一种空间电子束焊接聚焦电源系统
阅读说明：本技术 一种空间电子束焊接聚焦电源系统 (Space electron beam welding focusing power supply system ) 是由 曲延滨 白凤强 张秉刚 王厚勤 宋蕙慧 侯睿 于 2019-11-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种数字控制高精度高功率密度空间电子束焊接聚焦电源系统,属于焊接电源领域,特别是应用于空间环境中电子束聚焦的情况。空间电子束焊接聚焦电源系统主要包括：高频半桥逆变、LLC谐振网络、高频变压器、全波整流滤波、电压电流采样电路、辅助供电电路、隔离驱动电路和DSP控制板。整个电源由于采用高频DC-DC变换器技术和数字化控制技术,具有高功率密度和高精度的特点。(The invention relates to a digital control high-precision high-power-density space electron beam welding focusing power supply system, belongs to the field of welding power supplies, and particularly relates to the situation of electron beam focusing in a space environment. The space electron beam welding focusing power supply system mainly comprises: the device comprises a high-frequency half-bridge inverter, an LLC resonance network, a high-frequency transformer, a full-wave rectification filter, a voltage and current sampling circuit, an auxiliary power supply circuit, an isolation drive circuit and a DSP control board. The whole power supply has the characteristics of high power density and high precision due to the adoption of a high-frequency DC-DC converter technology and a digital control technology.)
技术领域
本发明涉及一种空间电子束焊接聚焦电源系统，属于焊接电源领域，特别是应用于空间环境中电子束焊接聚焦的情况。
背景技术
空间装配、维护和维修任务都离不开连接技术，当前的空间连接技术局限于机械连接和胶接，而相比较而言，空间焊接具有连接强度和刚度高、密封性能好、接头结构简单质量轻和可靠性高等优点，发展空间焊接技术将有助于提升空间建造、维修和维护的能力。空间焊接技术在过去的半个世纪得到了稳步发展，为其在大型空间结构的装配、空间飞行器的维修和维护中的应用奠定了可靠的技术基础。电子束焊接是当前论证最为充分的空间焊接方法，电子束焊接技术在空间建设有着广泛的应用前景。
空间电子束焊接核心技术之一是电源系统的设计，其中聚焦集束电源可分为磁聚焦电源和电聚焦电源两大类，分别利用电子在磁场中受到洛伦兹力和电子在电场中受到电场力的原理，国内外学者在理论和实践上对磁聚焦方式的进行了深入的研究，用磁透镜作为主透镜的优点是加工方便，精度易保证，像差小，安全，易调整、场截面直径大，进入透镜的电子容易满足旁轴条件等，另外磁透镜的控制方式较简单，高精度可调的恒流源即可满足要求。电聚焦方式一般采用等径三圆单透镜，虽然体积和重量较小，但其控制方式复杂，并且需要5kV左右的负高压。综合多方面因素考虑后，采用磁聚焦方式来设计聚焦电源。
