一種用於產生類三角波勵磁電流的掃描電源的製作方法
2023-06-02 00:32:36 2
一種用於產生類三角波勵磁電流的掃描電源的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種用於產生類三角波勵磁電流的掃描電源，其連接在交流市電與負載之間，包括：一將所述交流市電的電壓轉換成一直流穩定電壓的功率穩壓器；一連接在所述功率穩壓器與所述負載之間、並將所述直流穩定電壓轉換成一輸出電壓的直流轉換器；一產生類三角波信號的波形發生器；以及一控制電路，其第一輸入端連接至所述波形發生器以接收所述類三角波信號，其第二輸入端連接至所述負載以接收所述負載的負載電流，其輸出端連接至所述直流轉換器以驅動所述直流轉換器輸出所述輸出電壓。本發明可以解決現有技術中加速器鈦的窗邊緣容易損壞以及負載電流會隨著負載的變化而改變的缺陷。
【專利說明】—種用於產生類三角波勵磁電流的掃描電源
【技術領域】
[0001]本發明涉及工業電子輻照設備【技術領域】，尤其是涉及一種用於產生類三角波勵磁電流的電流型掃描電源。
【背景技術】
[0002]工業輻照加速器的應用越來越廣泛，其工作原理是利用高能電子束使物質產生生物學效應，用以有效殺滅醫療衛生用品和食品攜帶的害蟲和微生物，同時產生的化學、物理效應則可用於材料改性、環境保護與新材料製備等。工業輻照加速器的電子束束流截面為毫米量級，為了保證電子束能夠均勻的照射被輻照物品，應在束流出射的平面二維方向上施加兩極磁場，使之對被福照物表面作X-Y掃描，通過掃描系統實現對X方向和Y方向的控制。其中，掃描系統包括X方向掃描磁鐵、Y方向掃描磁鐵和勵磁電源，它們都是通過掃描系統中的掃描電源供電。
[0003]目前，使用的工業輻照加速器掃描電源基本上都是電壓型的，因而一方面，負載電流會隨著負載的變化而改變，而且電流線性度對負載依賴性很大，尤其是低頻時；另一方面，束流在掃描被輻照物品時通常是從上到下，從左到右的順序進行掃描，因而在掃描邊緣處由於掃描速度大，很容易在短時間內掃描兩次，導致束流在加速器的鈦窗邊緣處積累，造成鈦窗的局部損壞。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於解決現有技術中加速器鈦窗邊緣容易損壞以及負載電流會隨著負載的變化而改變的缺陷，提供一種用於產生類三角波勵磁電流的掃描電源。
[0005]為了實現上述目的，本發明採用的技術方案如下:
[0006]—種用於產生類三角波勵磁電流的掃描電源，其連接在交流市電與負載之間，該掃描電源包括:
[0007]—將所述交流市電的電壓轉換成一直流穩定電壓的功率穩壓器；
[0008]一連接在所述功率穩壓器與所述負載之間、並將所述直流穩定電壓轉換成一輸出電壓的直流轉換器；
[0009]一產生類三角波信號的波形發生器；以及
[0010]一控制電路，其第一輸入端連接至所述波形發生器以接收所述類三角波信號，其第二輸入端連接至所述負載以接收所述負載的負載電流，其輸出端連接至所述直流轉換器以驅動所述直流轉換器輸出所述輸出電壓。
[0011 ] 優選地，所述功率穩壓器包括依次連接在所述交流市電與所述直流轉換器之間的一整流器和一穩壓電路。
[0012]進一步地，所述整流器包括依次連接在所述交流市電與所述穩壓電路之間的一全橋整流電路模塊和一 RC濾波電路模塊。
[0013]進一步地，所述穩壓電路為BUCK降壓電路。[0014]前述一種用於產生類三角波勵磁電流的掃描電源，所述直流轉換器為H橋變換器。
[0015]前述一種用於產生類三角波勵磁電流的掃描電源，所述波形發生器包括一單片機以及一連接在所述單片機與所述控制電路之間的類三角波產生電路。
[0016]進一步地，所述類三角波產生電路包括:
[0017]運算放大器，其正輸入端接地；
[0018]第一電阻器，其一端連接所述運算放大器的負輸入端；
[0019]第一電位器和第三電容器，依次串聯在所述運算放大器的負輸入端與輸出端之間；以及
