CN104038078A - 一种用于产生类三角波励磁电流的扫描电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于产生类三角波励磁电流的扫描电源，其连接在交流市电与负载之间，包括：一将所述交流市电的电压转换成一直流稳定电压的功率稳压器；一连接在所述功率稳压器与所述负载之间、并将所述直流稳定电压转换成一输出电压的直流转换器；一产生类三角波信号的波形发生器；以及一控制电路，其第一输入端连接至所述波形发生器以接收所述类三角波信号，其第二输入端连接至所述负载以接收所述负载的负载电流，其输出端连接至所述直流转换器以驱动所述直流转换器输出所述输出电压。本发明可以解决现有技术中加速器钛的窗边缘容易损坏以及负载电流会随着负载的变化而改变的缺陷。

Description

一种用于产生类三角波励磁电流的扫描电源

技术领域

本发明涉及工业电子辐照设备技术领域，尤其是涉及一种用于产生类三角波励磁电流的电流型扫描电源。

背景技术

工业辐照加速器的应用越来越广泛，其工作原理是利用高能电子束使物质产生生物学效应，用以有效杀灭医疗卫生用品和食品携带的害虫和微生物，同时产生的化学、物理效应则可用于材料改性、环境保护与新材料制备等。工业辐照加速器的电子束束流截面为毫米量级，为了保证电子束能够均匀的照射被辐照物品，应在束流出射的平面二维方向上施加两极磁场，使之对被辐照物表面作X-Y扫描，通过扫描系统实现对X方向和Y方向的控制。其中，扫描系统包括X方向扫描磁铁、Y方向扫描磁铁和励磁电源，它们都是通过扫描系统中的扫描电源供电。

目前，使用的工业辐照加速器扫描电源基本上都是电压型的，因而一方面，负载电流会随着负载的变化而改变，而且电流线性度对负载依赖性很大，尤其是低频时；另一方面，束流在扫描被辐照物品时通常是从上到下，从左到右的顺序进行扫描，因而在扫描边缘处由于扫描速度大，很容易在短时间内扫描两次，导致束流在加速器的钛窗边缘处积累，造成钛窗的局部损坏。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中加速器钛窗边缘容易损坏以及负载电流会随着负载的变化而改变的缺陷，提供一种用于产生类三角波励磁电流的扫描电源。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于产生类三角波励磁电流的扫描电源，其连接在交流市电与负载之间，该扫描电源包括：

一将所述交流市电的电压转换成一直流稳定电压的功率稳压器；

一连接在所述功率稳压器与所述负载之间、并将所述直流稳定电压转换成一输出电压的直流转换器；

一产生类三角波信号的波形发生器；以及

一控制电路，其第一输入端连接至所述波形发生器以接收所述类三角波信号，其第二输入端连接至所述负载以接收所述负载的负载电流，其输出端连接至所述直流转换器以驱动所述直流转换器输出所述输出电压。

优选地，所述功率稳压器包括依次连接在所述交流市电与所述直流转换器之间的一整流器和一稳压电路。

进一步地，所述整流器包括依次连接在所述交流市电与所述稳压电路之间的一全桥整流电路模块和一RC滤波电路模块。

进一步地，所述稳压电路为BUCK降压电路。

前述一种用于产生类三角波励磁电流的扫描电源，所述直流转换器为H桥变换器。

前述一种用于产生类三角波励磁电流的扫描电源，所述波形发生器包括一单片机以及一连接在所述单片机与所述控制电路之间的类三角波产生电路。

进一步地，所述类三角波产生电路包括：

运算放大器，其正输入端接地；

第一电阻器，其一端连接所述运算放大器的负输入端；

第一电位器和第三电容器，依次串联在所述运算放大器的负输入端与输出端之间；以及

第二电阻器，其一端连接在所述第一电位器和第三电容器之间，另一端边接至所述运算放大器的输出端。

优选地，所述控制电路包括依次连接在所述波形发生器和所述直流转换器之间的一PI补偿器、一脉冲宽度调制电路模块和一驱动电路模块。

进一步地，所述PI补偿器包括：

误差放大器，其正输入端接地；

第二电位器和第三电阻器，其中，所述第二电位器的一端和所述第三电阻器的一端连接，且所述第三电阻器的另一端连接至所述误差放大器的负输入端；

第四电阻器和第四电容器，其中，所述第四电阻器的一端和所述第四电容器的一端连接，且所述第四电阻器的另一端连接至所述误差放大器的负输入端，所述第四电容器的另一端连接至所述误差放大器的输出端；

第五电容器，其一端连接至所述第四电阻器的所述另一端，另一端连接至所述误差放大器的输出端；以及

第五电阻器，其一端接至所述第五电容器的所述一端。

根据以上的技术方案，本发明能够实现的有益效果是：一方面，本发明向负载输出的是类三角波电流，其将在三角波斜率开始变化的地方产生波形突跳，从而防止电子束在扫描时进行二次扫描，能够保护钛窗，防止其因局部束流过大而损坏；另一方面，由于本发明的扫描电源是电流型的，所以负载变化对扫描电流波形的影响不大，从而保证了负载电流不会随着负载的改变而变化。

