一种用于电子束精密调控的多级偏压电源的制作方法

1.本发明属于电子束加工技术领域，具体涉及一种用于电子束精密调控的多级偏压电源。


背景技术：

2.电子束加工技术采用高压静电场加速电子而获取高速电子束束流，当电子束流轰击工件时将其动能转化为热能，实现工件的加热、切割和焊接等。其中，电子束焊接具有能量密度高、焊接速度快、焊缝深宽比大、焊接变形区小、能焊接难熔及异种金属等优点，在航空航天领域发挥着不可替代的作用，也在汽车工业、高速铁路、核能和电子工业等领域得到了广泛应用。
3.在热阴极三极电子枪中，电子束流的大小是通过调节栅极上施加的偏压来控制的，随着偏压大小的调节，电子束流的大小会相应变化，二者大致呈反比关系。现有技术中，栅极偏压电源大都采用单个逆变电源，通过调节功率开关管的脉冲宽度来调节偏压电源的输出电压，进而控制电子束流的大小，因此偏压的调节范围直接影响着电子束流的控制精度。图1是电子束栅极偏压u
p
与电子束流ib之间的关系图，其中u
pth
是临界出束流点的栅极偏压值，在临界出束流点处电子束流ib基本为0，当电子束流为0(即完全封闭电子)时，由于逸散电子本身特性，仍有极少数电子逸出，此时为了完全封闭电子，需要远高于临界出束流点的偏压，比如某型电子枪临界出束流点的偏压是-600v，那么为了完全封闭电子，实际不出束流时的偏压一般都不小于-1500v，这里的小于是指偏压的绝对值之间的比较结果。因此，栅极偏压电源的输出电压有很大一部分用于完全封闭电子逸出，而剩下的电压才用于电子束流的控制，使得实际用于电子束流调节的偏压电压调节范围减小，导致电子束流调节精度不高，往往很难满足实际的加工需求。比如在小电子束焊接薄板时，现有的偏压调节范围很小，很难实现电子束流精准稳定输出，偏压调节不精细导致的波动容易引起电子束流波动，从而使得薄板焊接容易出现未焊透或者熔穿等缺陷；而在大电子束焊接时，同样存在偏压调节范围非常小，甚至接近于0，偏压调节不精细容易导致电子束流控制不精确和波动，从而引起大的飞溅和焊接质量不稳定。


技术实现要素：

4.发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种用于电子束精密调控的多级偏压电源，实现偏压电源输出电压的动态调节，提高电子束束流调节精度，从而实现电子束流的高精度控制。
5.技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种用于电子束精密调控的多级偏压电源，包括偏压调节低压电路、偏压调节高压电路、束流反馈电路和单片机控制电路；
7.束流反馈电路的输出端连接单片机控制电路的输入端，束流反馈电路采集电子束流反馈值，并将电子束流反馈值发送给单片机控制电路；
8.单片机控制电路的输出端连接偏压调节低压电路的输入端，单片机控制电路根据电子束流给定值和电子束流反馈值计算电压设定值，并将电压设定值发送给偏压调节低压电路；
9.偏压调节低压电路的输出端连接偏压调节高压电路的输入端，偏压调节高压电路的正输出端连接电子枪阴极灯丝，偏压调节高压电路的负输出端连接电子枪栅极；
10.所述偏压调节低压电路包括偏压粗调电源电路、偏压细调电源电路和束流封闭电源电路，所述偏压粗调电源电路的输入端、偏压细调电源电路的输入端和束流封闭电源电路的输入端均连接单片机控制电路的输出端，偏压粗调电源电路的负输出端连接偏压细调电源电路的正输出端，偏压细调电源电路的负输出端连接束流封闭电源电路的正输出端，偏压粗调电源电路的正输出端和束流封闭电源电路的负输出端作为偏压调节低压电路的输出端；
11.所述偏压调节高压电路包括半桥逆变电路、高压隔离变压器和高压整流滤波电路，所述偏压调节低压电路的输出端连接至半桥逆变电路的输入端，半桥逆变电路的输出端连接至高压隔离变压器的输入端，高压隔离变压器的输出端连接至高压整流滤波电路的输入端，高压整流滤波电路的输出端作为偏压调节高压电路的输出端。
