工頻倍加型電子束輻照裝置的調(diào)壓控制

周志中 胡守明 王 君 郭洪雷 蘇海軍

（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800）

數(shù)十年來，電子束輻射加工有了很大發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于電線電纜和熱收縮制品的輻射交聯(lián)、涂層固化、橡膠硫化、醫(yī)療器械滅菌等領(lǐng)域。不同應(yīng)用對(duì)電子束能量有不同要求，對(duì)電子束能量的控制是加速器的重要性能指標(biāo)[1]。在優(yōu)化我所研制的1.2 MeV/50 mA工頻倍加型電子加速器、研制 800 keV/30 mA工頻倍加型電子加速器等工作中，我們改進(jìn)了高壓電源設(shè)計(jì)，在模擬裝置上的測(cè)試取得良好結(jié)果。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 高壓調(diào)壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高壓部分由控制系統(tǒng)、受控設(shè)備組成(圖1)。其控制系統(tǒng)包括工控機(jī)和可編程控制器(PLC)，工控機(jī)上實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面，完成加速器狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)存取等功能，并與PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信[2]；PLC主要完成數(shù)據(jù)采集、邏輯控制、參數(shù)調(diào)節(jié)等，伺服控制器FM353根據(jù)用戶程序的命令，發(fā)出控制信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)器。受控設(shè)備由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、柱式調(diào)壓器、高壓倍加線路組成。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接受來自控制器的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并與伺服電機(jī)組成閉環(huán)控制，使伺服電機(jī)免于失步。柱式調(diào)壓器由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的調(diào)節(jié)。高壓倍加線路將調(diào)壓器輸出的交流電壓倍加整流成所需要的直流高壓。同時(shí)柱式調(diào)壓器和倍加線路將信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制[3]。

圖1 高壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematics of the high voltage power supply system.

1.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)與背景

800 keV/30 mA工頻倍加型電子加速器的電源設(shè)計(jì)指標(biāo)為：負(fù)載變化時(shí)，高壓穩(wěn)定度要求在 3%以內(nèi)；平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，高壓穩(wěn)定度在 1%以內(nèi)；空載調(diào)節(jié)范圍為0–880 kV；高壓從0到880 kV調(diào)節(jié)時(shí)間在100 s以內(nèi)。

原高壓調(diào)壓系統(tǒng)采用可控硅移相調(diào)壓方式，但發(fā)現(xiàn)其存在輸出電壓的正弦波形欠佳、可控硅保護(hù)過于靈敏等弊端，高壓調(diào)節(jié)難以滿足要求。后將高壓調(diào)節(jié)方式改為感應(yīng)式調(diào)壓器調(diào)節(jié)，同時(shí)將可控硅電路作為無觸點(diǎn)開關(guān)對(duì)高壓通道進(jìn)行保護(hù)，三相異步電動(dòng)機(jī)作為調(diào)壓器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。然而，這只能控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)停，且感應(yīng)式調(diào)壓器的輸出與調(diào)壓器線圈間的角度呈正弦關(guān)系，與電機(jī)運(yùn)行時(shí)間不呈線性關(guān)系，輸出電壓最小變化僅為3 V，調(diào)壓幅度大，調(diào)壓精度低，依然無法使高壓調(diào)節(jié)達(dá)到控制要求指標(biāo)，對(duì)加速器運(yùn)行造成諸多不便。

后又采用柱式調(diào)壓器代替感應(yīng)式調(diào)壓器，因柱式調(diào)壓器的輸出電壓與電刷在調(diào)壓器線圈上的位置呈線性關(guān)系，還須提高調(diào)壓器輸出電壓調(diào)節(jié)精度，對(duì)調(diào)壓器電刷進(jìn)行位置控制是必要的。通過調(diào)研選擇伺服電機(jī)取代三相異步電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備選型

調(diào)壓系統(tǒng)選擇西門子公司的S7-300型PLC作為下位控制器。選擇定位功能模塊FM353作為伺服控制器，其可完成簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)定位功能，或響應(yīng)、精度、速度有極高要求的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，其最大輸出脈沖頻率為200 kHz。

