基于Helmholtz线圈的电子束高速扫描系统设计

张伟 蒋布辉 陈晓 栗琪凯 孔令其

摘要：针对国内电子束偏转扫描线圈的磁感应强度较低、均匀性较差，扫描速度较慢等不足，基于Helmholtz线圈的工作原理，采用空心结构设计了电子束偏转扫描线圈;提出一种双逆推主电路拓扑结构，使扫描线圈的驱动电压增加一倍，从而提高了扫描线圈驱动电流的变化速度;采用电流霍尔传感器和PID调节电路设计了驱动电流闭环控制电路，并利用Labview软件开发了电子束高速扫描控制程序。结果表明：该电子束高速扫描系统扫描线圈的磁感应强度和均匀性能够满足大角度电子束偏转扫描要求，并有效提高驱动电流的变化速率，可以实现电子束高速扫描。

关键词：电子束;高速扫描;偏转线圈;驱动电路

中图分类号：TG456.3      文献标志码：A      文章编号：1001-2003（2021）06-0007-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.02

0    前言

由于电子束几乎没有质量和惯性，并且在磁场中受洛伦兹力作用会改变其运动方向，因此可以通过改变磁感应强度来实现电子束非接触、偏转控制。在电子束加工中，通常采用偏转线圈来产生磁场，实时调节偏转线圈的电流可改变磁场的大小和方向，使电子束流偏转到工件的不同位置，从而实现多束流加工，比如多束流焊接、电子束选区熔化、电子束熔丝增材随行退火、电子束毛化等。电子束偏转技术虽然在20世纪70年代就已经应用于消除电子束焊接缺陷，但是由于控制技术的限制，偏转角度、扫描频率受到限制，多用于多束流焊接[1-4]。目前，德国 SST 公司研制的电子束偏转扫描系统已实现了 200 kHz 的高频偏转;瑞典Arcam 公司在电子束高频高速偏转技术方面取得了重大突破，并基于该技术开发了电子束选区熔化增材制造技术和装备，已经在航空航天、生物医疗等领域取得了广泛应用。

国内在高速偏转扫描方面的研究起步较晚，一方面，偏转扫描线圈多为环形结构，其磁感线平行度差，且磁感应强度较低、磁场均匀性差，电子束偏转角度小，一般仅用于焊接中电子束在熔池附近的小幅摆动，很难实现电子束大角度偏转的精确控制及满足电子束快速制造中大面积扫描的要求。另一方面，现有的偏转扫描线圈采用磁芯结构，使得偏转扫描线圈的感抗较大，导致线圈的偏转扫描频率大都较低;扫描线圈的驱动电路一般采用低压运算放大器进行电流放大，驱动电压低、驱动电流小，并且驱动电流的变化速度慢，使得电子束的扫描速度也较慢，容易在扫描过程中留下扫描痕迹，不利于精密零件的加工[5-7]。

文中针对现有电子束扫描系统存在的问题和不足，设计了基于Helmholtz线圈的新型电子束高速扫描系统并进行了试验研究。

1 系统组成

电子束高速扫描系统主要由扫描控制工控机、任意波形发生卡、X方向扫描线圈电流驱动电路、Y方向扫描线圈电流驱动电路以及高频高速扫描线圈组成，如图1所示。

首先，将扫描数据输入工控机，控制程序自动读取并解析G代码文件，然后规划扫描路径并转换成X、Y方向的扫描数据，再将扫描数据写入任意波形发生卡，波形发生卡选用阿尔泰 PCI8103;启动任意波形发生卡后输出X、Y方向两路扫描波形，该输出波形分别经X、Y方向扫描线圈电流驱动电路连接至高频高速扫描线圈，实时调节扫描线圈内部的电磁场，从而实现电子束偏转扫描控制。X、Y方向两路输出波形的电压范围为 -5～+5 V，控制驱动电路输出-2～+2 A的扫描线圈驱动电流。

2 硬件电路设计

2.1 扫描线圈

Helmholtz线圈一般由一对彼此平行且连通的共轴圆形线圈组成，并且两线圈内的电流方向一致，大小相同，线圈之间的距离与圆形线圈的半径相等，这样在其公共轴线中心点附近小范围区域可以产生均匀的磁场，是目前获取小范围均匀磁场的重要手段。因此，基于Helmholtz线圈的工作原理[8]，结合电子枪的结构[9]，设计了高速扫描线圈，其工作原理示意和掃描线圈实物如图2所示。

在图2中，X方向扫描线圈由一对形状和匝数相同、共轴平行的矩形线圈x1和x2串联而成，并且线圈x1和x2的间距约等于矩形边长的1/2，产生的磁场方向与线圈x1和x2的轴线相同，用来调节X方向上的电子束偏转量;同样，Y方向扫描线圈也是由一对形状和匝数相同、共轴平行的矩形线圈y1和y2串联而成，并且线圈y1和y2的间距约等于矩形边长的1/2，产生的磁场方向与线圈y1和y2的轴线相同，用来调节Y方向上的电子束偏转量。其中，X方向线圈的轴线与Y方向线圈的轴线相互垂直，相交于中心点O，这样在O点附件区域就可以获得均匀的X方向和Y方向磁场。

图2b为制作好的高速扫描线圈。扫描线圈采用空心结构，可获得较低的感抗，X方向和Y方向线圈的电感量约为1.25 mH。当线圈安匝数为240 A时，扫描线圈中心区域的磁感应强度均大于20 Gs[10]。

