工頻倍加型電子束輻照裝置的調壓控制

周志中 胡守明 王 君 郭洪雷 蘇海軍

（中國科學院上海應用物理研究所 上海 201800）

數十年來，電子束輻射加工有了很大發展，已廣泛應用于電線電纜和熱收縮制品的輻射交聯、涂層固化、橡膠硫化、醫療器械滅菌等領域。不同應用對電子束能量有不同要求，對電子束能量的控制是加速器的重要性能指標[1]。在優化我所研制的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，我們改進了高壓電源設計，在模擬裝置上的測試取得良好結果。

1 總體設計

1.1 高壓調壓系統結構

高壓部分由控制系統、受控設備組成(圖1)。其控制系統包括工控機和可編程控制器(PLC)，工控機上實現人機界面，完成加速器狀態顯示、參數設定、數據存取等功能，并與PLC通過工業以太網進行通信[2]；PLC主要完成數據采集、邏輯控制、參數調節等，伺服控制器FM353根據用戶程序的命令，發出控制信號給伺服驅動器。受控設備由伺服電機驅動器、伺服電機、柱式調壓器、高壓倍加線路組成。伺服電機驅動器接受來自控制器的控制信號，驅動伺服電機轉動，并與伺服電機組成閉環控制，使伺服電機免于失步。柱式調壓器由伺服電機驅動，實現對電壓的調節。高壓倍加線路將調壓器輸出的交流電壓倍加整流成所需要的直流高壓。同時柱式調壓器和倍加線路將信號反饋給控制系統，從而實現閉環控制[3]。

圖1 高壓控制系統結構圖Fig.1 Schematics of the high voltage power supply system.

1.2 設計指標與背景

800 keV/30 mA工頻倍加型電子加速器的電源設計指標為：負載變化時，高壓穩定度要求在 3%以內；平穩運行時，高壓穩定度在 1%以內；空載調節范圍為0–880 kV；高壓從0到880 kV調節時間在100 s以內。

原高壓調壓系統采用可控硅移相調壓方式，但發現其存在輸出電壓的正弦波形欠佳、可控硅保護過于靈敏等弊端，高壓調節難以滿足要求。后將高壓調節方式改為感應式調壓器調節，同時將可控硅電路作為無觸點開關對高壓通道進行保護，三相異步電動機作為調壓器驅動電機。然而，這只能控制電動機的轉停，且感應式調壓器的輸出與調壓器線圈間的角度呈正弦關系，與電機運行時間不呈線性關系，輸出電壓最小變化僅為3 V，調壓幅度大，調壓精度低，依然無法使高壓調節達到控制要求指標，對加速器運行造成諸多不便。

后又采用柱式調壓器代替感應式調壓器，因柱式調壓器的輸出電壓與電刷在調壓器線圈上的位置呈線性關系，還須提高調壓器輸出電壓調節精度，對調壓器電刷進行位置控制是必要的。通過調研選擇伺服電機取代三相異步電動機作為驅動電機。

2 硬件設計

2.1 設備選型

調壓系統選擇西門子公司的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，其可完成簡單的點到點定位功能，或響應、精度、速度有極高要求的復雜運動，其最大輸出脈沖頻率為200 kHz。

選擇日本安川電機有限公司生產的伺服電機SJME04A和與之配套的驅動器SJDE-04A，電機的額定扭矩1.27 Nm，最高轉速3000 r/min，具有控制方便、響應速度快、閉環防失步、過載能力強等特性，對工業控制而言，運轉高效可靠；驅動器的參數設置只需調節面板上的兩個撥盤，簡單可靠，不易出錯[4]。

選用上海柱式調壓器生產制造有限公司生產的單相柱式調壓器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)，零電壓起始調節，能帶載、無級、連續、平滑、線性地調節輸出電壓，過載能力強，能適應感性、阻性及容性負載。調壓器輸入電壓380 V，輸出電壓0–420 V，額定容量為60 kVA，調壓精度小于1 V，輸出電壓與電機轉動角度呈線性關系。該調壓器在功率、輸出電壓、波形、精度等方面均能滿足工頻倍加電路的要求。