12.优选的，单片机控制电路根据电子束流给定值和电子束流反馈值计算的电压设定值包括偏压粗调电源电路的电压设定值、偏压细调电源电路的电压设定值和束流封闭电源电路的电压设定值；
13.当电子束流给定值为0或电子束流未启动输出时：
14.偏压粗调电源电路的电压设定值为偏压粗调电源电路的输出电压最大值，偏压细调电源电路的电压设定值为偏压细调电源电路的输出电压最大值，束流封闭电源电路的电压设定值为束流封闭电源电路的输出电压最大值；
15.当电子束流给定值大于0且使能电子束流输出时：
16.偏压粗调电源电路的电压设定值为95％u
pg
，偏压细调电源电路的电压设定值为5％u
pg
δu
pg
，束流封闭电源电路的电压设定值为0，其中u
pg
为电子束流大小为电子束流给定值时对应的偏压调节低压电路的输出电压，δu
pg
为电子束流大小为电子束流给定值时对应的偏压调节低压电路的输出电压值与电子束流大小为电子束流反馈值时对应的偏压调节低压电路的输出电压值之间的差值。
17.优选的，所述偏压细调电源电路的输出电压最大值为偏压粗调电源电路的输出电压最大值的10％。
18.优选的，所述的偏压粗调电源电路、偏压细调电源电路、束流封闭电源电路具有相同的电路结构，均包括ac/dc逆变电源单元、输入滤波电容c1、功率开关管t1、续流二极管d1、滤波电感l1、输出滤波电容c2、电压采样电路、pi调节电路、pwm产生电路和隔离驱动电路，它们的位置关系是：
19.ac380v交流电输入至ac/dc逆变电源单元，ac/dc逆变电源单元的正输出端连接输入滤波电容c1第一端和功率开关管t1集电极，ac/dc逆变电源单元的负输出端连接输入滤波电容c1第二端、续流二极管d1正极和输出滤波电容c2第二端，功率开关管t1发射极连接续流二极管d1负极和滤波电感l1第一端，滤波电感l1第二端连接输出滤波电容c2第一端，输出滤波电容c2两端作为偏压粗调电源电路的输出端；
20.电压采样电路的输出端连接pi调节电路的输入端，电压采样电路对偏压粗调电源电路的输出端电压进行采样，并将采样电压发送给pi调节电路；
21.pi调节电路的输出端连接pwm产生电路，pi调节电路根据采样电压和电压设定值得到调节电压，并将调节电压发送给pwm产生电路；
22.pwm产生电路的输出端连接隔离驱动电路的输入端，pwm产生电路根据调节电压生成pwm波形，并将pwm波形发送给隔离驱动电路；
23.隔离驱动电路的输出端连接功率开关管t1的基极，隔离驱动电路根据pwm波形控制功率开关管t1导通和关断。
24.有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的有益效果：
25.本发明所述多级偏压电源系统采用偏压粗调电源、偏压细调电源和束流封闭电源串联并进行多级调控，具体如下：
26.通过设置专门的束流封闭电源，当需要电子束流输出为0时，束流封闭电源与偏压粗调电源和偏压细调电源串联后提供足够高的束流封闭电压，大大提高了束流封闭的可靠性；
27.当需要电子束流输出不为0时，立即使束流封闭电源输出为0，并使偏压粗调电源输出所需设定束流偏压值的95％，可以大大提高电子束流调节的动态响应速度；
28.当束流封闭电源输出为0，偏压粗调电源输出所需偏压的95％时，剩下的5％偏压值由偏压细调电源提供，通过偏压细调电源100％的脉冲宽度调节实现栅极偏压和电子束流动态小范围闭环调节，可以大大提高偏压电源和电子束流的调节精度，从而实现小束流和大束流输出的高精度控制。
附图说明
29.图1为所述栅极偏压与电子束流的关系曲线；