選擇日本安川電機(jī)有限公司生產(chǎn)的伺服電機(jī)SJME04A和與之配套的驅(qū)動(dòng)器SJDE-04A，電機(jī)的額定扭矩1.27 Nm，最高轉(zhuǎn)速3000 r/min，具有控制方便、響應(yīng)速度快、閉環(huán)防失步、過載能力強(qiáng)等特性，對(duì)工業(yè)控制而言，運(yùn)轉(zhuǎn)高效可靠；驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)置只需調(diào)節(jié)面板上的兩個(gè)撥盤，簡(jiǎn)單可靠，不易出錯(cuò)[4]。

選用上海柱式調(diào)壓器生產(chǎn)制造有限公司生產(chǎn)的單相柱式調(diào)壓器TDZ-60/0.5，其具有波形不失真(波形畸變率增量≤1%，輸出良好正弦波)，零電壓起始調(diào)節(jié)，能帶載、無級(jí)、連續(xù)、平滑、線性地調(diào)節(jié)輸出電壓，過載能力強(qiáng)，能適應(yīng)感性、阻性及容性負(fù)載。調(diào)壓器輸入電壓380 V，輸出電壓0–420 V，額定容量為60 kVA，調(diào)壓精度小于1 V，輸出電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度呈線性關(guān)系。該調(diào)壓器在功率、輸出電壓、波形、精度等方面均能滿足工頻倍加電路的要求。

用北京新創(chuàng)四方電子有限公司生產(chǎn)的霍爾電壓互感器TV2033-01D實(shí)現(xiàn)調(diào)壓器輸出電壓反饋，其可將0–380 V交流電壓線性轉(zhuǎn)化為0–5 V直流電壓，非線性度≤1%，符合線性度要求。倍加線路直流高壓采樣信號(hào)通過光電隔離電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離后，由PLC模擬輸入端口讀取。

2.2 系統(tǒng)配置

線路連接包括：FM353和伺服驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器、受控設(shè)備信號(hào)反饋。電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間線路連接由公司標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)，連接方便；FM353和伺服驅(qū)動(dòng)器連線如圖2所示。調(diào)壓器、倍加線路和PLC間的連線主要是電壓反饋、電流反饋和限位反饋。調(diào)壓器輸入輸出電流的反饋使用電流互感器整流濾波得到；調(diào)壓器過限反饋包括電壓上、下限位，為電平信號(hào)，直接由PLC數(shù)字輸入端口讀取；倍加電路的直流高壓反饋由PLC模擬輸入端口讀取，并且通過光電隔離電路實(shí)現(xiàn)高壓、低壓回路的電氣隔離，防止高壓放電對(duì)控制系統(tǒng)元件的破壞[5]。

圖2 FM353和伺服單元接線圖Fig.2 Connection diagram between the FM353 and its servo unit.

3 軟件設(shè)計(jì)

高壓調(diào)節(jié)由改變調(diào)壓器輸出電壓實(shí)現(xiàn)，而調(diào)壓器輸出電壓的改變則由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)改變電刷在調(diào)壓器線包上的位置實(shí)現(xiàn)，所以調(diào)壓系統(tǒng)程序主要包括電機(jī)控制和電壓調(diào)整。

3.1 電機(jī)控制程序

電機(jī)由FM353控制，通過編寫相關(guān)程序控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和速度。FM353有七操作模式：點(diǎn)動(dòng)模式、開環(huán)控制模式、參考點(diǎn)接近模式、增量模式、手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入模式、自動(dòng)模式、自動(dòng)單程序塊模式。參考點(diǎn)接近模式可以實(shí)現(xiàn) FM353虛擬零點(diǎn)和實(shí)際零點(diǎn)同步，增量模式在同步條件下，可以使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)定角度。所以選用參考點(diǎn)接近模式和增量模式控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

