一種電子束加工設備精密加速電源裝置及控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電子束加工設備領域，具體涉及一種電子束加工設備精密加速電源裝置及控制方法。
【背景技術】
[0002]在精密電子束焊機、電子束打孔機、電子束快速成型機等電子束加工設備中，加速電源采用閉環控制方式，控制精度以平均值為衡量指標一般都能達到要求，但對以瞬時值為衡量指標的紋波的抑制閉環控制是無能為力的。加速電源都是經交流升壓再整流濾波獲得，紋波除了正常整流波形的紋波外，高壓整流過程交流電感的作用使得直流輸出波形產生凹陷，從而形成更大的紋波。加速電源工作電流一般較小，電感對正常紋波的濾波作用不大，高壓電容器的電容值又較小(不能用電解電容)，所有這些因數對降低輸出電壓的紋波都不利。另外目前，電子束加工設備的加速電源多采用電力電子脈寬調制(PWM)變流技術實現功率調節，在PffM變流器中，電感濾波元件有電流連續與電流斷續兩種工作狀態。在電子束加工設備中加速電源的負載由空載到滿載變化，當負載較輕時，其PffM變流器工作于電流斷續狀態。電感電流處于斷續狀態，當功率管開啟瞬間電感呈阻性，輸出端就會出現尖峰脈沖電壓(約等于輸入電壓)，此尖峰電壓經變壓器放大直接反映到加速電源輸出端。高壓濾波電路中電感和電容存在寄生參數，對尖峰脈沖電壓抑制能力不強。電子束加工設備輕載運行狀態希望加速電源輸出電壓更加平穩，而尖峰脈沖電壓將直接影響到電子束的加工精度。為了提高加速電源的精度，須從電源的結構和控制方法上加以改進。

【發明內容】

[0003]本發明所要解決的技術問題是提供一種利用同步Buck電路調壓，解決輕載電流斷續出現尖峰脈沖電壓問題的電子束加工設備精密加速電源裝置及控制方法.
[0004]本發明解決上述技術問題的技術方案如下:一種電子束加工設備精密加速電源裝置，包括進線濾波器、低壓整流濾波單元、直流-直流變換單元、逆變單元、高壓單元和調節器，所述進線濾波器的輸入端與外部電網連接，所述進線濾波器的輸出端、低壓整流濾波單元、直流-直流變換單元、逆變單元和高壓單元的輸入端依次串接，所述高壓單元的高壓輸出端輸出高壓電接至電子槍陰極，所述高壓單元的信號端輸出高壓反饋信號U送至所述調節器的第二輸入端，所述調節器的第一輸入端輸入高壓給定信號If，所述調節器的輸出端與所述直流-直流變換單元的信號端連接；
[0005]所述進線濾波器，其用于接入交流電，消除高頻電磁干擾信號在其輸入端與輸出端間的傳遞；
[0006]所述低壓整流濾波單元，其用于將交流電變換成平直不可控直流電；
[0007]所述直流-直流變換單元，其用于將平直不可控直流電變成平直可控直流電；還用于將調節信號Uc轉換成PffM信號的占空比，實現輸出高壓的穩定調節；
[0008]所述逆變單元，其用于將平直可控直流電逆變成可控中頻矩形波交流電；
[0009]所述高壓單元，其用于將可控中頻矩形波交流電進行升壓和整流濾波，并輸出平直的直流高壓電，同時對輸出高壓值信號進行線性采樣，輸出高壓反饋信號U ;
[0010]所述調節器，其用于將高壓給定信號If與高壓反饋信號U的差值進行比例一積分(PD運算，生成調節信號Uc。
[0011]本發明的有益效果是:采用電壓閉環控制結構，電源由三相市電供電，采用AC — DC — DC — AC — AC — DC電流變換方式，DC — DC利用同步Buck電路實現，在電子束加工設備輕載運行狀態時，能有效抑制尖峰脈沖電壓，加速電源輸出電壓更加平穩，提高了加速電源的精度，提升電子束的加工精度；中間DC — AC逆變環節為中頻逆變；由中頻高壓變壓器實現電能的傳遞、升壓和高壓絕緣；調節器根據高壓給定信號U*和電壓反饋信號U的偏差信號Λ U( Δ U = If-U)進行比例一積分(PI)運算輸出信號Uc去調節逆變直流-直流變換單元的輸出電壓的幅值，最終實現輸出高壓的穩定調節。
[0012]在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。
