刘楠楠， 曹 彪

（华南理工大学 机械与汽车工程学院， 广东 广州 510640）

喷金是薄膜电容器制造中一道非常关键的生产工序，其工作原理是以电弧或者氧乙炔火焰为热源，以两根金属丝材作为电极，在两根金属丝端部短路瞬间产生电弧，电弧燃烧产生的热量使金属丝熔化，利用压缩气体将熔化的金属丝雾化成细小颗粒， 以高速喷涂在卷绕定型的电容器芯子端面上，形成金属电极面，以达到将电极引出的目的。 电弧喷金因其结合强度高、经济以及安全节能等特点，得到广泛应用。 喷金电源为喷金提供能量， 是保证喷金工艺的关键环节之一，其输出参数直接关系到粒子大小、氧化程度、射入深度、粘结强度以及膜烫伤程度等[1]。

目前，国内用于喷金工艺的电源主要是具有平特性的整流式电源，具有良好的电弧自调节作用，但是，其动特性一般通过串接电抗器来改善，调节性能差，难于实现短路电流峰值的限制和上升速度的有效调节，动态响应慢，难以适应送丝速度和气流波动的影响，电弧控制不稳定，喷金过程稳定性和可靠性差，电源的静特性与动特性适应不了高质量电弧喷涂的要求，容易造成喷金过程中断和喷金颗粒粗大、喷涂不均匀以及膜烫伤等涂层缺陷[2-4]。

文中基于薄膜电容器喷金的工艺要求，研制一种高频逆变式喷金电源，通过功率开关管的高频切换，实现高的动态响应速度，改善电源的调节特性，适应送丝速度和气流波动的变化，实现电弧的稳定燃烧，保证喷金过程的稳定性以及涂层质量的均匀性。

1 喷金电弧特性分析

电源输出端的负载特性对电源设计的指导意义极为重要，因此要设计出高负载适应性的喷金电源就必须对喷射双丝电弧特性进行分析。

图1 喷金电弧形态Fig. 1 Arc shape of mental spraying

图1 为喷金电弧形态， 喷金电弧在两根丝材之间形成，由于两丝材成一夹角，所以电弧电场成一锐角，同时喷嘴喷射出气流，电弧空间的带电粒子在电磁压缩和流体压缩共同作用下运动，电弧呈“椭圆形”。

在喷金过程中，由于丝材变形等原因，电弧会经常断弧，处于“引弧—燃烧—熄灭—再引弧”过程，这种过程和电弧能量的波动直接导致熔滴尺寸和温度的大范围变化，容易导致颗粒粗大、涂层不均匀以及膜烫伤等缺陷[5－7]。 所以保证电弧持续稳定的燃烧对喷金质量的改善至关重要。 喷金时电弧工作在电压－电流曲线的上升特性区段。 为了实现弧长的自调整，喷金电源在燃弧阶段应具有平特性，所以电源在燃弧阶段采用恒压控制。

同时，稳定燃烧电弧也会由于熔滴的形成、雾化和向下运动过程的周期性变化引起的极性斑点间距以及弧柱电阻改变而发生周期性变化，电流也在每一瞬间都在变化[8]，所以电源还应具有良好的动特性。

2 电源系统结构

2.1 电源系统概述

文中研制的逆变电源功率为4 kW， 输出电压范围为0～54 V，输出电流范围为0～160 A，逆变频率为100 kHz。 电源控制精度等级、响应速度等得到大大提高，稳压精度和电流控制精度提升到0.5%以内。

喷金电源系统如图2 所示，由主电路、控制系统和人机交互系统组成。 系统由电网单相交流电供电，通过人机交互系统设定相关参数，并通过电流采样电路和电压采样电路实时反馈电弧负载电流和电压，由控制算法给出喷金工艺过程中不同阶段的控制规则，产生相应的PWM 驱动脉冲，控制主回路快速响应。