FM353控制電機(jī)程序，主要是通過設(shè)置FM353的參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的控制。主要參數(shù)包括機(jī)械參數(shù)和DB變量。機(jī)械參數(shù)一般在向PLC下載程序前確定，包括電機(jī)加速度、反轉(zhuǎn)補(bǔ)償?shù)入姍C(jī)機(jī)械方面參數(shù)；DB變量則在程序運(yùn)行過程中設(shè)定，通過設(shè)定DB變量，并將其傳遞給FM353，即可實(shí)現(xiàn)FM353操作模式、電機(jī)停止與否、驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)與否、轉(zhuǎn)動(dòng)角度等的確定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。

用戶程序主要包括兩個(gè)Function和兩個(gè)DB，兩個(gè)Function分別是FC100和FC101。FC100實(shí)現(xiàn)邏輯控制和參數(shù)設(shè)定，包括接口參數(shù)：dir、distance、cion、start，其中 dir代表轉(zhuǎn)動(dòng)方向，distance代表轉(zhuǎn)動(dòng)距離，cion代表定位完成，start代表定位運(yùn)行開始，其主要算法流程如圖3所示。FC101完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成常用的工程單位格式，便于計(jì)算和界面顯示。兩個(gè)DB分別是DB100和DB101。DB100是預(yù)定義DB，由FM353驅(qū)動(dòng)盤提供的 UDT創(chuàng)建，內(nèi)有控制電機(jī)的各種參數(shù)。DB101為共享DB，保存電機(jī)控制中涉及到的自定義變量。

圖3 FM353控制電機(jī)程序流程圖Fig.3 Programming of the motor controlled by FM353.

3.2 電壓調(diào)整程序

3.2.1 PLC程序

電壓調(diào)節(jié)程序集成在FB2中，根據(jù)上位機(jī)指令計(jì)算出相應(yīng)的調(diào)節(jié)參數(shù)，并通過調(diào)用 FC100和FC101實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)壓器輸出電壓的調(diào)節(jié)，其程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。反饋信號(hào)采集在定時(shí)循環(huán)中斷塊OB35中實(shí)現(xiàn)，反饋信號(hào)作相應(yīng)處理后送于FB2中進(jìn)行邏輯運(yùn)算。高壓倍加電路尚未完成安裝，所以采用假負(fù)載模擬倍加線路，采集調(diào)壓器輸出電壓和假負(fù)載上電壓作為電壓反饋信號(hào)。

PLC程序中，電機(jī)斷電有兩種情況：調(diào)壓器電壓先歸零，然后電機(jī)斷電；電機(jī)直接斷電，調(diào)壓器電壓不受影響。正常情況下，在電機(jī)斷電之前，調(diào)壓器電壓歸零，保證工作安全。但當(dāng)電壓不能歸零或反饋出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，可使電機(jī)直接斷電。當(dāng)調(diào)壓器輸出電壓小于5 V時(shí)，程序認(rèn)為電壓已歸零。同時(shí)，電機(jī)斷電前，得確保電機(jī)已停止轉(zhuǎn)動(dòng)，以便保護(hù)電機(jī)，延長(zhǎng)電機(jī)壽命。

在閉環(huán)條件下，當(dāng)實(shí)際電壓值與設(shè)定電壓值的偏差在最大電壓的 3%時(shí)，調(diào)壓速度開始減小，與電壓偏差呈正比。當(dāng)電壓偏差為0時(shí)，調(diào)壓速度也減至 0。在實(shí)際調(diào)壓過程中，由于反饋的延時(shí)，可能還存在微小的過沖，但過沖小于最大電壓的1%，在調(diào)壓范圍內(nèi)，且過沖能夠迅速回調(diào)，將高壓穩(wěn)定在設(shè)定電壓。

當(dāng)電壓接近限位時(shí)，電機(jī)提前減速，使電機(jī)到達(dá)限位時(shí)能夠立即停止，避免明顯過沖，同時(shí)避免因電機(jī)在高速轉(zhuǎn)動(dòng)中突然停止，導(dǎo)致減速過大對(duì)電機(jī)造成傷害。

3.2.2 控制界面

圖5(a)為開環(huán)模式下的界面。其中設(shè)置“增量值”，使電壓有相應(yīng)的增加量。另外按住升壓或降壓按鈕，也可以實(shí)現(xiàn)電壓升降。開環(huán)控制時(shí)，反饋電壓可能會(huì)因?yàn)樨?fù)載動(dòng)態(tài)變化，引起“采樣值”變化(采樣值指負(fù)載反饋電壓)。點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，即可切換到閉環(huán)模式。

