基于DSP 的電子束選區(qū)熔化束流調(diào)控系統(tǒng)的研制*

王壯，許海鷹，楊波，桑興華，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

電子束選區(qū)熔化增材制造具有成形速度快、成形效率高、能量利用率高、成形件力學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)勢(shì)，在航空航天、生物醫(yī)療和汽車(chē)制造等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用[1-3]。為了獲得穩(wěn)定的電子束流輸出，保證電子束選區(qū)熔化成形的質(zhì)量，不僅需要高可靠性的電子槍與高壓電源系統(tǒng)，還需要穩(wěn)定可靠工作的束流調(diào)控系統(tǒng)。

為了提高電子束流輸出的穩(wěn)定性，研制了一套基于DSP 的電子束選區(qū)熔化束流調(diào)控系統(tǒng)，用于控制60 kV/9 kW 逆變式電子束選區(qū)熔化設(shè)備束流調(diào)控。首先介紹了束流調(diào)控電路在電子束流發(fā)生系統(tǒng)中所起到的作用，然后介紹基于DSP 的電子束選區(qū)熔化束流調(diào)控系統(tǒng)的組成及控制方法，最后配合60 kV/9 kW 電子槍及高壓電源進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明所研制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電子束流輸出。

1 束流調(diào)控系統(tǒng)作用及組成

束流調(diào)控系統(tǒng)與高壓電源以及電子槍的聯(lián)接如圖1所示，柵極電源的正端通過(guò)限流電阻R1 聯(lián)接到加速電源的負(fù)端，柵極電源的負(fù)端聯(lián)接到電子槍的柵極。柵極施加一個(gè)相對(duì)于高壓電源電位更低的電壓，通常稱(chēng)之為偏壓，束流調(diào)控系統(tǒng)通過(guò)控制偏壓的大小，實(shí)現(xiàn)電子束束流的調(diào)節(jié)。

圖1 束流調(diào)控系統(tǒng)與高壓電源以及電子槍的聯(lián)接示意圖

柵極電源由前級(jí)低壓電路和懸浮于負(fù)高壓端的后級(jí)電路組成，前級(jí)電路包括逆變直流電源和逆變電路，主要實(shí)現(xiàn)幅值可調(diào)的直流電壓穩(wěn)定輸出，以及二次逆變等功能，而懸浮于負(fù)高壓端的后級(jí)電路則主要在保障高壓絕緣的條件下實(shí)現(xiàn)升壓和整流。所設(shè)計(jì)柵極電源的工作原理如圖2 所示，380 V 的交流電經(jīng)過(guò)三相全波整流濾波后變成穩(wěn)定的500 V 左右的直流電，再輸入半橋逆變主電路變換成約20 kHz 的交流方波，然后經(jīng)隔離變壓器耦合至副邊進(jìn)行整流濾波，最后得到電壓穩(wěn)定可調(diào)的直流輸出；半橋逆變電路將來(lái)自逆變直流電源的直流電再次逆變成頻率為20 kHz 的方波電壓作為偏壓變壓器的輸入，最終獲得0～-2 000 V 的直流輸出。

圖2 柵極電源工作原理圖

束流調(diào)控系統(tǒng)的控制策略如下：電子束設(shè)備啟動(dòng)之前，束流為0，此時(shí)柵極電源的輸出電壓為-2 000 V；電子束設(shè)備啟動(dòng)后，在加速電壓、燈絲加熱電流達(dá)到設(shè)定要求，束流調(diào)控系統(tǒng)根據(jù)束流設(shè)定值，跳過(guò)束流調(diào)節(jié)“死區(qū)”，利用DSP 強(qiáng)大的計(jì)算能力和優(yōu)化的控制程序，快速輸出相應(yīng)的PWM 脈沖信號(hào)，調(diào)節(jié)柵極電源的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)與設(shè)定值相一致的束流的輸出；同時(shí)束流調(diào)控系統(tǒng)根據(jù)束流反饋信號(hào)閉環(huán)調(diào)節(jié)柵極電源的輸出電壓，保證輸出束流與設(shè)定值相等，提高束流的輸出精度；并且利用程序設(shè)置偏壓輸出的截止點(diǎn)為-20 V，可避免偏壓在-20 V～0 V 時(shí)出現(xiàn)束流輸出不可控的現(xiàn)象。

