20 kHz 脈沖偏壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王 壯 ，許海鷹 ，桑興華 ，楊 波 ，張 偉

(1.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院 高能束流發(fā)生器實(shí)驗(yàn)室，北京 100024；2.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

0 引言

電子束熔絲增材制造技術(shù)是最近幾十年發(fā)展起來的三維一體化制造技術(shù)，以高能量密度的電子束為熱源，在真空環(huán)境下將金屬絲材同步傳送入熔池熔化，按照規(guī)劃的加工路徑逐層沉積[1-3]。該加工工藝過程簡(jiǎn)單、功率大、材料利用率高、制造周期短，且在真空環(huán)境中進(jìn)行，對(duì)金屬保護(hù)作用優(yōu)良，能實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜零件的“近凈”成形，特別適合航空航天領(lǐng)域鈦合金復(fù)雜部件的制造[4-5]。

脈沖電子束最早用于高能電磁波輻射實(shí)驗(yàn)工作，20 世紀(jì)80 年代后在工業(yè)中應(yīng)用于改善表面質(zhì)量和焊接[6-10]。目前，脈沖電子束技術(shù)已經(jīng)在焊接領(lǐng)域得到初步應(yīng)用，脈沖電子束可以減少熱輸入，減小變形[11-15]，將脈沖電子束應(yīng)用于電子束熔絲增材制造領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)一熔滴一脈沖的控制模式，將能顯著提高成形質(zhì)量，改善工件性能。由于束流調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)偏壓來實(shí)現(xiàn)，因此將偏壓設(shè)計(jì)成脈沖輸出模式，可以根據(jù)工作需求獲得脈沖束流。本文設(shè)計(jì)了20 kHz 脈沖偏壓控制系統(tǒng)，通過選擇高速DSP數(shù)字處理芯片、高速運(yùn)放對(duì)脈沖偏壓系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)，通過時(shí)序控制電路，調(diào)節(jié)其PWM 波形，實(shí)現(xiàn)對(duì)偏壓電源脈沖頻率、幅值、占空比的調(diào)節(jié)。

1 脈沖偏壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 脈沖偏壓設(shè)計(jì)原理

脈沖偏壓設(shè)計(jì)原理圖如圖1 所示。圖中Ipg為峰值束流給定，Ibg為基值束流給定，T1為脈沖束流周期，t1為峰值束流作用時(shí)間，t2為基值束流作用時(shí)間，在T1周期內(nèi)，t1峰值束流作用時(shí)間內(nèi)，峰值束流值等于Ipg與Ibg的和；在t2基值束流作用時(shí)間內(nèi)，基值束流為Ibg。T2為脈沖束流的其他周期，t11、t12分別為峰值束流、基值束流的作用時(shí)間。

圖1 脈沖偏壓設(shè)計(jì)原理圖

由于脈沖束流大小與偏壓輸出成反比，反映到偏壓變壓器的輸入，在T1周期內(nèi)，t1峰值束流作用時(shí)間內(nèi)，其偏壓逆變輸入為Upinverter；在T1周期內(nèi)，t2基值束流作用時(shí)間內(nèi)，其偏壓逆變輸入為Ubinverter。Ubinverter的幅值大于Upinverter幅值電壓。

設(shè)計(jì)思路：Upg、Ubg、峰值脈沖頻率、占空比由DSP 確定，逆變PWM 由SG3525A 給定，PWM 頻率大于100 kHz，峰值脈沖束流頻率、占空比通過在100 kHz 載波上疊加獲得，基值逆變頻率為100 kHz，逆變功率器件采用PB50。

脈沖頻率0～20 kHz，在DSP中進(jìn)行設(shè)定；峰值束流與基值束流可以在DSP中計(jì)算出對(duì)應(yīng)的偏壓電壓值，再輸出與SG3525A 輸出的100 kHz 載波進(jìn)行合成。20 kHz脈沖偏壓控制系統(tǒng)的框圖如圖2 所示。

圖2 20 kHz 脈沖偏壓控制系統(tǒng)的框圖

1.2 DSP的選型及接口設(shè)計(jì)

選擇DSPic30F4012 作為主控DSP 芯片，是一種高性能16 位數(shù)字信號(hào)控制器，工作電壓2.5～5.5 V，C 編譯器優(yōu)化的指令集，16 位寬數(shù)據(jù)總線，24 位寬指令，16 個(gè)16 位通用寄存器，最多54 個(gè)可編程數(shù)字I/O 引腳，最多45 個(gè)外部中斷源，5 個(gè)外部中斷，7 個(gè)可編程優(yōu)先級(jí)。設(shè)計(jì)DSPic30F4012 管腳接線圖如圖3 所示。