閉環(huán)模式下的界面如圖5(b)所示。可以設(shè)置“設(shè)定值”電壓，將“采樣值”電壓逐步調(diào)節(jié)至“設(shè)定值”附近，精度為 2 kV，即調(diào)節(jié)完成后“采樣值”與“設(shè)定值”之間誤差保持在2 kV內(nèi)[3]。

圖4 調(diào)壓程序結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Programming of the high voltage regulating.

圖5 控制界面 (a)開環(huán)控制 (b) 閉環(huán)控制Fig.5 Displays of the open-loop control (a) and the closed-loop control (b).

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

假負(fù)載實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該調(diào)壓系統(tǒng)從0到880 kV的調(diào)節(jié)時(shí)間約70 s(要求為<在100 s)，在閉環(huán)條件下可穩(wěn)定調(diào)節(jié)高壓，但負(fù)載變化過快，可能導(dǎo)致高壓調(diào)節(jié)略有滯后，高壓不穩(wěn)定。圖6是閉環(huán)條件下束流以不同速率變化時(shí)的高壓變化。在50 s內(nèi)，束流由0 mA平穩(wěn)增加到40 mA，高壓基本保持穩(wěn)定，其偏離閉環(huán)穩(wěn)壓值不超過 2%。束流穩(wěn)定后，高壓基本保持不變。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，束流從0 mA增至40 mA的時(shí)間大于40 s時(shí)，高壓偏差在2.5%內(nèi)。

圖6 閉環(huán)時(shí)束流平穩(wěn)上升(a)和驟然升降(b)時(shí)的高壓變化Fig.6 Changes in high voltage at smooth rising (a) and sharp rising/falling (b) of the beam current under closed-loop mode.

圖7為開環(huán)條件下束流快速變化時(shí)的高壓變化，當(dāng)束流急劇上升時(shí)，高壓偏離閉環(huán)穩(wěn)壓值超過10%，但當(dāng)束流穩(wěn)定后，高壓能逐漸穩(wěn)定至設(shè)定值800 keV；束流快速下降時(shí)情況類似。開環(huán)時(shí)，當(dāng)束流快速變化時(shí)，高壓隨之急劇上升，高壓變化量超過10%，下降時(shí)類似。閉環(huán)條件下，該調(diào)壓系統(tǒng)可以保持高壓穩(wěn)定，但由于調(diào)壓系統(tǒng)有一定的響應(yīng)時(shí)間和速度。當(dāng)束流變化太快，超出調(diào)壓系統(tǒng)響應(yīng)范圍時(shí)，高壓偏差會(huì)較大。實(shí)際應(yīng)用中，束流上升一般都有一定的時(shí)間要求，所以電壓波動(dòng)一般可維持在 3%以內(nèi)，能滿足電子加速器調(diào)壓要求，當(dāng)負(fù)載穩(wěn)定后，高壓穩(wěn)定度在1%以內(nèi)，同樣能滿足要求。開環(huán)條件下，束流變化時(shí)高壓隨之變化且不能回復(fù)至原來設(shè)定電壓。

圖8 開環(huán)時(shí)束流驟然增加和下降時(shí)高壓變化圖Fig.8 High voltage changes at sharp rising/falling of the beam current under open-loop mode.

5 結(jié)語

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和調(diào)試，系統(tǒng)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了加速器高壓部分的電壓調(diào)節(jié)和控制，控制精度能夠達(dá)到要求。作為控制系統(tǒng)的通用模型，該系統(tǒng)稍作修改便可以用于其它采用調(diào)壓器調(diào)節(jié)控制的場(chǎng)合。同時(shí)FM353控制伺服電機(jī)的硬件電路和控制程序也值得借鑒，當(dāng)需要FM353控制伺服電機(jī)時(shí)，本系統(tǒng)的控制程序是一個(gè)很好的實(shí)例。

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