[0020]第二電阻器，其一端連接在所述第一電位器和第三電容器之間，另一端邊接至所述運算放大器的輸出端。
[0021 ] 優選地，所述控制電路包括依次連接在所述波形發生器和所述直流轉換器之間的一 PI補償器、一脈衝寬度調製電路模塊和一驅動電路模塊。
[0022]進一步地，所述PI補償器包括:
[0023]誤差放大器，其正輸入端接地；
[0024]第二電位器和第三電阻器，其中，所述第二電位器的一端和所述第三電阻器的一端連接，且所述第三電阻器的另一端連接至所述誤差放大器的負輸入端；
[0025]第四電阻器和第四電容器，其中，所述第四電阻器的一端和所述第四電容器的一端連接，且所述第四電阻器的另一端連接至所述誤差放大器的負輸入端，所述第四電容器的另一端連接至所述誤差放大器的輸出端；
[0026]第五電容器，其一端連接至所述第四電阻器的所述另一端，另一端連接至所述誤差放大器的輸出端；以及
[0027]第五電阻器，其一端接至所述第五電容器的所述一端。
[0028]根據以上的技術方案，本發明能夠實現的有益效果是:一方面，本發明向負載輸出的是類三角波電流，其將在三角波斜率開始變化的地方產生波形突跳，從而防止電子束在掃描時進行二次掃描，能夠保護鈦窗，防止其因局部束流過大而損壞；另一方面，由於本發明的掃描電源是電流型的，所以負載變化對掃描電流波形的影響不大，從而保證了負載電流不會隨著負載的改變而變化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1為本發明的掃描電源的整體原理框圖；
[0030]圖2為圖1中的功率穩壓器的電路原理圖；
[0031]圖3為圖1中的直流轉換器的電路原理圖；
[0032]圖4為圖1中的類三角波產生電路的電路原理圖；
[0033]圖5為圖4中的類三角波產生電路產生的參考波形；
[0034]圖6為圖1中的PI補償器的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0035]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施範例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
[0036]如圖1所示，本發明的用於產生類三角波勵磁電流的掃描電源包括:功率穩壓器
1、直流轉換器2、波形發生器3和控制電路4。其中，功率穩壓器I的輸入端與220V標準交流市電相連，用於將來自電網的能量轉換為穩定直流電壓，因而即使在交流市電幅值不斷變化的情況下也能保證輸出穩定的直流電壓；直流轉換器2的輸入端與功率穩壓器I的輸出端相連，輸出端與負載5相連，以將功率穩壓器I輸出的穩定直流電壓轉化為負載5所需的輸出電壓傳送至負載5 ;波形發生器3包括單片機31和類三角波產生電路32，其中單片機31先採樣並進行A/D轉換，再產生頻率和幅度可調的方波輸出至類三角波產生電路32，然後通過類三角波產生電路32產生需要的類三角波以作為參考信號；控制電路4由依次連接在波形發生器3和直流轉換器2之間的PI補償器41、脈衝寬度調製電路模塊42和驅動電路模塊43組成，用於對波形發生器3輸出的參考信號與負載5電流反饋信號之間的誤差信號進行PI補償，並生成頻率50KHZ的脈衝寬度調製信號至直流轉換器2，以控制直流轉換器2輸出負載5所需的輸出電壓。下面詳細介紹本發明的各個組成部分:
[0037]如圖1和2所示，本發明的功率穩壓器I包括依次連接在交流市電與直流轉換器2之間的整流器11和穩壓電路12，其中，整流器11包括由四個二極體DZX1-DZX4組成的全橋整流電路模塊以及由電阻器RXl和第一電容器Cl組成的RC濾波電路模塊，其作用是為穩壓電路12提供穩定的直流輸入電壓；穩壓電路12採用如圖2所示的由功率開關管Q1、二極體D5、電感器L2、第二電容器C2和保險絲Fl組成的BUCK降壓電路實現，通過降壓達到後級直流轉換器2所需要的母線電壓，此處設計了一個電壓負反饋電路，用於採樣母線電壓，通過閉環控制策略，可以使輸出的電壓更加穩定可靠。本發明通過功率穩壓器I實現了對輸入電網電壓的能量轉換。