现有的磁聚焦电源技术主要有三种，分别为：1.线性控制方式的稳流直流电源，它是利用串联在电源输出回路中的大功率晶体管放大特性来进行工作的，该晶体管起可变电阻的作用。这种电源稳定特性好，响应速度快，但是由于在输出回路中大功率晶体管工作在放大区，损耗较高，发热量较大，不仅效率较低且对散热设计要求较高。2.开关控制方式的稳流直流电源，它是通过控制开关管的通断而实现电流或电压的稳定，这类电源具有高效率，高功率密度，高精度的特点。3.开关控制和线性控制相结合的稳流直流电源：解决了开关控制方式纹波大的问题，但是未能消减线性控制方式的低效率，而且电路更加复杂。
文章“ 一种高稳定度速调管聚焦磁场电源的研制”中采用IGBT作为功率开关管，其工作频率较低，整个电源装置体积较大，功率密度较低。《一种节能的电子直线加速器专用电子束聚焦磁场脉冲电源》（申请号201710598910 .8）公开的一种节能的电子直线加速器专用电子束聚焦磁场脉冲电源，其用于直线电子加速器高能量脉冲输出方式的场合，电源工作在脉冲状态，不仅能够节省能耗，而且可延长聚焦线圈使用寿命，但其为脉冲电子束加速装置的专用电源，不能够适用于电子束连续输出的场合。《超高速大电流脉冲式恒流源》（申请号201610908411X）公开的一种利用电容脉冲控制深度负反馈法实现脉冲恒流，通过与电源并联大电容，使负载工作初期主要由电容储存的能量提供，给负载提供一个微秒级别上升沿的脉冲；同时，与负载串联一个大功率达林顿管，保证负载通过数百安培的脉冲电流。该方法虽然实现了脉冲恒流，也提高了效率，但它仅适应负载变化较小的电阻，当负载变化较大时需要提高电源电压，由于功率达林顿管工作在线型区，VCE电压加大会造成管子发热严重，容易损坏；聚焦线圈是带有感性的负载，上升时间变长，深度负反馈比较容易自激导致电路不稳定。
可见，国内目前存在的电子束焊机电源系统存在以下不足。
1.工作频率较低，导致磁元件体积和重量较大，功率密度较低。
2.脉冲式电子束聚焦电源应用场合受限，不能够应用于电子束连续输出的场合。
3.控制方法简单，恒流输出精度较低，不能够在轻载模式下切换控制模式，减小损耗。
发明内容
为了克服现有发明的不足，本发明的目的在于提供一种数字控制高精度高功率密度空间电子束焊接聚焦电源系统，主电路包括半桥逆变、LLC谐振网络、高频变压器和全波整流滤波。控制电路包括电压电流采样、数字微控制器和驱动电路。具有数字化控制、高精度。高功率密度的特点，为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是。
空间电子束焊接聚焦电源系统主要包括：高频半桥逆变、LLC谐振网络、高频变压器、全波整流滤波、电压电流采样电路、辅助供电电路、隔离驱动电路和DSP控制板。
由于采用以上技术方案，本发明相比现有技术具有以下有益效果。
本发明的一种空间电子束焊机聚焦电源系统具有轻量化、小体积的特点，整体电源系统的开关频率在100KHz左右，驱动电路简单，原边驱动增加的RC滤波可以有效抑制干扰信号对驱动电平的影响，副边驱动增加的三极管确保MOS管快速关断，减少损耗，提高电源整体效率。
本发明的一种空间电子束焊机聚焦电源系统精度高、稳定性好的特点，整体电源系统采用数字闭环控制和稳定性较高的元件，保护电路实时监测异常情况，故障时能快速有效的保护整个系统，确保整个系统能够稳定可靠地工作在空间极端环境。
本发明的一种空间电子束焊机聚焦电源系统具有高精度高效能和便于维护的特点。整个系统采用工作频率为60MHz的高精度DSP主控芯片，聚焦电源稳定工作时能够实现0-1.5A的连续调节，输出电压纹波小于200mV,最小调节步长为0.5%，整个系统工作效率高于87％，电源采用模块化设计，便于维护和更换易损坏元件，能够实现高精度的控制、高效能的效果和便于维护要求。
附图说明
图1为电源整体原理框图。
图2为主电路原理框图。
图3为驱动电路原理框图。
图4为输出电压电流采样原理框图。
图5为辅助电源原理框图。
图6为控制器原理框图。
图7为控制器中断结构示意图。
图8为控制器状态机示意图。
图9为控制器电压电流双闭环控制示意图。
图10为电流环控制流程图。
具体实施方式
为更好地了解本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的工作原理和实施方式作进一步描述。
如图1所示为电源整体原理框图，整个电源系统主要包括高频半桥逆变、LLC谐振网络、高频变压器、全波整流滤波、电压电流采样电路、辅助供电电路、隔离驱动电路和DSP控制板。