30.图2为本发明所述多级偏压电源的组成结构及其外围电路示意图；
31.图3为本发明所述束流反馈闭环调节偏压、电子束束流的工作示意图；
32.图4为本发明所述偏压粗调电源的电路结构示意图；
33.图5为本发明所述半桥逆变电路的电路结构示意图；
34.其中：101、高压加速电源电路；102、偏压粗调电源电路；103、偏压细调电源电路；104、束流封闭电源电路；105、单片机控制电路；106、半桥逆变电路；107、高压隔离变压器；108、高压整流滤波电路；109、上位机；110、灯丝加热电源电路；111、电子枪；112、电子枪栅极；113、电子枪阴极灯丝；114、电子枪阳极；115、电子束；201、ac/dc逆变电源单元；207、电压采样电路；208、pi调节电路；209、pwm产生电路；210、隔离驱动电路；601、数字pid调节器；602、偏压调节低压电路；603、偏压调节高压电路；604、束流反馈电路。
具体实施方式
35.下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
36.本发明公开了一种用于电子束精密调控的多级偏压电源，针对传统电子束偏压电源束流控制精度不高的不足，本发明通过偏压粗调电源电路102、偏压细调电源电路103和束流封闭电源电路104在低压侧进行串联，串联后再连接至高压侧从而组成一个多级偏压
直流电源，并通过专门的控制电路和控制算法实现输出的直流偏压的精确控制，进而实现直流电子束的输出以及精确控制。本发明所述多级偏压电源的偏压调节低压电路602由偏压粗调电源电路102、偏压细调电源电路103、束流封闭电源电路104三个逆变电源电路串联而成，并通过偏压粗调电源电路102、偏压细调电源电路103和束流封闭电源电路104的多级调控对电子束流进行控制。同时，本发明所述多级偏压电源还可以通过电子束流反馈值闭环调节偏压细调电源电路103的输出电压，实现多级偏压电源输出电压的动态调节，从而实现电子束流的高精度控制。
37.本发明所述的用于电子束精密调控的多级偏压电源，其输入端输入电子束流给定值和电子束流反馈值，其输出电压的负输出端连接电子枪栅极112，其输出电压的正输出端分别通过电阻连接灯丝加热电源电路110正输出端、灯丝加热电源电路110负输出端和高压加速电源电路101负输出端，灯丝加热电源电路110正输出端和灯丝加热电源电路110负输出端连接电子枪阴极灯丝113两端。
38.如图2所示，本发明的一种实施例中：高压加速电源电路101的正输出端连接在接地线上，高压加速电源电路101的负输出端通过电阻r1和电阻r2连接至灯丝加热电源电路110正输出端，高压加速电源电路101的负输出端通过电阻r1和电阻r3连接至灯丝加热电源电路110负输出端，电子枪阴极灯丝113连接在灯丝加热电源电路110正输出端和负输出端之间，同时电子枪阳极114也连接在接地线上，因此可以在电子枪阴极灯丝113和电子枪阳极114之间形成-60kv或者更高的高压加速静电场，实现电子的高压加速；
39.上位机109或其他输入装置将设定的电子束流给定值i
bg
传输至多级偏压电源，多级偏压电源的正输出端通过电阻r2连接至灯丝加热电源电路110正输出端，多级偏压电源的正输出端通过电阻r3连接至灯丝加热电源电路110负输出端，多级偏压电源的负输出端连接电子枪栅极112，由此可以在电子枪栅极112和电子枪阴极灯丝113之间的空间形成电场，调节多级偏压电源的输出电压，即可实现电子束流大小的控制。同时，多级偏压电源采集实际的电子束流反馈值i
bf
，闭环调节其正输出端和负输出端之间的输出电压，从而实现电子束流的控制。
