一種具有故障保護功能的掃描電源設計

0   引言

直線電子加速器是利用高頻的電磁場進行加速，被加速粒子的運動軌跡為直線的加速器。工業(yè)用電子加速器廣泛應用于食品以及貨物加工領域，由于輻照對象的大小、形狀、體積等的不同，輻照不同貨物的時候需要調(diào)整電子束的掃描寬度，掃描電源就是用來調(diào)整電子束掃描寬度的裝置。掃描電源為加速管掃描線圈提供類似三角波的交變電流，使掃描線圈產(chǎn)生交變磁場，該磁場使加速的電子束流具有一定能量，加速的電子束流受洛倫茲力的影響就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，電子束流的偏轉(zhuǎn)距離與通過掃描線圈的電流呈線性關系，因此要改變掃描寬度就需要調(diào)節(jié)掃描電源的輸出電流大小^[2]。

1   故障保護原理及電路

1.1 故障保護原理

當束流管掃描電源出現(xiàn)故障時，電源必須及時準確地報給主控臺，以保護束流管以及整個設備的正常運行。該模塊需要采集的故障為：欠流故障、過流故障和過溫故障。圖1 所示故障電路原理圖：外部遠程調(diào)節(jié)接口調(diào)節(jié)輸入電流信號的幅度，RT12 調(diào)節(jié)欠流值的基準電壓V1，RT14 調(diào)節(jié)過流值的基準電壓V3，溫度開關顯示驅(qū)動功率板的溫度，設定超過50 ℃則給出報警提示。其工作過程為，正常工作時，電流互感器采集到的電流值信號經(jīng)過U12 構(gòu)成的射極跟隨器電路后，經(jīng)RT12 調(diào)節(jié)到V=2 V 進入比較器LM393 管腳2，管腳5與欠流基準電壓以及過流基準電壓比較，正常工作時V1<V<V3。當出現(xiàn)欠流故障即V1>V 時，管腳1 輸出高電平光耦，可控硅U7A 導通，則前面板欠流指示燈亮；光耦U9 第三組導通，將故障報與單片機，第二組導通，則第一組不導通，將故障直接報與主控臺。當出現(xiàn)過流故障時即V>V3 時，管腳7 輸出高電平，光耦可控硅U7B 導通，則前面板過流指示燈亮，將導通故障報與單片機。溫度傳感器信號達到50 ℃時，則前面板過溫指示燈亮，將溫度故障經(jīng)光耦報與單片機。當設備產(chǎn)生故障時，故障信號將一直鎖存，直到遠程復位信號將設備復位。

1.2 故障保護電路

負載電流由電流傳感器取得。電流傳感器用于檢測0～±50 A 的交流電流信號，輸出0～5 V 的直流電壓信號。所用電磁隔離型工頻交流電流傳感器輸出為平均電壓，頻帶范圍為±DC/(25 Hz～5 kHz)，線性測量范圍為0～±50 A；隔離電壓為3 000 V DC，負載能力5 mA，響應時間15 μs。因此，為了提高抗干擾能力和負載驅(qū)動能力，傳感器之后設置兩級由LM258 構(gòu)成的放大和射隨電路。

經(jīng)放大和射隨電路輸出的電流信號，一路加至U6A（LM393）反向輸入端2。調(diào)節(jié)電阻RT12，使得U6A同向輸入端3 的電壓VL 對應于負載額定工作電流的下限IL。當放大和射隨電路輸出V0 低于負載額定工作電流的下限IL 所對應的電壓VL 時，U6A 輸出高電平，驅(qū)動U7A，點亮欠流報警燈。同樣，經(jīng)放大和射隨電路輸出的電流信號，另一路加至U6B（LM393）同向輸入端5。調(diào)節(jié)電阻RT14，使得U6B 反向輸入端6 的電壓VH對應于負載額定工作電流的上限IH。當放大和射隨電路輸出V0 高于負載額定工作電流的上限IH 所對應的電壓VH 時，U6B 輸出高電平，驅(qū)動U7B，點亮過流報警燈。同樣，當溫度達到50 ℃時，經(jīng)溫度傳感器輸出的信號經(jīng)過光耦點亮過溫報警燈，輸出故障保護信號。電路一旦啟動故障報警和保護，U7A、U7B 將鎖住故障狀態(tài)，供排查。故障排除后，需要外部提供復位信號，電路方能恢復正常工作^[4]。