2.2 扫描线圈驱动电路

在通电瞬间扫描线圈及其驱动电路可以等效为电压源与电感的串联电路[11-12]，如图3所示。其中，L为线圈电感，ro为线圈内阻，U为电压源的输出电压。

由此可得：

式中 i为扫描线圈中的励磁电流。电子束扫描速度的快慢取决于励磁电流i的变化率，则式（1）可变换为：

与扫描线圈驱动电源电压相比，线圈内阻的压降可以忽略，因此由式（2）可知，扫描线圈的驱动电源电压越高，线圈电流的变化率就越大，即可实现扫描线圈磁场的高速变化，从而实现电子束高速扫描。基于此，提出了一种双逆推电路拓扑，通过功率放大器PA93输出端的正向电压和反向电压推拉，使扫描线圈驱动电压增加一倍，从而提高扫描线圈驱动电流的变化速率。双逆推主电路拓扑结构的原理如图4所示。

在图4中，采用高压高速大电流功率放大器PA93作为放大电路，电源电压最大可达±200 V，可以实现高压输出;同时，双逆推主电路拓扑结构通过正向电压和反向电压推拉，X方向扫描线圈的驱动电压为UX+与UX-的差值，为单路功放输出驱动电压的2倍，由此线圈驱动电流的变化速度也为单路功放驱动的2倍。

2.3 驱动电流闭环控制

为了实现扫描线圈驱动电流的精确可控，采用电流霍尔传感器和PID调节电路设计了驱动电流闭环控制电路，其工作原理如图5所示。

在图5中，扫描工控机解析G代码文件后获得扫描数据并写入任意波形发生卡，启动波形发生卡后获得X、Y方向两路输出波形，分别作为X和Y方向扫描线圈驱动电流闭环控制的电流给定信号IXg和IYg。其中，IXg与X方向扫描线圈的电流反馈信号IXf进行误差运算，将结果再输入PID调节电路Ⅰ得到输出电压值UXg，该UXg作为双逆推功放电路的输入，然后功率放大电路Ⅰ-1和功率放大电路Ⅰ-2的输出再连接至X方向扫描线圈，驱动扫描线圈产生扫描电流。当PI调节电路进入稳态工作时，IXg与IXf的误差为零，即实现了X方向扫描线圈驱动电流的闭环精确控制。同样，IXg与Y方向扫描线圈的电流反馈信号IYf进行误差运算，然后经PI调节电路和双逆推功放电路实现Y方向扫描线圈驱动电流的闭环精确控制。

3 控制程序设计

基于Labview软件设计了通用型电子束高速扫描控制程序[13]，其主界面如图6所示。

该控制程序除了支持G代码文件读入扫描数据外，还支持图片格式输入、手动绘制图形和手动绘制波形输入等方式。此外，为了方便观察输入的扫描数据是否正确，在主界面上还可以分别显示X方向扫描波形、Y方向扫描波形，以及X和Y方向合成扫描波形。

通过G代码文件输入扫描数据的控制程序流程如图 7 所示。首先，通过界面设置好电子枪的相关参数后，通过主界面输入G代码文件（TXT 格式文件），程序对文件进行逐行解析，通过检索文件中的G代码命令关键字，并根据不同命令及相关参数进行插补运算，计算出扫描轨迹中各点坐标，然后生成 X和 Y方向两路扫描数据。在解析完所有G代码文件后分别将两路扫描数据写入波形发生卡中，然后启动波形发生卡即可输出X和Y方向两路扫描控制波形，分别作为X和Y方向扫描线圈驱动电流闭环控制的电流给定信号IXg和IYg。

4 试验

4.1 扫描线圈磁场测试

将扫描线圈中心定义为坐标原点，取z=-40 mm、

z=0、z=40 mm三个平面，分别测量平面内各点的磁感应强度，测量点的坐标如表1所示。

分别在X方向和Y方向扫描线圈中通2 A直流电流，采用HT201 便携式数字高斯计测量各坐标点的磁感应强度，结果如图 8所示。从测量结果可以看出，各点的磁感应强度值均大于20 Gs，且电磁场分布比较均匀，最大差值仅为3.5 Gs，可以满足电子束大角度偏转扫描要求。

4.2 扫描波形输出

将扫描线圈装入电子枪中，当高速扫描驱动电路的电流给定信号为方波信号时，测得扫描线圈中的驱动电流如图9所示。

图9中，CH2为扫描线圈电流给定信号，CH1为扫描线圈电流反馈信号。电流反馈采用LEM的电流霍尔传感器进行采样，变比为1∶100，取样电阻为200 Ω。可以看出，扫描线圈驱动电流从-2 A到+2 A变化时，其上升、下降沿时间均为100 μs，具有较快的电流变化速度。当以图9所示的方波信号驱动X、Y方向线圈，线圈电流由-2～+2 A变化，电子束在X、Y方向可分别实现-175 mm至+175 mm距离的偏转，由此可计算出电子束在100 μs时间内偏转距离可达350 mm，即电子束的扫描速度达到3 500 m/s，可以实现电子束的高速扫描。

正弦波和三角波的扫描波形如图10所示，其中CH2为电流给定信号，CH1为电流反馈信号。

5 结论

（1）设计了专门的偏转扫描线圈及其高速驱动电路，基于Labview开发了通用型电子束高速扫描控制程序，在此基础上采用工控机、任意波形发生卡完成了电子束高速扫描系统设计。

（2）提出了双逆推主电路拓扑结构，通过正向电压和反向电压推拉，使扫描线圈驱动电压增加一倍，从而提高扫描线圈驱动电流的变化速率。

（3）基于Helmholtz线圈的工作原理，采用空心结构设计了电子束偏转扫描线圈，当线圈安匝数为240 A时，扫描线圈中心区域的磁感应强度均大于20 Gs，扫描速度可达3 500 m/s，扫描范围最大为350 mm×350 mm。

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