20 kHz脈沖偏壓控制系統設計
2021年電子技術應用第9期
王 壯1，許海鷹1，桑興華1，楊 波1，張 偉2
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
摘要： 為提高電子束熔絲增材的成形質量，基于偏壓調節束流的原理，開發了一種20 kHz脈沖偏壓控制系統。通過對其工作環境深入分析，選取高速DSP數字處理芯片實現脈沖束流基值、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；并通過PWM發生芯片，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，從而獲得一熔滴一脈沖的熔絲成形效果。
中圖分類號： TN78；TG439.9
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.201274
中文引用格式： 王壯，許海鷹，桑興華，等. 20 kHz脈沖偏壓控制系統設計[J].電子技術應用，2021，47(9)：96-100，110.
英文引用格式： Wang Zhuang，Xu Haiying，Sang Xinghua，et al. The design of 20 kHz pulse bias voltage control system[J]. Application of Electronic Technique，2021，47(9)：96-100，110.
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.201274
中文引用格式： 王壯，許海鷹，桑興華，等. 20 kHz脈沖偏壓控制系統設計[J].電子技術應用，2021，47(9)：96-100，110.
英文引用格式： Wang Zhuang，Xu Haiying，Sang Xinghua，et al. The design of 20 kHz pulse bias voltage control system[J]. Application of Electronic Technique，2021，47(9)：96-100，110.
The design of 20 kHz pulse bias voltage control system
Wang Zhuang1，Xu Haiying1，Sang Xinghua1，Yang Bo1，Zhang Wei2
1.Science and Technology on Power Beam Generator Laboratory，AVIC Manufacturing Technology Institute，Beijing 100024，China； 2.School of Mechanical Engineering and Automation，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China
Abstract： In order to improve the molding quality of the electron beam fuse additive，a 20 kHz pulsed bias voltage control system was developed based on the principle of the bias voltage to adjust the beam current. Through in-depth analysis of its working environment, it selects high-speed DSP digital processing chip to realize the conversion of pulse beam base value, peak value to bias voltage base value and peak value. According to the input pulse frequency and duty cycle, the pulse beam output can be adjusted; and through the PWM generator chip, the fundamental wave above 100 kHz is output, and the DSP outputs the pulse synthesis mode, and then through the high-power operational amplifier, the base value, and the peak value series rectifier circuit, the pulse bias output can be obtained, and then the pulse beam output is regulated, so as to achieve a drop-by-pulse control mode.
Key words : fuse additive manufacturing；bias voltage power supply；pulse beam current
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。
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作者信息：
王 壯1，許海鷹1，桑興華1，楊 波1，張 偉2
(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)
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