设计的装置主要由两大模块构成，分别是升压模块和控制模块。该装置总体的硬件框图如图1所示。

图1　硬件框图Fig.1Hardware block diagram

下文将对这两部分分别进行详细介绍。

2　升压模块的设计

本文的电源装置若最终要产生10 kV的高压，电路中就一定要包含有升压电路，而最常见的升压手段即为变压器升压。彩电内的高压包，正名为行输出变压器，也称为行包或行变，其内的硅堆正好用作本装置中升压电路的高反压二极管，效果十分理想［2］。以高压包为核心再对其建立相应的外围电路即可产生上万伏的高压。此部分电路如图3所示。

图2　升压电路图Fig.2Boost circuit

图中的电感L为在行输出变压器的“一次侧”用2 mm的漆包导线缠绕若干圈所形成的线圈绕组。如此在行输出变压器的硅堆一边的“二次侧”即可产生直流脉冲高压静电，此时需要在输出端并接两个耐压20 kV/5 000 pF的电容。便可得到较为稳定的约为脉冲峰值1.4倍的电压输出（此部分在该图中并未详细画出）［3］。

3　控制模块的硬件设计

控制系统的硬件组成部分主要包括电源、单片机模块、按键操作模块和采样显示模块。

控制系统主要通过单片机对开关管进行PWM的占空比进行控制以实时调节升压部分的输出电压［4］。再由采样电路对输出电压值按比例缩小并进行采样检测，反馈回单片机，然后由与单片机相连的LCM12864液晶屏进行电压值的实时显示并绘制电压变化曲线。

3.1电阻分压及阻值计算

本文所设计的装置最终的输出电压将高达10 kV，因此必须要将输出的电压按比例提取出能交由单片机进行处理的5 V以内的电压信号。

在串联电路中，各电阻上的电流相等，各电阻两端的电压之和等于电路总电压。于是可知每个电阻上的电压值就等于该电阻所占该段电路的总电阻的百分比，利用这一简单的分压原理即可从输出的上万伏的高压中提取出变化范围在0到5 V之间的弱电信号以供A/D转换芯片使用。

由于该电源装置最终的输出电压将为10 kV左右，输出电流约为16 μA，即输出电阻为10k/16u=600 MΩ。而现在要从这600 MΩ两端的电压中提取出5 V以内的电压信号，则采样电阻的阻值为600M*（5/10k）等于300 kΩ。采样电路中的电阻多采用多高压电阻串联的方式连接，所以采样电路应设计成由6个100 MΩ电阻再串联一个300 kΩ电阻的结构。

3.2单片机系统与电压采样电路

作为系统核心的单片机芯片，在试验中使用的是最常见也是最易用的STM32F103，此款单片机是32位高性能的单片机。停止模式下典型功耗是20 μA上下，待机模式下典型功耗20 μA上下，停止模式可由外部中断唤醒，很适合在电池供电系统中使用［5］。

采用经典的电压采样电路作为电压采样模块，由采样电阻提取出5 V以内的电压信号，再由电容C滤除杂波并稳定输出，稳压二极管D主要起到控制电压一定要在5 V以内，起到保护STM32F103内部ADC芯片的作用。如此5 V以内的模拟信号经过A/D转换后转换为数字信号送往单片机进行处理，最后在12864液晶屏上显示当前输出的电压值。该采样电路如图4所示。

图3　采样电路Fig.3Sampling circuit

3.3显示电路

显示电路主要是由控制芯片、128×64液晶屏和外围驱动电路组成。其控制器ST7920是台湾矽创电子公司生产的一款优秀的中文图形控制芯片，它可以显示字母，数字符号，中文字型及自定图形显示。该芯片共内置8192个中文汉字（16×16点阵），128个字符的ASCII字符库（16×8点阵）及64×256点阵显示RAM（GDRAM），为了能够简单，有效的显示汉字和图形，该模块内部设计有2 MB的中文字型CGROM和64×256点阵地GDRAM绘图区域；同时，改模块还提供有4组可编程控制的16×16点阵字空间；除此之外，为了适应多种微处理器和单片机接口的需要，该模块还提供了4位并行，8位并行，2线串行等多种接口方式。因此该控制芯片也满足了本设计显示电压曲线的要求［6］。

4　控制模块的软件设计

4.1按键功能的确定

除电源键外本装置将设置3个按键，要求这3个按键就能对电压值的百位与十位分别进行数值调节。当然，为了实验方便，最好是可以双向调节。那么这3个按键实现的功能应该分别是进入/退出调节模式（确认键）、当前位减1和当前位加1。

4.2软件程序流程图

装置开启后，然后首先由用户设定一个电压值，继而开始显示电压变化曲线。然后等待用户按下确认键，按一次显示三位数的电压值（单位：百伏），并且光标在百位闪烁，按加、减键进行调节，再按确认键是对十位进行调节，当第三次按下确认键时，返回到电压变化曲线图界面。据此，设计出软件的程序流程图如图5所示。

图4　程序流程图Fig.4Flowchart of program

5　试验与分析

本设计在焊接前应先结合单片机开发板在面包板上插线进行参数调试。首先利用单片机的计数器产生37 kHz的PWM脉冲，此为高压包最高效工作频率。设定占空比为0.5（即一直保持以当前状态下的最大输出电压进行输出），并接1 000 M欧姆的电阻作为负载然后逐渐增加输入电压、电流并逐渐减少高压包原边匝数来进行试验［7］。每组多次试验并取平均值。根据试验结果，绘制出如表1所示的表格。

依据此表中的数据，最终确定装置的供电电源参数为12 V/2 A，原边线圈匝数为6。此时输出电压约为10.1 kV。

表1　试验电路输入输出关系表Tab.1Relation between input and output of the test circuit

6　结束语

本文设计了一种可控高压静电电源装置，装置由电源模块、单片机控制系统、键盘操作模块、采样检测电路和显示模块等组成。实验证明，本装置产生出的高压静电，电压高，可调范围大，内阻小，带载能力强，可以满足喷涂枪的头部产生一个离子圈，在渗透液、显像粉通过离子圈时，粒子便带负电，同时零件接地带正电，从而使带负电的渗透液、显像粉粒子很好地吸附在工件表面上，形成规则均匀的渗透剂和显象剂薄层。

［1］陈俊华.用黑白电视机高压包制作高压发生器［J］.物理教学探讨，2009（9）：57-58.

［2］FBT设计与制造.高压包的结构和原理［Z］.

［3］周林，蒋建文，易强，等.PWM控制器的控制方法［J］.重庆邮电学院学报：自然科学版，2001（S1）：110-113.

［4］曲振江，刘娜，朱伟.静电除尘装置中倍压整流电路的输出电压［J］.沧州师范学院学报，2014，30（1）：4-10.

［5］裴留庆.电路理论基础［M］.北京：北京师范大学出版社，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稿件编号：201502128

姚黄（1990—），男，安徽桐城人，硕士研究生。研究方向：高压静电电源设计与应用。