20 kHz 脉冲偏压控制系统设计*

王 壮 ，许海鹰 ，桑兴华 ，杨 波 ，张 伟

(1.中国航空制造技术研究院 高能束流发生器实验室，北京 100024；2.北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 100191)

0 引言

电子束熔丝增材制造技术是最近几十年发展起来的三维一体化制造技术，以高能量密度的电子束为热源，在真空环境下将金属丝材同步传送入熔池熔化，按照规划的加工路径逐层沉积[1-3]。该加工工艺过程简单、功率大、材料利用率高、制造周期短，且在真空环境中进行，对金属保护作用优良，能实现大型复杂零件的“近净”成形，特别适合航空航天领域钛合金复杂部件的制造[4-5]。

脉冲电子束最早用于高能电磁波辐射实验工作，20 世纪80 年代后在工业中应用于改善表面质量和焊接[6-10]。目前，脉冲电子束技术已经在焊接领域得到初步应用，脉冲电子束可以减少热输入，减小变形[11-15]，将脉冲电子束应用于电子束熔丝增材制造领域，实现一熔滴一脉冲的控制模式，将能显著提高成形质量，改善工件性能。由于束流调节是通过调节偏压来实现，因此将偏压设计成脉冲输出模式，可以根据工作需求获得脉冲束流。本文设计了20 kHz 脉冲偏压控制系统，通过选择高速DSP数字处理芯片、高速运放对脉冲偏压系统进行硬件和软件设计，通过时序控制电路，调节其PWM 波形，实现对偏压电源脉冲频率、幅值、占空比的调节。

1 脉冲偏压控制系统设计

1.1 脉冲偏压设计原理

脉冲偏压设计原理图如图1 所示。图中Ipg为峰值束流给定，Ibg为基值束流给定，T1为脉冲束流周期，t1为峰值束流作用时间，t2为基值束流作用时间，在T1周期内，t1峰值束流作用时间内，峰值束流值等于Ipg与Ibg的和；在t2基值束流作用时间内，基值束流为Ibg。T2为脉冲束流的其他周期，t11、t12分别为峰值束流、基值束流的作用时间。

图1 脉冲偏压设计原理图

由于脉冲束流大小与偏压输出成反比，反映到偏压变压器的输入，在T1周期内，t1峰值束流作用时间内，其偏压逆变输入为Upinverter；在T1周期内，t2基值束流作用时间内，其偏压逆变输入为Ubinverter。Ubinverter的幅值大于Upinverter幅值电压。

设计思路：Upg、Ubg、峰值脉冲频率、占空比由DSP 确定，逆变PWM 由SG3525A 给定，PWM 频率大于100 kHz，峰值脉冲束流频率、占空比通过在100 kHz 载波上叠加获得，基值逆变频率为100 kHz，逆变功率器件采用PB50。

脉冲频率0～20 kHz，在DSP中进行设定；峰值束流与基值束流可以在DSP中计算出对应的偏压电压值，再输出与SG3525A 输出的100 kHz 载波进行合成。20 kHz脉冲偏压控制系统的框图如图2 所示。

图2 20 kHz 脉冲偏压控制系统的框图

1.2 DSP的选型及接口设计

选择DSPic30F4012 作为主控DSP 芯片，是一种高性能16 位数字信号控制器，工作电压2.5～5.5 V，C 编译器优化的指令集，16 位宽数据总线，24 位宽指令，16 个16 位通用寄存器，最多54 个可编程数字I/O 引脚，最多45 个外部中断源，5 个外部中断，7 个可编程优先级。设计DSPic30F4012 管脚接线图如图3 所示。

图3 DSP的管脚接线图

1.3 PWM 芯片的选型及设计

选择SG3525A 作为PWM 发生芯片，SG3525A 通过内部振荡器产生锯齿波电压作为载波信号，反馈电压和参考电压通过内部的误差放大器比较并输出误差电压，此误差电压作为调制信号，载波信号和调制信号叠加用于确定脉宽调制波的占空比。反馈电压越高，输出脉冲的占空比越小，反之则越大。当交流输入电压波动或负载变化引起输出电压变化时，由于系统的负反馈作用，PWM 输出脉冲宽度自动调整，从而实现稳压。SG3525 内部的基准源为5.11 V，将脚16 输出的基准电压经分压后加至同相输入端脚2，将电压反馈信号加至反相输入端脚1，通过调整R8的大小可以设定死区时间的宽度，R8越大死区越宽。根据系统的动、静态要求，可在脚9与脚1之间接入适当的补偿网络。由于电路刚启动时输出电压还未建立，此时内部误差比较器输出电压高，PWM信号脉宽很大，输出电压被抬高，在脚8 软启动脚外接电容C5，在上电的初始阶段，通过电容充电使占空比由零逐渐增大，实现软启动功能，避免了输出电压在启动初期的过调制现象。在脚10 可加故障保护信号，一旦输出电流传感器的电流取样电压高于设定电压时，会立即封锁输出脉冲信号。当外部封锁信号撤去后，SG3525 也要经过一次软启动过程才能重新开始工作。

所设计的SG3525A的外围电路如图4 所示。图中PWM 频率的计算可以通过式(1)求得：

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图4 SG3525A 外围电路

SG3525A的第二脚+V 给定的电压为参考电压5.1 V，第一脚-V 输入为2.5 V，要求PWM 以最大占空比输出，在第11 脚、第14 脚输出一组与设定频率相同的相位互补的PWM 波形。

