20 kHz 脈沖偏壓控制系統設計*

王 壯 ，許海鷹 ，桑興華 ，楊 波 ，張 偉

(1.中國航空制造技術研究院 高能束流發生器實驗室，北京 100024；2.北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191)

0 引言

電子束熔絲增材制造技術是最近幾十年發展起來的三維一體化制造技術，以高能量密度的電子束為熱源，在真空環境下將金屬絲材同步傳送入熔池熔化，按照規劃的加工路徑逐層沉積[1-3]。該加工工藝過程簡單、功率大、材料利用率高、制造周期短，且在真空環境中進行，對金屬保護作用優良，能實現大型復雜零件的“近凈”成形，特別適合航空航天領域鈦合金復雜部件的制造[4-5]。

脈沖電子束最早用于高能電磁波輻射實驗工作，20 世紀80 年代后在工業中應用于改善表面質量和焊接[6-10]。目前，脈沖電子束技術已經在焊接領域得到初步應用，脈沖電子束可以減少熱輸入，減小變形[11-15]，將脈沖電子束應用于電子束熔絲增材制造領域，實現一熔滴一脈沖的控制模式，將能顯著提高成形質量，改善工件性能。由于束流調節是通過調節偏壓來實現，因此將偏壓設計成脈沖輸出模式，可以根據工作需求獲得脈沖束流。本文設計了20 kHz 脈沖偏壓控制系統，通過選擇高速DSP數字處理芯片、高速運放對脈沖偏壓系統進行硬件和軟件設計，通過時序控制電路，調節其PWM 波形，實現對偏壓電源脈沖頻率、幅值、占空比的調節。

1 脈沖偏壓控制系統設計

1.1 脈沖偏壓設計原理

脈沖偏壓設計原理圖如圖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為峰值束流作用時間，t2為基值束流作用時間，在T1周期內，t1峰值束流作用時間內，峰值束流值等于Ipg與Ibg的和；在t2基值束流作用時間內，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、基值束流的作用時間。

圖1 脈沖偏壓設計原理圖

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，t1峰值束流作用時間內，其偏壓逆變輸入為Upinverter；在T1周期內，t2基值束流作用時間內，其偏壓逆變輸入為Ubinverter。Ubinverter的幅值大于Upinverter幅值電壓。

設計思路：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中進行設定；峰值束流與基值束流可以在DSP中計算出對應的偏壓電壓值，再輸出與SG3525A 輸出的100 kHz 載波進行合成。20 kHz脈沖偏壓控制系統的框圖如圖2 所示。

圖2 20 kHz 脈沖偏壓控制系統的框圖

1.2 DSP的選型及接口設計

選擇DSPic30F4012 作為主控DSP 芯片，是一種高性能16 位數字信號控制器，工作電壓2.5～5.5 V，C 編譯器優化的指令集，16 位寬數據總線，24 位寬指令，16 個16 位通用寄存器，最多54 個可編程數字I/O 引腳，最多45 個外部中斷源，5 個外部中斷，7 個可編程優先級。設計DSPic30F4012 管腳接線圖如圖3 所示。

圖3 DSP的管腳接線圖

1.3 PWM 芯片的選型及設計

選擇SG3525A 作為PWM 發生芯片，SG3525A 通過內部振蕩器產生鋸齒波電壓作為載波信號，反饋電壓和參考電壓通過內部的誤差放大器比較并輸出誤差電壓，此誤差電壓作為調制信號，載波信號和調制信號疊加用于確定脈寬調制波的占空比。反饋電壓越高，輸出脈沖的占空比越小，反之則越大。當交流輸入電壓波動或負載變化引起輸出電壓變化時，由于系統的負反饋作用，PWM 輸出脈沖寬度自動調整，從而實現穩壓。SG3525 內部的基準源為5.11 V，將腳16 輸出的基準電壓經分壓后加至同相輸入端腳2，將電壓反饋信號加至反相輸入端腳1，通過調整R8的大小可以設定死區時間的寬度，R8越大死區越寬。根據系統的動、靜態要求，可在腳9與腳1之間接入適當的補償網絡。由于電路剛啟動時輸出電壓還未建立，此時內部誤差比較器輸出電壓高，PWM信號脈寬很大，輸出電壓被抬高，在腳8 軟啟動腳外接電容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，實現軟啟動功能，避免了輸出電壓在啟動初期的過調制現象。在腳10 可加故障保護信號，一旦輸出電流傳感器的電流取樣電壓高于設定電壓時，會立即封鎖輸出脈沖信號。當外部封鎖信號撤去后，SG3525 也要經過一次軟啟動過程才能重新開始工作。

