【摘 要】
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电子束焊是近年来不断发展和进步的一种高效率、高能量密度的焊接方式,目前在航空航天以及其他工业方面已展现了其重要的作用,尤其在大型部件和复杂部件的加工中,对比其他焊接方式表现出了自身的优势。电子束焊在焊接过程中产生的变形区较小,操作过程容易控制,不仅具有很强的熔透性,而且适用于一些难熔金属和异种金属的焊接。作为电子束焊机的关键组成部分,电源系统的工作性能优劣将直接影响到电子束焊接的质量,对电子束焊机
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电子束焊是近年来不断发展和进步的一种高效率、高能量密度的焊接方式,目前在航空航天以及其他工业方面已展现了其重要的作用,尤其在大型部件和复杂部件的加工中,对比其他焊接方式表现出了自身的优势。电子束焊在焊接过程中产生的变形区较小,操作过程容易控制,不仅具有很强的熔透性,而且适用于一些难熔金属和异种金属的焊接。作为电子束焊机的关键组成部分,电源系统的工作性能优劣将直接影响到电子束焊接的质量,对电子束焊机电源系统进行深入研究不仅可以提高其稳定性和效率,还可以使得电子束焊技术得到进一步推广和发展。本论文研究设计一套基于DSP控制的电子束焊机电源系统。电源系统包括主电路和控制电路,主电路分为高压电源和灯丝电源两部分,高压电源在工作过程中提供10k V高压形成高压电场,灯丝电源输出20A电流使灯丝加热溢出电子从而在高压电场中形成电子束流。本文对高压电源和灯丝电源主电路拓扑结构进行了设计,其中主要对高压电源进行研究,主电路包括低压逆变电路、高压升压电路和硅堆整流滤波电路。低压逆变电路将100V直流电通过降压变换电路和LCC全桥逆变电路进行调压和逆变,输出可以快速调节的交流电,然后经过高压升压电路进行升压,最终通过硅堆整流滤波电路将10k V直流高压供给真空室电子枪。文中对高压电源和灯丝电源主电路各部分进行了参数计算并在此基础上对所需元件结合实际情况进行了型号选择。电源系统控制部分将DSP作为控制核心,采用BUCK慢环控制和LCC逆变快环控制的控制策略,分别通过改变占空比和移相控制方式进行调压。为了研究环路响应优化问题,在Matlab中Simulink平台建立了仿真模型,根据模糊控制、PID控制以及模糊PID控制的特点对三种控制方式分别进行了设计,在此基础上对PID控制器、模糊控制器和模糊PID控制器进行不断地调试,结果表明了三种控制算法的有效性。最终采用模糊PID控制实现了较小的电压过冲和更快的响应速度,具有良好的动态性能。控制系统中主要对驱动电路、信号采集电路和保护电路等硬件电路进行了设计制板,然后结合控制策略和控制技术,对电源系统控制逻辑以及信号采集、模糊PID调节、PWM驱动等原理进行了详细分析,完成了主控程序和子程序的编制。控制系统各部分软件和硬件联合试验结果证明其具有良好的工作性能,满足系统功能要求。在仿真验证之后,根据设计搭建了电子束焊机电源系统的主电路、控制电路和保护电路等,完成了一台原理样机实物。电源系统进行了空载、连接模拟负载和连接电子枪试验,对试验过程中测量得到的反馈数据和采集到的电压电流波形进行分析后结果表明:所设计电子束焊机电源系统和控制优化方案达到了预期设计指标,满足电子束焊机工作要求。
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