图2 电源系统框图Fig. 2 Structure diagram of the power supply

2.2 喷金电源主电路拓扑

电源采用的主电路拓扑结构如图3 所示，包括输入整流滤波电路、逆变电路、高频变压器和输出整流滤波电路等部分。 其中逆变电路是整个系统的核心，采用全桥结构，功率逆变电路由两组共4 个功率MOSFET 以及阻容保护电路组成，Q1、Q3，Q2、Q4 组成两组通路轮流交替工作，开关频率为100 kHz，调节时间和反馈控制周期为10 μs，时间分辨率高，电源响应快。 高频变压器次级采用中心抽头形式的多绕组并联结构，提高变压器的耐流值。 直流电抗器L1起到滤波和改善电源动特性的作用，需根据逆变频率和喷金工艺中对电流最大上升率和最小输出电流的要求，计算出合理的电抗值。

控制系统检测输出端电流和电压信号用于电源的电压、电流控制，同时检测电源输出端电流进行过流保护。

图3 电源主电路拓扑Fig. 3 Main circuit topology of the power supply

3 电源控制系统软件设计

3.1 控制系统控制方案

该电源采用电流控制引弧、恒压控制燃弧的方法，保证可靠引弧和稳定燃弧，同时保护电源的功率元器件，系统主程序图如图4 所示。 首先通过人机交互系统对喷金过程中引弧电流以及燃弧电压设定，当检测到启动信号后进入引弧控制过程，经过大量实验统计，引弧成功与引弧不成功的电弧电压分界线为14～16 V， 所以当检测到电弧电压大于14 V，电弧电流不为0 时，即认定引弧成功，引弧成功后切换到恒压燃弧控制，控制电弧稳定燃烧。 当检测到结束信号时，进入收弧控制，电弧熄灭后，整个喷金过程结束。

图4 控制系统主程序流程图Fig. 4 Control system main program flow chart

3.2 数字PI 控制器设计

对电源输出电流或者电压的控制，采用增量式数字PI 控制器，在DSP 中实现数字PI 调节器的离散公式为：

式中：A1=Kp（1+T/Ti）；A2=－Kp；u（t）为采样时刻t 的PI 输出值；e（t），e（t－1）为采样时刻t 和t－1 的偏差值；Kp，Ti为比例系数和积分系数；T 为采样周期；

在引弧阶段反馈量为实际电流值，在燃弧初期反馈量也是电流值，后期反馈量为电压值，而系统的控制量为PWM 的占空比，通过占空比的变化来实现我们要求的控制需求。

引弧期间的恒流控制下，因为短路接触引弧时，电流变化比较大，而在积分量存在的情况下，会导致超调和不稳定，所以在引弧控制的时候，减小积分作用，而在燃弧阶段，引弧成功后的恒压控制要求控制稳定， 而且电流电压变化不大，所以积分量可以相应的取值不同，因此引弧控制以及燃弧控制A1，A2分别采用不同的参数。 这样既可以保证引弧过程电流的快速上升，快速可靠引弧，又可以保证燃弧控制下电弧的稳定燃烧以及快速响应。

4 实验结果

基于上述设计，研制了4 kW 的逆变式喷金电源。 图5（a）为电源120 A 恒流引弧的电流电压波形， 从图中可以看出，短路瞬间电流上升迅速，稳定时间在1 ms 以内，引弧效果良好。 图5（b）为引弧电流120 A，燃弧电压20 V 的实际的喷金效果，其中金属丝直径为2 mm 的锌丝，喷射气压0.55 MPa，喷射距离为20 cm，送丝速度为2.4 m/min。 由图可以看出喷金过程中电弧控制稳定，喷金颗粒细小，均匀，有光泽，喷金质量良好。

图5 实验结果示意图Fig. 5 Waveform of the experiment result

5 结 论

1）燃弧阶段采用恒压控制实现喷金电弧的自调整，为适应电弧电流电压的变化， 研制的喷金电源采用全桥逆变结构，对喷金过程中电流电压波形进行实时控制。

2）数字PI 算法实现对喷金过程中电流电压的控制，恒流引弧和恒压燃弧采用不同的PI 参数，引弧快速可靠，引弧成功后电弧稳定燃烧。

3）实验表明，该电源具有良好的动特性和控制特性，可以快速跟随电弧的动态变化，获得稳定的参数输出，实现喷金丝熔化的稳定控制。

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