[0038]本發明的直流轉換器2採用圖3所示的由四個絕緣柵場效應電晶體T1-T4組成的H橋變換器實現，每個電晶體T1-T4均以脈寬調製方式工作於開關狀態，通過改變脈衝寬度來調節H橋變換器的輸出電壓，其中，每兩個電晶體為一組(Tl和T4為一組，T2和T3為一組)，同組的電晶體同時開通和關斷，不同組的電晶體不能同時開通，並且兩組在開通時要有大約4us的死區時間。此處的直流轉換器2用於將輸入電網電壓的能量按照負載5所需要的方式傳遞到負載5。
[0039]本發明的波形發生器3包括單片機31和類三角波產生電路32，單片機31用於產生頻率和幅度可調的方波，其中，頻率是通過單片機31根據其輸入管腳的電壓來改變的，而該管腳的輸入電壓可以通過一個旋鈕控制，當旋鈕扭動時，相應的分壓電阻器變化引起外部輸入電壓變化，進而改變單片機31產生的方波，這屬於現有技術，在此不再贅述，此夕卜，單片機31可採用本領域常用的單片機實現，例如STC12C5206AD等；類三角波產生電路32採用的是如圖4所示的類積分電路，其包括運算放大器0P、以及依次串聯在運算放大器OP的負輸入端與輸出端之間的第一電位器RPl和第三電容器C3，還包括連接至運算放大器OP的負輸入端的第一電阻器Rl以及並聯在電容器C3兩端的第二電阻器R2，其中，運算放大器OP的正輸入端接地。在該類積分電路中，通過電容器C3和電位器RPl的串聯可以產生需要的類三角波，波形如圖5所示，S卩，波形在三角波斜率開始變化的地方出現90度的波形突跳，從而防止電子束在掃描時進行二次掃描，能夠保護鈦窗，防止其因局部束流過大而損壞。其中，該突跳值為圖4中的第一電位器RPl與第三電阻器R3的比值，因此通過控制該比值，即可得到不同的突跳值。
[0040]再次參閱圖1，本發明的控制電路4包括依次連接在波形發生器3和直流轉換器2之間的PI補償器41、脈衝寬度調製電路模塊42和驅動電路模塊43。其中，PI補償器41是一個單極點-單零點的比例積分電路，其通過反饋信號輸入端與負載5相連，並通過參考信號輸入端與類三角波產生電路32相連，如圖6所示，此處的PI補償器41包括:誤差放大器EA，其正輸入端接地；第二電位器RP2和第三電阻器R3，其中第二電位器RP2的一端和第三電阻器R3的一端連接，且第三電阻器R3的另一端連接至誤差放大器EA的負輸入端；第四電阻器R4和第四電容器C4，其中第四電阻器R4的一端和第四電容器C4的一端連接，且第四電阻R4的另一端連接至誤差放大器EA的負輸入端，第四電容器R4的另一端連接至誤差放大器EA的輸出端；第五電容器C5，其一端連接至第四電阻器R4的另一端，另一端連接至誤差放大器EA的輸出端；以及第五電阻器R5，其一端接至第五電容器C5的一端。
[0041]另外，本發明的脈衝寬度調製電路模塊42和驅動電路模塊43同樣通過模擬電路實現，它們實現的電路原理均為現有技術，在此不再贅述。
[0042]上述控制電路4的工作原理是這樣的:首先，通過誤差放大器EA比較波形發生器3輸出的給定參考信號和從負載5獲得的電流反饋信號並得到電流誤差信號，其中，由於電路中很多地方存在衰減，因而可以通過微調第二電位器RP2對衰減的反饋信號進行補償，使之更接近參考信號；然後，電流誤差信號經誤差放大器放大並積分得到調節控制信號，該信號被送往脈衝寬度調製電路模塊42，以產生兩路互補的PWM波；該PWM波隨後輸出至驅動電路43，以控制H橋變換器中的電晶體T1-T4的開通和關斷，以調節其輸出電壓。
[0043]本發明的掃描電源的工作過程如下:
[0044]上電後，功率穩壓器I開始工作，通過帶有電壓負反饋功能的穩壓電路12得到穩定直流電壓，然後該穩定直流電壓輸出至直流轉換器2以作為其母線電壓；同時，單片機31向類三角波產生電路32輸出方波，以通過類三角波產生電路32產生類三角波參考波形；然後通過PI補償器41比較類三角波參考波形與負載電流反饋波形，並根據兩者的誤差得到誤差調節信號；該誤差調節信號被輸出至脈衝寬度調製電路模塊42，並在其中產生兩路互補的PWM信號，然後通過驅動電路模塊43控制直流轉換器的電晶體T1-T4的開通和關斷，以調節輸出電壓，從而控制負載電流的變化。由於本發明的掃描電源是電壓型，因而在工作過程中，負載5上的電流始終能夠跟蹤給定的參考信號。另外，本發明向負載5輸出的是類三角波電流，其將在三角波斜率開始變化的地方產生90度的波形突跳，從而防止電子束在掃描時進行二次掃描，能夠保護鈦窗，防止其因局部束流過大而損壞。
【權利要求】
1.一種用於產生類三角波勵磁電流的掃描電源，其連接在交流市電與負載之間，其特徵在於，該掃描電源包括: 一將所述交流市電的電壓轉換成一直流穩定電壓的功率穩壓器； 一連接在所述功率穩壓器與所述負載之間、並將所述直流穩定電壓轉換成一輸出電壓的直流轉換器； 一產生類三角波信號的波形發生器；以及 一控制電路，其第一輸入端連接至所述波形發生器以接收所述類三角波信號，其第二輸入端連接至所述負載以接收所述負載的負載電流，其輸出端連接至所述直流轉換器以驅動所述直流轉換器輸出所述輸出電壓。
2.根據權利要求1所述的用於產生類三角波勵磁電流的掃描電源，其特徵在於，所述功率穩壓器包括依次連接在所述交流市電與所述直流轉換器之間的一整流器和一穩壓電路。
3.根據權利要求2所述的用於產生類三角波勵磁電流的掃描電源，其特徵在於，所述整流器包括依次連接在所述交流市電與所述穩壓電路之間的一全橋整流電路模塊和一 RC濾波電路模塊。
4.根據權利要 求2或3所述的用於產生類三角波勵磁電流的掃描電源，其特徵在於，所述穩壓電路為BUCK降壓電路。
5.根據權利要求1所述的用於產生類三角波勵磁電流的掃描電源，其特徵在於，所述直流轉換器為H橋變換器。
6.根據權利要求1所述的用於產生類三角波勵磁電流的掃描電源，其特徵在於，所述波形發生器包括一單片機以及一連接在所述單片機與所述控制電路之間的類三角波產生電路。
7.根據權利要求6所述的用於產生類三角波勵磁電流的掃描電源，其特徵在於，所述類三角波產生電路包括: 運算放大器，其正輸入端接地； 第一電阻器，其一端連接所述運算放大器的負輸入端； 第一電位器和第三電容器，依次串聯在所述運算放大器的負輸入端與輸出端之間；以及 第二電阻器，其一端連接在所述第一電位器和第三電容器之間，另一端邊接至所述運算放大器的輸出端。
8.根據權利要求1所述的用於產生類三角波勵磁電流的掃描電源，其特徵在於，所述控制電路包括依次連接在所述波形發生器和所述直流轉換器之間的一 PI補償器、一脈衝寬度調製電路模塊和一驅動電路模塊。
9.根據權利要求8所述的用於產生類三角波勵磁電流的掃描電源，其特徵在於，所述PI補償器包括: 誤差放大器，其正輸入端接地； 第二電位器和第三電阻器，其中，所述第二電位器的一端和所述第三電阻器的一端連接，且所述第三電阻器的另一端連接至所述誤差放大器的負輸入端； 第四電阻器和第四電容器，其中，所述第四電阻器的一端和所述第四電容器的一端連接，且所述第四電阻器的另一端連接至所述誤差放大器的負輸入端，所述第四電容器的另一端連接至所述誤差放大器的輸出端； 第五電容器，其一端連接至所述第四電阻器的所述另一端，另一端連接至所述誤差放大器的輸出端；以及 第五電阻器，其 一端接至所述第五電容器的所述一端。
【文檔編號】H02M5/458GK104038078SQ201410290525
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月25日 優先權日:2014年6月25日
【發明者】李 瑞, 鬱亞男, 黃毛毛, 胡志敏, 武萬鋒 申請人:中國科學院上海應用物理研究所