用北京新創四方電子有限公司生產的霍爾電壓互感器TV2033-01D實現調壓器輸出電壓反饋，其可將0–380 V交流電壓線性轉化為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通過光電隔離電路實現電氣隔離后，由PLC模擬輸入端口讀取。

2.2 系統配置

線路連接包括：FM353和伺服驅動器、電機和伺服驅動器、受控設備信號反饋。電機和伺服電機驅動器之間線路連接由公司標準接口實現，連接方便；FM353和伺服驅動器連線如圖2所示。調壓器、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；調壓器過限反饋包括電壓上、下限位，為電平信號，直接由PLC數字輸入端口讀取；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現高壓、低壓回路的電氣隔離，防止高壓放電對控制系統元件的破壞[5]。

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

3 軟件設計

高壓調節由改變調壓器輸出電壓實現，而調壓器輸出電壓的改變則由驅動器驅動伺服電機改變電刷在調壓器線包上的位置實現，所以調壓系統程序主要包括電機控制和電壓調整。

3.1 電機控制程序

電機由FM353控制，通過編寫相關程序控制電機的轉動角度和速度。FM353有七操作模式：點動模式、開環控制模式、參考點接近模式、增量模式、手動數據輸入模式、自動模式、自動單程序塊模式。參考點接近模式可以實現 FM353虛擬零點和實際零點同步，增量模式在同步條件下，可以使電機轉動設定角度。所以選用參考點接近模式和增量模式控制電機轉動。

FM353控制電機程序，主要是通過設置FM353的參數可以實現電機轉速和轉角的控制。主要參數包括機械參數和DB變量。機械參數一般在向PLC下載程序前確定，包括電機加速度、反轉補償等電機機械方面參數；DB變量則在程序運行過程中設定，通過設定DB變量，并將其傳遞給FM353，即可實現FM353操作模式、電機停止與否、驅動電機運轉與否、轉動角度等的確定，從而實現對電機的控制。

用戶程序主要包括兩個Function和兩個DB，兩個Function分別是FC100和FC101。FC100實現邏輯控制和參數設定，包括接口參數：dir、distance、cion、start，其中 dir代表轉動方向，distance代表轉動距離，cion代表定位完成，start代表定位運行開始，其主要算法流程如圖3所示。FC101完成數據格式轉換，將采樣數據轉換成常用的工程單位格式，便于計算和界面顯示。兩個DB分別是DB100和DB101。DB100是預定義DB，由FM353驅動盤提供的 UDT創建，內有控制電機的各種參數。DB101為共享DB，保存電機控制中涉及到的自定義變量。

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

3.2 電壓調整程序

3.2.1 PLC程序

電壓調節程序集成在FB2中，根據上位機指令計算出相應的調節參數，并通過調用 FC100和FC101實現對調壓器輸出電壓的調節，其程序結構如圖4所示。反饋信號采集在定時循環中斷塊OB35中實現，反饋信號作相應處理后送于FB2中進行邏輯運算。高壓倍加電路尚未完成安裝，所以采用假負載模擬倍加線路，采集調壓器輸出電壓和假負載上電壓作為電壓反饋信號。

PLC程序中，電機斷電有兩種情況：調壓器電壓先歸零，然后電機斷電；電機直接斷電，調壓器電壓不受影響。正常情況下，在電機斷電之前，調壓器電壓歸零，保證工作安全。但當電壓不能歸零或反饋出現錯誤時，可使電機直接斷電。當調壓器輸出電壓小于5 V時，程序認為電壓已歸零。同時，電機斷電前，得確保電機已停止轉動，以便保護電機，延長電機壽命。

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

當電壓接近限位時，電機提前減速，使電機到達限位時能夠立即停止，避免明顯過沖，同時避免因電機在高速轉動中突然停止，導致減速過大對電機造成傷害。

3.2.2 控制界面

圖5(a)為開環模式下的界面。其中設置“增量值”，使電壓有相應的增加量。另外按住升壓或降壓按鈕，也可以實現電壓升降。開環控制時，反饋電壓可能會因為負載動態變化，引起“采樣值”變化(采樣值指負載反饋電壓)。點擊啟動按鈕，即可切換到閉環模式。

閉環模式下的界面如圖5(b)所示。可以設置“設定值”電壓，將“采樣值”電壓逐步調節至“設定值”附近，精度為 2 kV，即調節完成后“采樣值”與“設定值”之間誤差保持在2 kV內[3]。

圖4 調壓程序結構圖Fig.4 Programming of the high voltage regulating.