40.本发明所述多级偏压电源包括偏压调节低压电路602、偏压调节高压电路603、束流反馈电路604和单片机控制电路105，其中：偏压调节低压电路602包括偏压粗调电源电路102、偏压细调电源电路103和束流封闭电源电路104，偏压调节高压电路603包括半桥逆变电路106、高压隔离变压器107和高压整流滤波电路108。如图2所示，它们之间的位置关系是：
41.偏压粗调电源电路102、偏压细调电源电路103和束流封闭电源电路104三个逆变电源单元串联构成偏压调节低压电路602，具体的：偏压粗调电源电路102的负输出端连接偏压细调电源电路103的正输出端，偏压细调电源电路103的负输出端连接束流封闭电源电路104的正输出端，偏压粗调电源电路102的正输出端作为偏压调节低压电路602的正输出端，束流封闭电源电路104的负输出端作为偏压调节低压电路602的负输出端；
42.束流反馈电路604的输出端连接单片机控制电路105的输入端，单片机控制电路105的输出端连接偏压粗调电源电路102的输入端、偏压细调电源电路103的输入端和束流封闭电源电路104的输入端，单片机控制电路105接收设定的电子束流给定值i
bg
，然后分别输出电压设定值u
pgc
、u
pgx
、u
pgf
至偏压粗调电源电路102、偏压细调电源电路103和束流封闭
电源电路104，以及单片机控制电路105接收束流反馈电路604采集并反馈的实际的电子束流反馈值i
bf
，闭环调节偏压细调电源电路103的输出电压；
43.偏压调节低压电路602的输出端连接至半桥逆变电路106的输入端，通过半桥逆变电路106再次变换成40khz的高频交流方波；半桥逆变电路106的输出端连接至高压隔离变压器107的输入端，即上述高频交流方波再传输至高压隔离变压器107进行升压；高压隔离变压器107的输出端连接至高压整流滤波电路108的输入端，即上述升压后的高频交流方波再经高压整流滤波电路108后变换成约2000v的栅极偏压，该栅极偏压即为本发明所述多级偏压电源的输出电压，该栅极偏压的输出正极通过电阻连接至电子枪阴极灯丝113，该栅极偏压的输出负极连接电子枪栅极112，由此可以在电子枪栅极112和电子枪阴极灯丝113之间的空间形成-2000v的电场，调节该栅极偏压的输出电压，即可实现电子束流大小的控制。
44.其中，偏压调节低压电路602中，束流封闭电源电路104主要用于提供封闭电压，偏压粗调电源电路102主要用于提供束流控制时95％的偏压电压，而偏压细调电源电路103则用于提供束流控制时剩下的5％的偏压电压。偏压粗调电源电路102、偏压细调电源电路103和束流封闭电源电路104串联后通过偏压调节高压电路603产生的最大偏压电压可以完全封闭电子逸出；而仅偏压粗调电源电路102和偏压细调电源电路103串联后通过偏压调节高压电路603产生的最大偏压电压略高于临界出束流点的偏压电压u
pth
，以保证束流封闭电源电路104关闭后输出束流仍可以为0。偏压细调电源电路103输出电压最大值为偏压粗调电源电路102输出电压最大值的10％。
45.本发明所述的单片机控制电路105由pic18f2423单片机及其外围电路组成，功能是接收电子束流给定值i
bg
，然后根据控制算法分别输出电压设定值u
pgc
、u
pgx
、u
pgf
至偏压粗调电源电路102、偏压细调电源电路103、束流封闭电源电路104；同时单片机控制电路105接收束流反馈电路604的电子束流反馈值i
bf
，进一步对偏压细调电源电路103的输出电压进行闭环调节，最终实现多级偏压电源输出电压的动态小范围调节。
46.本发明中单片机控制电路105根据控制算法分别输出偏压粗调电源电路102、偏压细调电源电路103、束流封闭电源电路104的电压设定值u
pgc
、u
pgx
、u
pgf
的算法如下：
[0047][0048]
其中，u
pg
为输出电子束流大小恰好为电子束流给定值i