2 控制電路設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的束流調(diào)控系統(tǒng)采用dsPIC30F4012 作為主控芯片，dsPIC30F4012 不僅具有功能強(qiáng)大的外圍設(shè)備和快速的中斷處理能力，而且融合了可管理高速計(jì)算活動(dòng)和數(shù)據(jù)吞吐的功能，很容易實(shí)現(xiàn)各種控制算法及高速的實(shí)時(shí)采樣，可保證束流的精確控制，提高了電子束加工設(shè)備的性能，滿(mǎn)足高要求的加工工藝。

束流調(diào)控系統(tǒng)框圖如圖3 所示，dsPIC30F4012 接口圖如圖4 所示。偏壓電源的低壓部分電路中的第一逆變電路與第二逆變電路采用不同的控制模式，其中第一逆變電路采用定頻調(diào)脈寬的控制方式，通過(guò)DSP 產(chǎn)生不同占空比的PWM 脈沖信號(hào)，經(jīng)IGBT 驅(qū)動(dòng)電路1后，改變第一逆變器中IGBT 的開(kāi)通/關(guān)斷時(shí)間，從而達(dá)到調(diào)節(jié)偏壓電源輸出電壓的目的；第二逆變電路采用定頻滿(mǎn)脈寬的控制方式?？刂葡到y(tǒng)采用閉環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)束流的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，采樣電路對(duì)束流、高壓值采樣后，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行差動(dòng)放大處理及隔離處理，然后再送入dsPIC30F40-12，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后，控制主芯片將采樣值與設(shè)定值進(jìn)行PID 處理，再計(jì)算出PWM 脈沖占空比，通過(guò)IGBT1 驅(qū)動(dòng)電路控制IGBT 的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)加在電子槍柵極偏壓的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)束流的調(diào)控。

圖3 束流調(diào)控系統(tǒng)框圖

圖4 dsPIC30F4012 接口圖

2.2 采樣反饋電路

采樣電路對(duì)高壓、束流輸出進(jìn)行采樣，然后對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行差動(dòng)放大與隔離處理，再輸入到DSP 中。高壓通過(guò)電阻分壓的方式采樣，當(dāng)高壓輸出達(dá)到-60 kV時(shí)，高壓采樣信號(hào)為-9 V；束流采樣及信號(hào)處理電路如圖5所示，在束流采樣電路中，R1 為高壓放電限流電阻，設(shè)計(jì)為9.24 kΩ，由28 只330 Ω 電阻串聯(lián)而成，Rc 為束流取樣電阻，阻值為60 Ω/50 W，當(dāng)輸出最大束流150 mA時(shí)，對(duì)應(yīng)束流反饋值為9 V，即電壓UC 為9 V。

圖5 束流采樣及信號(hào)處理電路

由于直接采集的束流反饋信號(hào)具有很大的噪聲干擾，同時(shí)為了防止高壓故障對(duì)控制電路的沖擊，需要對(duì)束流采樣信號(hào)進(jìn)行隔離。在束流反饋的信號(hào)處理電路中，Ibf+和Ibf-分別取自束流采樣電阻Rc 的兩端，選用1N4148 二極管在電路中起到鉗位作用，對(duì)電路后級(jí)輸入保護(hù)。首先將兩者輸入到差分放大電路，消除共模干擾信號(hào)，然后再對(duì)其進(jìn)行濾波輸出，得到穩(wěn)定的反饋電壓信號(hào)。為了防止來(lái)自高壓電路的干擾，還要對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行隔離。采用線(xiàn)性隔離芯片ISO124 對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行隔離，信號(hào)以數(shù)字方式傳輸，通過(guò)數(shù)字調(diào)制，具有出色的可靠性以及良好的高頻瞬態(tài)抗擾度，隔離后的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)RC 低通濾波器，除了過(guò)濾不需要的高頻信號(hào)外，電容器還為ADC 提供低阻抗源以對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，電阻器起限流作用，最終束流采集信號(hào)Ibeam-f輸入到DSP 中。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)控制策略