如图2所示为主电路原理框图，该电源输入侧为直流输入，LLC半桥在高频率开关瞬间会在直流端产生高频纹波。为防止输入高压突加对后级电路产生损坏及滤除后级电路产生的电流纹波，在直流输入端增加4颗10nF电容。电源输入最高电压为直流120V，且LLC工作时为软开通，功率管上不会出现高于输入电压的瞬间尖峰电压，取1.25倍余量，选取耐压等级150V的MOS管。
整个系统的电路输入为110V直流电源，变压器为副边单绕组变压器，变压器副边匝比为3：1的绕组将电压降至30V接到半波整流电路，输出30V的直流电压。副边每路整流采用3颗2A/200V的贴片快速恢复二极管整流，保证电流电压余量的同时，降低每颗二极管的损耗及发热量。
如图3所示为驱动电路原理框图，半桥LLC存在高位mos管，需提高驱动电位保证可靠驱动，本设计采用自带Boost-Strap功能的5kV隔离驱动IC SI8233BD-D-IS驱动IC用以同时驱动高位与低位MOS，同时保证控制信号与原边mos的隔离。驱动原边增加较小截止频率的RC滤波，能有效抑制干扰信号对驱动电平的影响；副边驱动端增加三极管快速下拉，保证MOS管快速关断，减小功率MOS管的关断损耗，提高电源整体效率。
如图4所示为输出电压电流采样原理框图，电源工作于高频开关模式，存在较大干扰信号，为保证对输出电压与电流的准确采样，实现环路对输出的精确控制，本设计对输出电压电流采样使用运放差分采样方式。对电压差分采样而言，在反馈端增加RC滤波，滤除高频电压分量；对电流差分采样而言，在反馈端增加C滤波，滤除高频电流分量。同时，在DSP的电压电流采样端口，增加RC滤波，二次滤除杂波信号。
如图5所示为控制器原理框图，采用传统反激电路生成驱动IC的供电电源12V与DSP供电的9V，9V经线性LEO变换得到控制器稳定的供电电压3.3V。为简化设计和有效缩小板子体积，选用自带MOS的反激IC芯片NCP1014AP065G作为反激电路主控器。在保证容量的体积下选用贴片电容代替反激电路输出端12V和9V的滤波电容。
如图6所示为控制器原理框图，DSP的12位PWM0（A/B）两个互补通道对LLC半桥MOS进行驱动；12位模数转换ADCB0采集输出电压信号，ADCB1采集输出电流信号，实现输出电压电流精确控制；12位模数转换ADCA0采集他可调电阻电压信号，实现输出电压电流变化调节。
如图7所示为控制器中断结构示意图，程序运行具有两个个中断，包括50kHz中断、200Hz中断。其中50KHz中断优先级最高。模块在20us中断中对输出电压、输出电流参数进行采样，并运行电流环与电压环得到模块工作的PWM工作频率，同时更新PWM周期寄存器，并在轻载的情况下使用Burst控制；5ms中断程序优先级为第二，运行等级较低，获取滑动变阻器的电流参考值信号啊，运行LLC运行状态机。
如图8所示为控制器状态机示意图，闲等待状态、输出上升软启动状态、正常运行状态、可恢复性故障状态、不可恢复性故障关机LLC程序主体运行采用状态机机制，运行周期为5mS。其包括初始化状态、空状态，各个状态转换条件如下：
初始化状态至空闲等待状态：模块上电，程序进入初始化状态，完成程序运行相关参数的初始化后跳转至空闲等待状态；空闲等待状态至输出上升软启动状态：模块无任何故障，程序跳转至输出上升软启动状态；输出上升软启动状态至正常运行状态：模块正常启动，输出电流达到电流参考值，且无任何故障发生；输出上升软启动状态至可恢复性故障状态：模块启动过程中发生可恢复性故障；输出上升软启动状态至不可恢复性故障状态：模块启动过程中发生不可恢复性故障；正常运行状态至可恢复性故障状态：模块正常运行过程中发生可恢复性故障；正常运行状态至不可恢复性故障状态：模块正常运行过程中发生不可恢复性故障。可恢复性故障状态至空闲等待状态：模块发生可恢复性故障，故障消除后跳转至空闲等待状态，等待自恢复启动；可恢复性故障状态至不可恢复性故障状态：发生不可恢复性故障；
不可恢复性故障状态：无任何跳转，需人为重下电重置模块。
如图9所示为控制器电压电流双闭环控制示意图，LLC设计为电流为内环（快速环），电压外环（慢速环）的环路结构，电流环路的电流参考量由滑动变阻器调节量给定。
如图10所示为电流环控制流程图，LLC采用电流内环控制，使输出电流快速跟踪给定电流参考量。采用传统PI环路设计，工作原理为采样得到的实际输出与给定输入比较后，送入PI控制器，PI控制器经过调节计算后，进行误差限制，判断增益是否变化并修正补偿系数，从而计算环路补偿，并对环路输出限幅。
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