附图说明

图1为本发明的扫描电源的整体原理框图；

图2为图1中的功率稳压器的电路原理图；

图3为图1中的直流转换器的电路原理图；

图4为图1中的类三角波产生电路的电路原理图；

图5为图4中的类三角波产生电路产生的参考波形；

图6为图1中的PI补偿器的电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施范例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的用于产生类三角波励磁电流的扫描电源包括：功率稳压器1、直流转换器2、波形发生器3和控制电路4。其中，功率稳压器1的输入端与220V标准交流市电相连，用于将来自电网的能量转换为稳定直流电压，因而即使在交流市电幅值不断变化的情况下也能保证输出稳定的直流电压；直流转换器2的输入端与功率稳压器1的输出端相连，输出端与负载5相连，以将功率稳压器1输出的稳定直流电压转化为负载5所需的输出电压传送至负载5；波形发生器3包括单片机31和类三角波产生电路32，其中单片机31先采样并进行A/D转换，再产生频率和幅度可调的方波输出至类三角波产生电路32，然后通过类三角波产生电路32产生需要的类三角波以作为参考信号；控制电路4由依次连接在波形发生器3和直流转换器2之间的PI补偿器41、脉冲宽度调制电路模块42和驱动电路模块43组成，用于对波形发生器3输出的参考信号与负载5电流反馈信号之间的误差信号进行PI补偿，并生成频率50KHZ的脉冲宽度调制信号至直流转换器2，以控制直流转换器2输出负载5所需的输出电压。下面详细介绍本发明的各个组成部分：

如图1和2所示，本发明的功率稳压器1包括依次连接在交流市电与直流转换器2之间的整流器11和稳压电路12，其中，整流器11包括由四个二极管DZX1-DZX4组成的全桥整流电路模块以及由电阻器RX1和第一电容器C1组成的RC滤波电路模块，其作用是为稳压电路12提供稳定的直流输入电压；稳压电路12采用如图2所示的由功率开关管Q1、二极管D5、电感器L2、第二电容器C2和保险丝F1组成的BUCK降压电路实现，通过降压达到后级直流转换器2所需要的母线电压，此处设计了一个电压负反馈电路，用于采样母线电压，通过闭环控制策略，可以使输出的电压更加稳定可靠。本发明通过功率稳压器1实现了对输入电网电压的能量转换。

本发明的直流转换器2采用图3所示的由四个绝缘栅场效应晶体管T1-T4组成的H桥变换器实现，每个晶体管T1-T4均以脉宽调制方式工作于开关状态，通过改变脉冲宽度来调节H桥变换器的输出电压，其中，每两个晶体管为一组(T1和T4为一组，T2和T3为一组)，同组的晶体管同时开通和关断，不同组的晶体管不能同时开通，并且两组在开通时要有大约4us的死区时间。此处的直流转换器2用于将输入电网电压的能量按照负载5所需要的方式传递到负载5。

本发明的波形发生器3包括单片机31和类三角波产生电路32，单片机31用于产生频率和幅度可调的方波，其中，频率是通过单片机31根据其输入管脚的电压来改变的，而该管脚的输入电压可以通过一个旋钮控制，当旋钮扭动时，相应的分压电阻器变化引起外部输入电压变化，进而改变单片机31产生的方波，这属于现有技术，在此不再赘述，此外，单片机31可采用本领域常用的单片机实现，例如STC12C5206AD等；类三角波产生电路32采用的是如图4所示的类积分电路，其包括运算放大器OP、以及依次串联在运算放大器OP的负输入端与输出端之间的第一电位器RP1和第三电容器C3，还包括连接至运算放大器OP的负输入端的第一电阻器R1以及并联在电容器C3两端的第二电阻器R2，其中，运算放大器OP的正输入端接地。在该类积分电路中，通过电容器C3和电位器RP1的串联可以产生需要的类三角波，波形如图5所示，即，波形在三角波斜率开始变化的地方出现90度的波形突跳，从而防止电子束在扫描时进行二次扫描，能够保护钛窗，防止其因局部束流过大而损坏。其中，该突跳值为图4中的第一电位器RP1与第三电阻器R3的比值，因此通过控制该比值，即可得到不同的突跳值。

再次参阅图1，本发明的控制电路4包括依次连接在波形发生器3和直流转换器2之间的PI补偿器41、脉冲宽度调制电路模块42和驱动电路模块43。其中，PI补偿器41是一个单极点-单零点的比例积分电路，其通过反馈信号输入端与负载5相连，并通过参考信号输入端与类三角波产生电路32相连，如图6所示，此处的PI补偿器41包括：误差放大器EA，其正输入端接地；第二电位器RP2和第三电阻器R3，其中第二电位器RP2的一端和第三电阻器R3的一端连接，且第三电阻器R3的另一端连接至误差放大器EA的负输入端；第四电阻器R4和第四电容器C4，其中第四电阻器R4的一端和第四电容器C4的一端连接，且第四电阻R4的另一端连接至误差放大器EA的负输入端，第四电容器R4的另一端连接至误差放大器EA的输出端；第五电容器C5，其一端连接至第四电阻器R4的另一端，另一端连接至误差放大器EA的输出端；以及第五电阻器R5，其一端接至第五电容器C5的一端。