1.4 逆变功率器件的选型及设计

采用频率不变、幅值可调的电路实现逆变变压器原边电压可调，要求逆变功率器件不仅能够高频变化，而且电压可以线性调节。

选择PB50 作为逆变功率器件，其金属壳外观封装，方便整体安装在散热器上，有助于长期工作于大功率输出场合。PB50的工作电压为±30 V～±100 V，可以获得连续2 A的直流电流输出，具有电压和电流增益，高电压变化率，可以达到50 V/μs，电流输出限流可以编程，工作频率可以达到160 kHz，电流精度可以达到12 mA。基于PB50的逆变电路如图5 所示。

图5 基于PB50的逆变电路

1.5 偏压整流电路设计及器件选型

设计的偏压直流最大达到2 000 V，变压器变比1:45，变比匝数增加，是为了防止变压器漏感造成的带载能力下降。所设计的整流电路如图6 所示。

图6 偏压整流电路

整流二极管选用10 000 V/0.5 A的高速二极管，为了保护整流电路，在输出端串联几个功率电阻限流，如图中R3、R4、R5 所示。在偏压输出端和-60 kV 之间并联2只串联的1 000 V 压敏电阻，防止放电的过压尖峰；输出端并联的二极管D3与整流二极管同型号，是为了抑制灯丝和偏压杯之间放电产生的尖峰。并联在整流电路两端两组串联的200 kΩ/5 W 电路，是为了给整流电源提供一个假负载。由于逆变频率很高，达到100 kHz，采用较小电容即可获得稳定直流输出，因此，滤波电容选择纳法级电容，最低耐压达到3 000 V。

HV1 端输入的是基值逆变交流电压信号；HV2 输入的是峰值逆 变交流电信号，D11、D12、D13、D14 组成的整流电路与D21、D22、D23、D24 组成的整流电路在Up1串联在一起，Up 端连接偏压杯。

220 kHz 脉冲偏压控制系统性能测试

经试验测试，所设计的20 kHz 脉冲偏压控制系统性能可达到如下指标：(1)偏压基值：0～2001V；(2)偏压峰值：0～2002V；(3)脉冲频率：0～20.8kHz可调；(4)占空比：0～80%可调；(5)偏压电源工作频率最大可达到127.4 kHz。

在峰值束流没有时，检测基值束流给定时，偏压整流电路输出端电压，检测结果如表1 所示。从表1中可以看出，束流给定较小时，偏压输出最大，达到-2 001 V，随着束流给定增大，偏压输出逐渐减小。

从表1中还可以看出，在束流输出前存在一段死区(偏压调节无束流输出)，保障无束流给定信号时，偏压输出能够将束流封住。

表1 偏压对应束流输出检测

采用研制的脉冲偏压控制系统脉冲调节部分，连接电压互补整流电路。

图7 是基值束流设定10 mA 时，基值偏压变压器副边输出波形。输出频率与原边设定频率一致，幅值达到1 000 V。

图7 基值设定10 mA的基值偏压变压器副边输出检测

图8 是在1 kHz，占空比50%，设定束流10 mA 经过整流电路的脉冲偏压峰值波形，可以看出脉冲偏压具有明显的脉冲特征。

图8 1 kHz 脉冲偏压波形

图9 是峰值束流设定10 mA，在脉冲峰值频率10 kHz和20 kHz 时检测的整流电路输出波形，从图中可以看出，整流后的电压存在直流分量，脉冲波形上升沿变化较缓慢，这与偏压变压器的绕制工艺有很大关系，变压器存在的寄生电感和电容导致脉冲波形畸变。需要在后续研究工作中优化电路参数，改善脉冲波形。存在的直流分量，将导致输出束流变小，可以通过优化工艺参数进行改善，不会影响脉冲束流输出。

图9 偏压峰值检测

将所研制的脉冲偏压整流电路安装于高压油箱中，高压电缆不连接电子枪，高压油箱与逆变电源连接，逆变电源的直流输入逐渐增大，每次增加20 V，检测高压反馈，同时检测悬浮于负高压端的脉冲偏压整流电路是否有放电现象，在最大耐受电压条件下，可连续稳定工作1 小时，说明脉冲偏压整流电路达到设计要求。

偏压电源输出端连接功率8 kΩ 电阻，该电阻由3.2 kΩ/100 W 功率电阻两并六串组成，在最大偏压输出时，电压为2 001 V，检测输出电流为250 mA，功率达到500.5 W。

3 结论

本文针对20 kHz 脉冲偏压控制系统设计要求，对其工作环境进行深入分析，选择高速DSP 数字处理芯片、高速运放、自主知识产权的偏压变压器结构对脉冲偏压系统进行设计，并进行大量试验，获得达到设计要求的脉冲偏压控制系统，为脉冲束流的调控奠定技术基础。

(1)采用DSPIC30F4012 实现了脉冲束流基值、峰值向偏压基值、峰值的转化，根据输入脉冲频率、占空比，可以调节脉冲束流的输出；

(2)采用SG3525A 输出100 kHz 以上的基波，由DSP输出脉冲合成的模式，再经由大功率运放、基值、峰值串联整流电路可以获得脉冲偏压输出，继而实现对脉冲束流输出的调控。