所設計的SG3525A的外圍電路如圖4 所示。圖中PWM 頻率的計算可以通過式(1)求得：

“配方肥是測土配方施肥技術落實到田間地頭的良好載體，深入開展測土配方施肥技術推廣離不開企業參與。”高祥照表示，測土配方工作包括“測土、配方、配肥、供肥、施肥”五個環節，及“野外調查、采樣測試、田間試驗、配方設計、校正試驗、配方加工、示范推廣、宣傳培訓、數據庫建設、效果評價、技術創新”十一項重點內容。而整個推廣工作，需要企業參與，整個的體制才能更加完善。當前，測土配方施肥進一步發展迫切需要工作深入、細化，迫切需要技術進步。

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 腳輸出一組與設定頻率相同的相位互補的PWM 波形。

1.4 逆變功率器件的選型及設計

采用頻率不變、幅值可調的電路實現逆變變壓器原邊電壓可調，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節。

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，有助于長期工作于大功率輸出場合。PB50的工作電壓為±30 V～±100 V，可以獲得連續2 A的直流電流輸出，具有電壓和電流增益，高電壓變化率，可以達到50 V/μs，電流輸出限流可以編程，工作頻率可以達到160 kHz，電流精度可以達到12 mA。基于PB50的逆變電路如圖5 所示。

圖5 基于PB50的逆變電路

1.5 偏壓整流電路設計及器件選型

設計的偏壓直流最大達到2 000 V，變壓器變比1:45，變比匝數增加，是為了防止變壓器漏感造成的帶載能力下降。所設計的整流電路如圖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，為了保護整流電路，在輸出端串聯幾個功率電阻限流，如圖中R3、R4、R5 所示。在偏壓輸出端和-60 kV 之間并聯2只串聯的1 000 V 壓敏電阻，防止放電的過壓尖峰；輸出端并聯的二極管D3與整流二極管同型號，是為了抑制燈絲和偏壓杯之間放電產生的尖峰。并聯在整流電路兩端兩組串聯的200 kΩ/5 W 電路，是為了給整流電源提供一個假負載。由于逆變頻率很高，達到100 kHz，采用較小電容即可獲得穩定直流輸出，因此，濾波電容選擇納法級電容，最低耐壓達到3 000 V。

HV1 端輸入的是基值逆變交流電壓信號；HV2 輸入的是峰值逆 變交流電信號，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串聯在一起，Up 端連接偏壓杯。

220 kHz 脈沖偏壓控制系統性能測試

經試驗測試，所設計的20 kHz 脈沖偏壓控制系統性能可達到如下指標：(1)偏壓基值：0～2001V；(2)偏壓峰值：0～2002V；(3)脈沖頻率：0～20.8kHz可調；(4)占空比：0～80%可調；(5)偏壓電源工作頻率最大可達到127.4 kHz。

在峰值束流沒有時，檢測基值束流給定時，偏壓整流電路輸出端電壓，檢測結果如表1 所示。從表1中可以看出，束流給定較小時，偏壓輸出最大，達到-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(偏壓調節無束流輸出)，保障無束流給定信號時，偏壓輸出能夠將束流封住。

表1 偏壓對應束流輸出檢測

采用研制的脈沖偏壓控制系統脈沖調節部分，連接電壓互補整流電路。

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

圖7 基值設定10 mA的基值偏壓變壓器副邊輸出檢測

圖8 是在1 kHz，占空比50%，設定束流10 mA 經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 是峰值束流設定10 mA，在脈沖峰值頻率10 kHz和20 kHz 時檢測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系，變壓器存在的寄生電感和電容導致脈沖波形畸變。需要在后續研究工作中優化電路參數，改善脈沖波形。存在的直流分量，將導致輸出束流變小，可以通過優化工藝參數進行改善，不會影響脈沖束流輸出。

圖9 偏壓峰值檢測

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，檢測高壓反饋，同時檢測懸浮于負高壓端的脈沖偏壓整流電路是否有放電現象，在最大耐受電壓條件下，可連續穩定工作1 小時，說明脈沖偏壓整流電路達到設計要求。

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，電壓為2 001 V，檢測輸出電流為250 mA，功率達到500.5 W。

3 結論

本文針對20 kHz 脈沖偏壓控制系統設計要求，對其工作環境進行深入分析，選擇高速DSP 數字處理芯片、高速運放、自主知識產權的偏壓變壓器結構對脈沖偏壓系統進行設計，并進行大量試驗，獲得達到設計要求的脈沖偏壓控制系統，為脈沖束流的調控奠定技術基礎。

(1)采用DSPIC30F4012 實現了脈沖束流基值、峰值向偏壓基值、峰值的轉化，根據輸入脈沖頻率、占空比，可以調節脈沖束流的輸出；

(2)采用SG3525A 輸出100 kHz 以上的基波，由DSP輸出脈沖合成的模式，再經由大功率運放、基值、峰值串聯整流電路可以獲得脈沖偏壓輸出，繼而實現對脈沖束流輸出的調控。