另外，本发明的脉冲宽度调制电路模块42和驱动电路模块43同样通过模拟电路实现，它们实现的电路原理均为现有技术，在此不再赘述。

上述控制电路4的工作原理是这样的：首先，通过误差放大器EA比较波形发生器3输出的给定参考信号和从负载5获得的电流反馈信号并得到电流误差信号，其中，由于电路中很多地方存在衰减，因而可以通过微调第二电位器RP2对衰减的反馈信号进行补偿，使之更接近参考信号；然后，电流误差信号经误差放大器放大并积分得到调节控制信号，该信号被送往脉冲宽度调制电路模块42，以产生两路互补的PWM波；该PWM波随后输出至驱动电路43，以控制H桥变换器中的晶体管T1-T4的开通和关断，以调节其输出电压。

本发明的扫描电源的工作过程如下：

上电后，功率稳压器1开始工作，通过带有电压负反馈功能的稳压电路12得到稳定直流电压，然后该稳定直流电压输出至直流转换器2以作为其母线电压；同时，单片机31向类三角波产生电路32输出方波，以通过类三角波产生电路32产生类三角波参考波形；然后通过PI补偿器41比较类三角波参考波形与负载电流反馈波形，并根据两者的误差得到误差调节信号；该误差调节信号被输出至脉冲宽度调制电路模块42，并在其中产生两路互补的PWM信号，然后通过驱动电路模块43控制直流转换器的晶体管T1-T4的开通和关断，以调节输出电压，从而控制负载电流的变化。由于本发明的扫描电源是电压型，因而在工作过程中，负载5上的电流始终能够跟踪给定的参考信号。另外，本发明向负载5输出的是类三角波电流，其将在三角波斜率开始变化的地方产生90度的波形突跳，从而防止电子束在扫描时进行二次扫描，能够保护钛窗，防止其因局部束流过大而损坏。

Claims (9)

1.一种用于产生类三角波励磁电流的扫描电源，其连接在交流市电与负载之间，其特征在于，该扫描电源包括：

一将所述交流市电的电压转换成一直流稳定电压的功率稳压器；

一连接在所述功率稳压器与所述负载之间、并将所述直流稳定电压转换成一输出电压的直流转换器；

一产生类三角波信号的波形发生器；以及

一控制电路，其第一输入端连接至所述波形发生器以接收所述类三角波信号，其第二输入端连接至所述负载以接收所述负载的负载电流，其输出端连接至所述直流转换器以驱动所述直流转换器输出所述输出电压。

2.根据权利要求1所述的用于产生类三角波励磁电流的扫描电源，其特征在于，所述功率稳压器包括依次连接在所述交流市电与所述直流转换器之间的一整流器和一稳压电路。

3.根据权利要求2所述的用于产生类三角波励磁电流的扫描电源，其特征在于，所述整流器包括依次连接在所述交流市电与所述稳压电路之间的一全桥整流电路模块和一RC滤波电路模块。

4.根据权利要求2或3所述的用于产生类三角波励磁电流的扫描电源，其特征在于，所述稳压电路为BUCK降压电路。

5.根据权利要求1所述的用于产生类三角波励磁电流的扫描电源，其特征在于，所述直流转换器为H桥变换器。

6.根据权利要求1所述的用于产生类三角波励磁电流的扫描电源，其特征在于，所述波形发生器包括一单片机以及一连接在所述单片机与所述控制电路之间的类三角波产生电路。

7.根据权利要求6所述的用于产生类三角波励磁电流的扫描电源，其特征在于，所述类三角波产生电路包括：

运算放大器，其正输入端接地；

第一电阻器，其一端连接所述运算放大器的负输入端；

第一电位器和第三电容器，依次串联在所述运算放大器的负输入端与输出端之间；以及

第二电阻器，其一端连接在所述第一电位器和第三电容器之间，另一端边接至所述运算放大器的输出端。

8.根据权利要求1所述的用于产生类三角波励磁电流的扫描电源，其特征在于，所述控制电路包括依次连接在所述波形发生器和所述直流转换器之间的一PI补偿器、一脉冲宽度调制电路模块和一驱动电路模块。

9.根据权利要求8所述的用于产生类三角波励磁电流的扫描电源，其特征在于，所述PI补偿器包括：

误差放大器，其正输入端接地；

第二电位器和第三电阻器，其中，所述第二电位器的一端和所述第三电阻器的一端连接，且所述第三电阻器的另一端连接至所述误差放大器的负输入端；

第四电阻器和第四电容器，其中，所述第四电阻器的一端和所述第四电容器的一端连接，且所述第四电阻器的另一端连接至所述误差放大器的负输入端，所述第四电容器的另一端连接至所述误差放大器的输出端；

第五电容器，其一端连接至所述第四电阻器的所述另一端，另一端连接至所述误差放大器的输出端；以及

第五电阻器，其一端接至所述第五电容器的所述一端。