電子束流調(diào)控系統(tǒng)的任務(wù)是在電子束選區(qū)熔化設(shè)備工作過(guò)程中保持束流的穩(wěn)定，或跟隨束流設(shè)定值的變化而快速變化。電子束流調(diào)控系統(tǒng)是基于DSP 控制芯片設(shè)計(jì)的，DSP 將連續(xù)的采樣信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散信號(hào)，以數(shù)碼的形式計(jì)算、傳輸，因此屬于數(shù)字PID 控制系統(tǒng)。電子束流數(shù)字PID 控制系統(tǒng)如圖6 所示。

圖6 電子束束流數(shù)字PID 控制示意框圖

控制系統(tǒng)的輸出y(t)經(jīng)采樣環(huán)節(jié)、采樣保持，D/A 轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，輸入量r(kT)與y(kT)比較，可得到e(kT)=r(kT)-y(kT)。e(kT)被送入數(shù)字PID 調(diào)節(jié)器，按PID 的控制規(guī)律，經(jīng)運(yùn)算后輸出控制量u(kT)，u(kT)經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換、保持器后得到u(t)，再作用于執(zhí)行器改變控制對(duì)象的輸出y(t)。

電子束流控制系統(tǒng)采用積分分離PID 控制算法。因?yàn)樵趯?shí)際的控制過(guò)程中突然啟動(dòng)、突然停止或者大幅度地調(diào)整設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)大的震蕩。為了克服可能出現(xiàn)的系統(tǒng)震蕩，提高響應(yīng)速度，可以采用積分分離的PID 控制算法。積分分離PID 控制算法大概的思路是：系統(tǒng)出現(xiàn)大的偏差量時(shí)，取消積分的作用，避免積分環(huán)節(jié)導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，超調(diào)量變大，當(dāng)偏差量小于設(shè)定值后，引入積分控制環(huán)節(jié)，以此消除系統(tǒng)靜差，提升控制系統(tǒng)的控制精度。

電子束流PID 控制將采樣值和設(shè)定值對(duì)比得出控制量u(t)，控制程序產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM 波形，控制IGBT 的開(kāi)通/截止，從而調(diào)節(jié)偏壓電源的輸出電壓，上述控制模式便使得束流調(diào)控具備數(shù)字化閉環(huán)控制特征。

3.2 PWM 信號(hào)產(chǎn)生

dsPIC30F4012 內(nèi)部集成有產(chǎn)生PWM 的模塊，應(yīng)用PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算偏壓調(diào)控系統(tǒng)需要的PWM值，并將結(jié)果送到內(nèi)部的PWM 控制模塊，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM 波形。上下橋臂的IGBT 驅(qū)動(dòng)波形如圖7 所示，其中PWM1 和PWM2波形互補(bǔ)，頻率為20 kHz，通過(guò)計(jì)算利用軟件設(shè)置合適的死區(qū)時(shí)間，可以確保兩個(gè)IGBT 不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，從而避免功率元件燒毀。PWM 周期計(jì)算公式如下：

圖7 上下橋臂的IGBT 驅(qū)動(dòng)圖

通過(guò)設(shè)定值產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT，同時(shí)控制芯片根據(jù)反饋采樣，利用PID 調(diào)節(jié)，進(jìn)行重新計(jì)算后送入PWM 模塊，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定柵極電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)束流的穩(wěn)定。

3.3 控制程序設(shè)計(jì)

束流調(diào)控系統(tǒng)控制程序主要包含主程序和數(shù)字PID控制算法程序兩部分。其中，主程序流程圖如圖8 所示，主程序的功能包含：反饋信號(hào)處理、數(shù)字PID 調(diào)整、中斷程序的處理。