[0013]進一步，所述直流-直流變換單元包括第一驅動脈沖發生器、開關功率管Vl?V2和電感LI?L2，所述第一驅動脈沖發生器的信號輸入端與所述調節器的信號輸出端連接，所述第一驅動脈沖發生器的輸出端分別與所述開關功率管Vl和開關功率管V2的基極連接，所述開關功率管Vl的集電極與所述低壓整流濾波單元的正輸出端連接，所述開關功率管Vl的發射極分別與所述開關功率管V2的集電極和所述電感LI的第一端連接，所述電感LI的第二端作為所述直流-直流變換單元的正輸出端，所述開關功率管V2的發射極分別與所述低壓整流濾波單元的負輸出端和所述電感L2的第一端連接，所述電感L2的第二端作為所述直流-直流變換單元的負輸出端，所述直流-直流變換單元的兩輸出端分別接至所述逆變單元的直流兩輸入端。
[0014]采用上述進一步方案的有益效果是:直流-直流變換單元采用同步Buck電路結構，第一驅動脈沖發生器將調節器輸出信號Uc轉換成PffM信號的占空比，Uc越大，gl越寬，直流-直流變換單元的輸出Ud2越大；開關功率管V1、開關功率管V2的驅動信號gl、g2為推挽互補關系，但轉換過程設置2-3微秒的死區時間，避免開關功率管Vl和開關功率管V2短時直通；同步Buck電路為強迫電流連續工作模式，避免了電感LI和電感L2電流斷續時造成變換器輸出端出現尖峰脈沖電壓，加速電源輸出電壓更加平穩，提高了加速電源的精度，提升電子束的加工精度。
[0015]進一步，所述逆變單元包括A相逆變器、B相逆變器和第二驅動脈沖發生器，所述A相逆變器和所述B相逆變器均與所述第二驅動脈沖發生器連接。
[0016]所述A相逆變器包括開關功率管V3?V4和電容Cl?C2，所述開關功率管V3的集電極接至所述直流-直流變換單元的正輸出端，所述開關功率管V3的發射極與所述開關功率管V4的集電極相接，并作為第一輸出端，所述開關功率管V4的發射極接至所述直流-直流變換單元的負輸出端，所述開關功率管V3和開關功率管V4的基極與所述第二驅動脈沖發生器連接，所述電容Cl和電容C2串聯連接，電容Cl和電容C2串聯支路的Cl端與所述開關功率管V3的集電極相接，電容Cl和電容C2串聯支路的C2端與所述開關功率管V4的發射極相接，電容Cl和電容C2串聯支路的中間端作為第二輸出端，第一輸出端和第二輸出端分別接至第一升壓變壓器一次繞組的兩端。
[0017]所述B相逆變器包括開關功率管V5?V6和電容C3?C4，所述開關功率管V5的集電極接至所述直流-直流變換單元的正輸出端，所述開關功率管V5的發射極與所述開關功率管V6的集電極相接，并作為第一輸出端，所述開關功率管V6的發射極接至所述直流-直流變換單元的負輸出端，所述開關功率管V5和開關功率管V6的基極與所述第二驅動脈沖發生器連接，所述電容C3和電容C4串聯連接，電容C3和電容C4串聯支路的C3端與所述開關功率管V5的集電極相接，電容C3和電容C4串聯支路的C4端與所述開關功率管V6的發射極相接，電容C3和電容C4串聯支路的中間端作為第二輸出端，第一輸出端和第二輸出端分別接至第二升壓變壓器一次繞組的兩端。
[0018]采用上述進一步方案的有益效果是:所述A相逆變器與B相逆變器采用單相半橋逆變電路，且兩相逆變器的電路結構與參數相同，電容Cl?C4的電容值相同，電容Cl和電容C2串聯支路和電容C3和電容C4串聯支路作為所述直流-直流變換單元的輸出濾波電容以及分別作為開關功率管V3和開關管功率管V4和開關管功率管V5和開關管功率管V6的緩沖電容，同時分別作為所述A相逆變器與B相逆變器的直流輸入均壓電容及交流輸出隔直電容。開關功率管V3和開關管功率管V4的驅動信號g3、g4為對稱推挽互補關系，但轉換過程設置2-3微秒的死區時間，避免開關功率管V3和開關功率管V4短時直通；開關功率管V5、V6的驅動信號g5、g6為對稱推挽互補關系，但轉換過程設置2-3微秒的死區時間，避免開關功率管V5和開關功率管V6短時直通，所述A相逆變器與B相逆變器驅動波形的相序相差90°，即所述A相逆變器與B相逆變器的輸出為兩相對稱矩形電壓波形，對應的兩相高壓并聯整流波形脈動頻率為直流-直流變換器PWM波的頻率，且消除了凹陷，由于高壓總整流波的脈動頻率高，而脈動幅值低，選用較小的高壓濾波電容值就能濾掉交流成分，滿足紋波系數指標要求；高壓濾波電容值小一方面系統慣性時間常數小，有利于提高控制系統調節速度，另一方面貯能小