20 kHz脉冲偏压控制系统设计

论

文

赏

析

2021年电子技术应用第9期

王 壮1，许海鹰1，桑兴华1，杨 波1，张 伟2

1.中国航空制造技术研究院 高能束流发生器实验室，北京100024；2.北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京100191

摘要：  

为提高电子束熔丝增材的成形质量，基于偏压调节束流的原理，开发了一种20 kHz脉冲偏压控制系统。通过对其工作环境深入分析，选取高速DSP数字处理芯片实现脉冲束流基值、峰值向偏压基值、峰值的转化，根据输入脉冲频率、占空比，可以调节脉冲束流的输出；并通过PWM发生芯片，输出100 kHz以上的基波，由DSP输出脉冲合成的模式，再经由大功率运放、基值、峰值串联整流电路可以获得脉冲偏压输出，继而实现对脉冲束流输出的调控，从而获得一熔滴一脉冲的熔丝成形效果。

关键词：

熔丝增材制造，偏压电源，脉冲束流

0 引言：

电子束熔丝增材制造技术是最近几十年发展起来的三维一体化制造技术，以高能量密度的电子束为热源，在真空环境下将金属丝材同步传送入熔池熔化，按照规划的加工路径逐层沉积[1-3]。该加工工艺过程简单、功率大、材料利用率高、制造周期短，且在真空环境中进行，对金属保护作用优良，能实现大型复杂零件的“近净”成形，特别适合航空航天领域钛合金复杂部件的制造[4-5]。

脉冲电子束最早用于高能电磁波辐射实验工作，20世纪80年代后在工业中应用于改善表面质量和焊接[6-10]。目前，脉冲电子束技术已经在焊接领域得到初步应用，脉冲电子束可以减少热输入，减小变形[11-15]，将脉冲电子束应用于电子束熔丝增材制造领域，实现一熔滴一脉冲的控制模式，将能显著提高成形质量，改善工件性能。由于束流调节是通过调节偏压来实现，因此将偏压设计成脉冲输出模式，可以根据工作需求获得脉冲束流。本文设计了20 kHz脉冲偏压控制系统，通过选择高速DSP数字处理芯片、高速运放对脉冲偏压系统进行硬件和软件设计，通过时序控制电路，调节其PWM波形，实现对偏压电源脉冲频率、幅值、占空比的调节。

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