圖8 主程序流程圖

積分分離PID 控制算法表達(dá)式為：

當(dāng)|e(k)| ＞ε時(shí)，系統(tǒng)采用PD 控制策略，這樣可避免系統(tǒng)產(chǎn)生過(guò)大的超調(diào)量，又可以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度；|e(k)| ≤ε時(shí)，系統(tǒng)采用PID 控制策略，這樣可以保證系統(tǒng)控制精度，其流程圖如圖9 所示。

圖9 積分分離PID 控制流程圖

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

將功率為60 kV/9 kW 的逆變電源、電子槍與電子束選區(qū)熔化束流調(diào)控系統(tǒng)組成一套電子束束流發(fā)生系統(tǒng)，檢測(cè)偏壓改變時(shí)，束流變化趨勢(shì)，并根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)繪制出偏壓與相應(yīng)束流輸出的關(guān)系曲線(xiàn)。

在燈絲加熱電流25 A，偏壓給定電壓180 V，高壓輸出-60 kV時(shí)，分別對(duì)高壓、偏壓變壓器原邊輸入電壓和輸出束流進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)波形如圖10 所示。CH1 為高壓采樣電壓波形，CH2 為束流采樣電壓波形，CH4 為偏壓功率變壓器原邊電壓波形，在采樣電阻上檢測(cè)到束流反饋信號(hào)為4.41 V，束流輸出為73.5 mA。

圖10 高壓、束流輸出及偏壓功率變壓器原邊輸入電壓波形

在高壓給定-60 kV，燈絲加熱電流25 A，偏壓從-2 000 V 逐漸減小到-20 V，檢測(cè)相應(yīng)的束流輸出，檢測(cè)結(jié)果如圖11 所示。偏壓在-2 000 V～-500 V 幾乎沒(méi)有束流產(chǎn)生，處于偏壓調(diào)節(jié)束流的“死區(qū)”；隨著偏壓從-500 V逐漸向-300 V 調(diào)節(jié)，束流緩慢增大；偏壓從-300 V 逐漸變化到-20 V，束流輸出呈線(xiàn)性增大趨勢(shì)；在偏壓輸出-20 V時(shí)，束流輸出達(dá)到150 mA，-20 V 為束流調(diào)控系統(tǒng)設(shè)置的偏壓輸出截止點(diǎn)，避免了束流的不可控。束流調(diào)控系統(tǒng)設(shè)置的偏壓輸出截止點(diǎn)，避免了束流不可控現(xiàn)象發(fā)生。

圖11 偏壓與束流輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)

圖12 是加速電壓為-60 kV，燈絲加熱電流為25 A時(shí),調(diào)節(jié)束流時(shí)得到的束流輸出特性。從圖12 可以看出，束流輸出線(xiàn)性度較好，同時(shí)束流穩(wěn)定度均在0.5%左右，能夠滿(mǎn)足電子束選區(qū)熔化的要求。

圖12 束流輸出線(xiàn)性度

5 結(jié)論

本文研制出一套基于DSP 的電子束選區(qū)熔化束流調(diào)控系統(tǒng)，采用AC-DC-AC-DC-AC-DC 的拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)、定頻調(diào)脈寬控制方式、數(shù)字PID 束流調(diào)控等技術(shù)，分別優(yōu)化設(shè)計(jì)了偏壓電源、偏壓采樣電路，在保障其工作可靠性的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步提高了電子束流輸出的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)所控制的電子槍在帶載時(shí)最大束流達(dá)到150 mA，高壓、燈絲加熱電流給定時(shí)，隨著偏壓降低，束流逐漸增大，束流調(diào)控系統(tǒng)設(shè)置的偏壓輸出截止點(diǎn)可以避免束流的不可控現(xiàn)象發(fā)生；由于采用了數(shù)字化束流閉環(huán)控制，該束流控制系統(tǒng)能夠使電源在電子束選區(qū)熔化成形過(guò)程中實(shí)現(xiàn)束流的穩(wěn)定精準(zhǔn)調(diào)控。