bg
时对应的偏压调节低压电路602的输出电压，u
pgcmax
为偏压粗调电源电路102的输出电压最大值，u
pgxmax
为偏压细调
电源电路103的输出电压最大值，u
pgfmax
为束流封闭电源电路104的输出电压最大值。
[0049]
其中，单片机控制电路105接收电子束流给定值i
bg
后，单片机控制电路105查询标定好的电子束流和偏压调节低压电路602的输出电压对应表获取当前电子束流给定值i
bg
对应的偏压调节低压电路602的输出电压u
pg
，所述对应表获得方式如下：首先通过实验方法获得若干组电子束流大小与对应偏压调节低压电路602的输出电压值，然后对上述若干组电子束流大小与输出电压值进行曲线拟合获得最恰当的关系函数，最后根据上述关系函数得到各电子束流大小与其对应的偏压调节低压电路602的输出电压值，并整理成对应表。当电子束流给定值i
bg
为0或电子束流未启动输出时，偏压粗调电源电路102、偏压细调电源电路103、束流封闭电源电路104均输出电压最大值，即偏压粗调电源电路102的电压设定值u
pgc
为偏压粗调电源电路102的输出电压最大值u
pgcmax
，偏压细调电源电路103的电压设定值u
pgx
为偏压细调电源电路103的输出电压最大值u
pgxmax
，束流封闭电源电路104的电压设定值u
pgf
为束流封闭电源电路104的输出电压最大值u
pgfmax
，三个电源串联后提供最大电压输出，提供足够高的束流封闭电压，大大提高了束流封闭的可靠性；当电子束流给定值i
bg
不为0且使能电子束流输出时，使束流封闭电源电路104输出为0v，偏压粗调电源电路102输出u
pg
的95％，偏压细调电源电路103预先输出u
pg
的5％，即偏压粗调电源电路102的电压设定值u
pgc
为95％的输出电压u
pg
，偏压细调电源电路103的电压设定值u
pgx
为5％的输出电压u
pg
，束流封闭电源电路104的电压设定值u
pgf
为0。在启动束流输出时，立即使束流封闭电源电路104输出为0，并使偏压粗调电源电路102输出为u
pg
的95％，可以大大提高电子束流调节的动态响应速度。
[0050]
图3是本发明根据电子束流反馈值i
bf
进行电子束流闭环调控的工作原理图，其中：
[0051]
单片机控制电路105接收束流反馈电路604的电子束流反馈值i
bf
、与电子束流给定值i
bg
一起对偏压细调电源电路103的输出电压进行闭环调节属于外环调节，外环调节的输出u
pgx
δu
pg
作为偏压细调电源电路103输出电压内环调节的电压给定值。
[0052]
电子束流给定值i
bg
和电子束流反馈值i
bf
输入单片机控制电路105，经单片机控制电路105内部的数字pid调节器601获得偏压调节输出变化量δu
pg
，偏压调节输出变化量δu
pg
为电子束流大小为电子束流给定值i
bg
时对应的偏压调节低压电路602的输出电压值与电子束流大小为电子束流反馈值i
bf
时对应的偏压调节低压电路602的输出电压值之间的差值，偏压调节输出变化量δu
pg
与偏压细调电源电路103前一时刻的电压设定值u
pgx
相加，作为偏压细调电源电路103的当前电压设定值。此时，偏压粗调电源电路102输出电压为u
pc
，偏压细调电源电路103输出电压为u
px
，偏压调节低压电路602输出电压为u
p
＝u
pc
u
px
。然后，偏压调节低压电路602的输出连接至偏压调节高压电路603，最终实现栅极偏压和电子束115的控制，束流反馈电路604对电子束115进行采样，将当前电子束流反馈值i
bf
反馈至单片机控制电路105。在束流调节过程中，偏压粗调电源电路102的输出电压稳定不变，电子束流反馈值i
bf