圖3 DSP的管腳接線圖

1.3 PWM 芯片的選型及設(shè)計(jì)

選擇SG3525A 作為PWM 發(fā)生芯片，SG3525A 通過內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生鋸齒波電壓作為載波信號(hào)，反饋電壓和參考電壓通過內(nèi)部的誤差放大器比較并輸出誤差電壓，此誤差電壓作為調(diào)制信號(hào)，載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)疊加用于確定脈寬調(diào)制波的占空比。反饋電壓越高，輸出脈沖的占空比越小，反之則越大。當(dāng)交流輸入電壓波動(dòng)或負(fù)載變化引起輸出電壓變化時(shí)，由于系統(tǒng)的負(fù)反饋?zhàn)饔?，PWM 輸出脈沖寬度自動(dòng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。SG3525 內(nèi)部的基準(zhǔn)源為5.11 V，將腳16 輸出的基準(zhǔn)電壓經(jīng)分壓后加至同相輸入端腳2，將電壓反饋信號(hào)加至反相輸入端腳1，通過調(diào)整R8的大小可以設(shè)定死區(qū)時(shí)間的寬度，R8越大死區(qū)越寬。根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)要求，可在腳9與腳1之間接入適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。由于電路剛啟動(dòng)時(shí)輸出電壓還未建立，此時(shí)內(nèi)部誤差比較器輸出電壓高，PWM信號(hào)脈寬很大，輸出電壓被抬高，在腳8 軟啟動(dòng)腳外接電容C5，在上電的初始階段，通過電容充電使占空比由零逐漸增大，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能，避免了輸出電壓在啟動(dòng)初期的過調(diào)制現(xiàn)象。在腳10 可加故障保護(hù)信號(hào)，一旦輸出電流傳感器的電流取樣電壓高于設(shè)定電壓時(shí)，會(huì)立即封鎖輸出脈沖信號(hào)。當(dāng)外部封鎖信號(hào)撤去后，SG3525 也要經(jīng)過一次軟啟動(dòng)過程才能重新開始工作。

所設(shè)計(jì)的SG3525A的外圍電路如圖4 所示。圖中PWM 頻率的計(jì)算可以通過式(1)求得：

“配方肥是測(cè)土配方施肥技術(shù)落實(shí)到田間地頭的良好載體，深入開展測(cè)土配方施肥技術(shù)推廣離不開企業(yè)參與?！备呦檎毡硎?，測(cè)土配方工作包括“測(cè)土、配方、配肥、供肥、施肥”五個(gè)環(huán)節(jié)，及“野外調(diào)查、采樣測(cè)試、田間試驗(yàn)、配方設(shè)計(jì)、校正試驗(yàn)、配方加工、示范推廣、宣傳培訓(xùn)、數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、效果評(píng)價(jià)、技術(shù)創(chuàng)新”十一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容。而整個(gè)推廣工作，需要企業(yè)參與，整個(gè)的體制才能更加完善。當(dāng)前，測(cè)土配方施肥進(jìn)一步發(fā)展迫切需要工作深入、細(xì)化，迫切需要技術(shù)進(jìn)步。

圖4 SG3525A 外圍電路

SG3525A的第二腳+V 給定的電壓為參考電壓5.1 V，第一腳-V 輸入為2.5 V，要求PWM 以最大占空比輸出，在第11 腳、第14 腳輸出一組與設(shè)定頻率相同的相位互補(bǔ)的PWM 波形。

1.4 逆變功率器件的選型及設(shè)計(jì)

采用頻率不變、幅值可調(diào)的電路實(shí)現(xiàn)逆變變壓器原邊電壓可調(diào)，要求逆變功率器件不僅能夠高頻變化，而且電壓可以線性調(diào)節(jié)。

選擇PB50 作為逆變功率器件，其金屬殼外觀封裝，方便整體安裝在散熱器上，有助于長(zhǎng)期工作于大功率輸出場(chǎng)合。PB50的工作電壓為±30 V～±100 V，可以獲得連續(xù)2 A的直流電流輸出，具有電壓和電流增益，高電壓變化率，可以達(dá)到50 V/μs，電流輸出限流可以編程，工作頻率可以達(dá)到160 kHz，電流精度可以達(dá)到12 mA?；赑B50的逆變電路如圖5 所示。

圖5 基于PB50的逆變電路

1.5 偏壓整流電路設(shè)計(jì)及器件選型

設(shè)計(jì)的偏壓直流最大達(dá)到2 000 V，變壓器變比1:45，變比匝數(shù)增加，是為了防止變壓器漏感造成的帶載能力下降。所設(shè)計(jì)的整流電路如圖6 所示。

圖6 偏壓整流電路

整流二極管選用10 000 V/0.5 A的高速二極管，為了保護(hù)整流電路，在輸出端串聯(lián)幾個(gè)功率電阻限流，如圖中R3、R4、R5 所示。在偏壓輸出端和-60 kV 之間并聯(lián)2只串聯(lián)的1 000 V 壓敏電阻，防止放電的過壓尖峰；輸出端并聯(lián)的二極管D3與整流二極管同型號(hào)，是為了抑制燈絲和偏壓杯之間放電產(chǎn)生的尖峰。并聯(lián)在整流電路兩端兩組串聯(lián)的200 kΩ/5 W 電路，是為了給整流電源提供一個(gè)假負(fù)載。由于逆變頻率很高，達(dá)到100 kHz，采用較小電容即可獲得穩(wěn)定直流輸出，因此，濾波電容選擇納法級(jí)電容，最低耐壓達(dá)到3 000 V。