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

4 實驗結果

假負載實驗結果顯示，該調壓系統從0到880 kV的調節時間約70 s(要求為<在100 s)，在閉環條件下可穩定調節高壓，但負載變化過快，可能導致高壓調節略有滯后，高壓不穩定。圖6是閉環條件下束流以不同速率變化時的高壓變化。在50 s內，束流由0 mA平穩增加到40 mA，高壓基本保持穩定，其偏離閉環穩壓值不超過 2%。束流穩定后，高壓基本保持不變。經多次實驗，束流從0 mA增至40 mA的時間大于40 s時，高壓偏差在2.5%內。

圖6 閉環時束流平穩上升(a)和驟然升降(b)時的高壓變化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為開環條件下束流快速變化時的高壓變化，當束流急劇上升時，高壓偏離閉環穩壓值超過10%，但當束流穩定后，高壓能逐漸穩定至設定值800 keV；束流快速下降時情況類似。開環時，當束流快速變化時，高壓隨之急劇上升，高壓變化量超過10%，下降時類似。閉環條件下，該調壓系統可以保持高壓穩定，但由于調壓系統有一定的響應時間和速度。當束流變化太快，超出調壓系統響應范圍時，高壓偏差會較大。實際應用中，束流上升一般都有一定的時間要求，所以電壓波動一般可維持在 3%以內，能滿足電子加速器調壓要求，當負載穩定后，高壓穩定度在1%以內，同樣能滿足要求。開環條件下，束流變化時高壓隨之變化且不能回復至原來設定電壓。

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

5 結語

經過實驗和調試，系統已經成功實現了加速器高壓部分的電壓調節和控制，控制精度能夠達到要求。作為控制系統的通用模型，該系統稍作修改便可以用于其它采用調壓器調節控制的場合。同時FM353控制伺服電機的硬件電路和控制程序也值得借鑒，當需要FM353控制伺服電機時，本系統的控制程序是一個很好的實例。

1 郭洪雷, 龔培榮, 劉平, 等. EBS加速器電源控制系統的研制[J]. 核技術, 2008, 31(1): 63–66 GUO Honglei, GONG Peirong, LIU Ping,et al. The control system for power supply of EBS accelerator [J].Nucl Tech, 2008, 31(1): 63–66

2 劉鍇, 周海. 深入淺出西門子S7-300PLC[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2006: 189–224 LIU Kai, ZHOU Hai. Outline of Siemens S7-300PLC [M].Beijing: Beihang University Press. 2006: 189–224

3 郭洪雷. 5 MeV電子輻照加速器的相關技術研究[D].上海: 中國科學院上海應用物理研究所, 2007 GUO Honglei. The research of technology about 5 MeV electron accelerator for radiation [D]. Shanghai: Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, 2007

4 張碩成, 王丹, 敬嵐, 等. 電子加速器調壓器自控系統[J]. 核技術, 2006, 29(9): 710–712 ZHANG Shuocheng, WANG Dan, JING Lan,et al.Automatic control variac system for electronic accelerator[J]. Nucl Tech, 2006, 29(9): 710–712

5 邊春元, 任雙艷, 滿永奎, 等. S7300/400PLC實用開發指南[M]. 北京: 機械工業出版社, 2007: 1–200 BIAN Chunyuan, REN Shuangyan, MAN Yongkui,et al.Practical development guidelines of S7300/400PLC [M].Beijing: China Machine Press, 2007: 1–200