只闭环调节偏压细调电源电路103的输出电压，即用偏压细调电源电路103的100％的脉冲宽度变化来小范围调节栅极偏压电源的输出，可以大大提高偏压的调节精度，从而实现束流的高精度控制，有效解决小束流和大束流控制精度不高导致的加工缺陷等问题。
[0053]
本发明所述的偏压粗调电源电路102、偏压细调电源电路103、束流封闭电源电路104具有相同的电路结构，以偏压粗调电源电路102为例：偏压粗调电源电路102包括ac/dc逆变电源单元201、输入滤波电容c1、功率开关管t1、续流二极管d1、滤波电感l1、输出滤波
电容c2、电压采样电路207、pi调节电路208、pwm产生电路209和隔离驱动电路210。如图4所示，它们的位置关系是：
[0054]
ac/dc逆变电源单元201的正输出端连接输入滤波电容c1第一端和功率开关管t1集电极，ac/dc逆变电源单元201的负输出端连接输入滤波电容c1第二端、续流二极管d1正极和输出滤波电容c2第二端，功率开关管t1发射极连接续流二极管d1负极和滤波电感l1第一端，滤波电感l1第二端连接输出滤波电容c2第一端；ac380v交流电连接至ac/dc逆变电源单元201后变换成稳定的直流电压输出，然后再连接至由输入滤波电容c1、功率开关管t1、续流二极管d1、滤波电感l1、输出滤波电容c2组成的buck斩波电路进行输出电压调节，输出滤波电容c2两端电压即为偏压粗调电源电路102的输出电压u
fin
，其中输出滤波电容c2第一端为正输出端，电压为u
out
，输出滤波电容c2第二端为负输出端，电压为u
out-；
[0055]
电压采样电路207对偏压粗调电源电路102的输出电压u
fin
进行采样得到电压uf，电压uf与偏压粗调电源电路102的电压设定值u
pgc
一起输入pi调节电路208进行电压调节，pi调节电路208的输出再连接至pwm产生电路209调节pwm波形的脉冲宽度，pwm产生电路209输出的pwm波形再通过隔离驱动电路210后连接功率开关管t1的基极，控制功率开关管t1导通和关断，从而实现偏压粗调电源电路102的输出电压的调节和稳定输出。
[0056]
偏压细调电源电路103和束流封闭电源电路104同理，偏压细调电源电路103中的pi调节电路输入u
pgx
δu
pg
，束流封闭电源电路104中的pi调节电路输入u
pgf
。
[0057]
本发明所述的半桥逆变电路106包括滤波电容c3、半桥电容c4、半桥电容c5、功率开关管t2和功率开关管t3。如图5所示，它们的位置关系是：
[0058]
滤波电容c3第一端连接半桥电容c4第一端和功率开关管t2集电极，滤波电容c3第二端连接半桥电容c5第二端和功率开关管t3发射极，半桥电容c4第二端连接半桥电容c5第一端，功率开关管t2发射极连接功率开关管t3集电极，功率开关管t2和功率开关管t3的基极均连接至通用驱动和控制电路，功率开关管t2发射极与半桥电容c4第二端分别作为半桥逆变电路106的输出端；
[0059]
偏压粗调电源电路102、偏压细调电源电路103和束流封闭电源电路104构成的偏压调节低压电路602的输出电压输入至半桥逆变电路106后变换成40khz的高频交流方波，该高频交流方波再输入至高压隔离变压器107进行隔离升压。
[0060]
本发明所述的高压隔离变压器107用于实现原边电压和副边电压的电压变换和隔离，骨架采用铁氟龙材料、采用纳米晶铁芯和漆包线绕制而成。
[0061]
本发明所述的高压整流滤波电路108采用高压快恢复二极管硅堆、高压薄膜电容组成的滤波电路，功能是将高压隔离变压器107输出的高频交流方波整流滤波成稳定的直流偏压输出。
[0062]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。