HV1 端輸入的是基值逆變交流電壓信號(hào)；HV2 輸入的是峰值逆 變交流電信號(hào)，D11、D12、D13、D14 組成的整流電路與D21、D22、D23、D24 組成的整流電路在Up1串聯(lián)在一起，Up 端連接偏壓杯。

220 kHz 脈沖偏壓控制系統(tǒng)性能測(cè)試

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，所設(shè)計(jì)的20 kHz 脈沖偏壓控制系統(tǒng)性能可達(dá)到如下指標(biāo)：(1)偏壓基值：0～2001V；(2)偏壓峰值：0～2002V；(3)脈沖頻率：0～20.8kHz可調(diào)；(4)占空比：0～80%可調(diào)；(5)偏壓電源工作頻率最大可達(dá)到127.4 kHz。

在峰值束流沒有時(shí)，檢測(cè)基值束流給定時(shí)，偏壓整流電路輸出端電壓，檢測(cè)結(jié)果如表1 所示。從表1中可以看出，束流給定較小時(shí)，偏壓輸出最大，達(dá)到-2 001 V，隨著束流給定增大，偏壓輸出逐漸減小。

從表1中還可以看出，在束流輸出前存在一段死區(qū)(偏壓調(diào)節(jié)無束流輸出)，保障無束流給定信號(hào)時(shí)，偏壓輸出能夠?qū)⑹鞣庾　?/p>

表1 偏壓對(duì)應(yīng)束流輸出檢測(cè)

采用研制的脈沖偏壓控制系統(tǒng)脈沖調(diào)節(jié)部分，連接電壓互補(bǔ)整流電路。

圖7 是基值束流設(shè)定10 mA 時(shí)，基值偏壓變壓器副邊輸出波形。輸出頻率與原邊設(shè)定頻率一致，幅值達(dá)到1 000 V。

圖7 基值設(shè)定10 mA的基值偏壓變壓器副邊輸出檢測(cè)

圖8 是在1 kHz，占空比50%，設(shè)定束流10 mA 經(jīng)過整流電路的脈沖偏壓峰值波形，可以看出脈沖偏壓具有明顯的脈沖特征。

圖8 1 kHz 脈沖偏壓波形

圖9 是峰值束流設(shè)定10 mA，在脈沖峰值頻率10 kHz和20 kHz 時(shí)檢測(cè)的整流電路輸出波形，從圖中可以看出，整流后的電壓存在直流分量，脈沖波形上升沿變化較緩慢，這與偏壓變壓器的繞制工藝有很大關(guān)系，變壓器存在的寄生電感和電容導(dǎo)致脈沖波形畸變。需要在后續(xù)研究工作中優(yōu)化電路參數(shù)，改善脈沖波形。存在的直流分量，將導(dǎo)致輸出束流變小，可以通過優(yōu)化工藝參數(shù)進(jìn)行改善，不會(huì)影響脈沖束流輸出。

圖9 偏壓峰值檢測(cè)

將所研制的脈沖偏壓整流電路安裝于高壓油箱中，高壓電纜不連接電子槍，高壓油箱與逆變電源連接，逆變電源的直流輸入逐漸增大，每次增加20 V，檢測(cè)高壓反饋，同時(shí)檢測(cè)懸浮于負(fù)高壓端的脈沖偏壓整流電路是否有放電現(xiàn)象，在最大耐受電壓條件下，可連續(xù)穩(wěn)定工作1 小時(shí)，說明脈沖偏壓整流電路達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

偏壓電源輸出端連接功率8 kΩ 電阻，該電阻由3.2 kΩ/100 W 功率電阻兩并六串組成，在最大偏壓輸出時(shí)，電壓為2 001 V，檢測(cè)輸出電流為250 mA，功率達(dá)到500.5 W。

3 結(jié)論

本文針對(duì)20 kHz 脈沖偏壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，對(duì)其工作環(huán)境進(jìn)行深入分析，選擇高速DSP 數(shù)字處理芯片、高速運(yùn)放、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的偏壓變壓器結(jié)構(gòu)對(duì)脈沖偏壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行大量試驗(yàn)，獲得達(dá)到設(shè)計(jì)要求的脈沖偏壓控制系統(tǒng)，為脈沖束流的調(diào)控奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

(1)采用DSPIC30F4012 實(shí)現(xiàn)了脈沖束流基值、峰值向偏壓基值、峰值的轉(zhuǎn)化，根據(jù)輸入脈沖頻率、占空比，可以調(diào)節(jié)脈沖束流的輸出；

(2)采用SG3525A 輸出100 kHz 以上的基波，由DSP輸出脈沖合成的模式，再經(jīng)由大功率運(yùn)放、基值、峰值串聯(lián)整流電路可以獲得脈沖偏壓輸出，繼而實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖束流輸出的調(diào)控。