2   掃描電源頻率和幅度調(diào)節(jié)原理及電路

2.1 頻率及幅度調(diào)節(jié)原理

該電源模塊設計目的是為掃描電源提供交流電，通過可變的交流電產(chǎn)生磁場，使產(chǎn)生的電子隨著電流的變化產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，不致都打到一個點上，保證輻照物品接受輻照的均勻性^[1]。由于每種食品接受輻照的能量不同，所以不可能產(chǎn)生的電子束能量都一樣，為確保經(jīng)過電子束輻照的食品都滿足相應的要求，要通過控制掃描電源頻率和幅度來調(diào)節(jié)電子束偏轉(zhuǎn)大小和多少來控制輻照能量的大小，具體實現(xiàn)方式如圖2 所示。

其工作原理為：打開空氣開關，然后主控臺發(fā)出遠程開機信號，交流接收器RL1 和RL2 依次上電，RL1和RL2 分別控制的變壓器T1 和T2 也會依次通電，整個系統(tǒng)開始進入工作狀態(tài)。TI 的次級5、6、7 管腳經(jīng)過整流和濾波后得到電壓給掃描電源。外置航空插頭通過外部信號調(diào)節(jié)頻率和幅度，頻率調(diào)節(jié)2 檔和頻率調(diào)節(jié)3檔通過2 路4 個繼電器的選擇可以有四種頻率調(diào)節(jié)作用，不過常用是12 Hz 頻率信號，幅度調(diào)節(jié)信號3 可以接受外來(4~20) mA 電流，通過電流的大小來調(diào)節(jié)信號幅度的大小。

2.2 電源電路

系統(tǒng)公用電源單元由2W10 整流橋和LM78XX 元件構(gòu)成，為整個掃描電源控制系統(tǒng)提供電源，包括DC+24 V、DC -24 V、DC+12 V、DC-12 V、DC +5 V、DC -5 V( 如圖3)。

3   顯示與通信原理及電路

3.1 顯示與通信原理

掃描電源的顯示內(nèi)容包括電流顯示與電壓顯示。電流信號的采集用電流傳感器，傳感器輸入為0~5 A 交流信號輸出0~5 V 直流信號，且輸出信號與輸入信號為線性關系，將電流傳感器串聯(lián)在電源的輸出回路中，則通過測量傳感器輸出信號的大小即可以得到輸出電流值的大小。該信號一方面為故障檢測提供信號，另一方面將信號報給單片機并用于顯示。由于掃描電源輸出接掃描電源變壓器初級，燈絲變壓器次級接燈絲，所以得到電流信號后需要對其進行調(diào)整，以顯示燈絲工作的實際電流。

電壓信號的采集采用電壓傳感器，傳感器輸入為0~250 V 交流信號，輸出為0~5 V 直流信號，且輸出信號與輸入信號為線性關系。將電壓傳感器并聯(lián)在調(diào)壓器輸出的兩端，則通過測量傳感器輸出信號的大小可以得到掃描電源的輸出電壓。該信號一方面報給單片機，同時用于表頭的顯示。由于掃描電源輸出接燈絲變壓器初級，所以得到的電壓信號也需要對其進行調(diào)整，又因為跳檔過程中所測量信號并不會發(fā)生變化，因此跳檔的同時將切換調(diào)整所使用的電位器，以顯示掃描電源工作時的實際電壓。

掃描電源內(nèi)部單片機采集到的信號與故障信息需報主控臺，因此掃描電源與主控臺間設計了485 通信電路。該電源采用16 位單片機PIC16F877A，用于對電流傳感器和電壓傳感器的模擬信號進行A/D 轉(zhuǎn)換，并采用485協(xié)議向主控系統(tǒng)通信。其中，電壓傳感器的信號自單片機的2 腳RA0/AN0 輸入，電流傳感器的信號自單片機的3 腳RA1/AN1 輸入，直接實現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換。ADM2483為485 通信轉(zhuǎn)換芯片，將單片機的RX/TX 通信格式轉(zhuǎn)換成485 格式。

4   單片機電壓電流測量校正

束流管在額定狀態(tài)工作時，其負載變壓器的實際電壓變比為220:6.25。因此，有如下效果。

●   電流傳感器變換比為5 A/5 V，因此單片機PIC16F877A 的電流采集端口RA1/AN1 所測得的電壓Vs、對應的電流Is 與負載電流Ii 的關系為：

上兩式消去Is，可以得到Vs 與Ii之間的關系：

因此， 單片機U6 的端口RA1/AN1 所測得的電壓Vs×35.2，即為負載的實際電流值，并將該值通信至主控制系統(tǒng)。

●   電壓傳感器變換比為250 V/5 V，因此單片機PIC16F877A 的電流采集端口RA0/AN0 所測得的電壓V_s、對應的實際電壓V_e 與負載電流V_i 的關系為：

上兩式消去V_e，可以得到V_s 與V_i 之間的關系：

因此， 單片機的端口RA0/AN0 所測得的電壓V_s×1.42，即為負載的實際電壓值，并將該值通訊至主控制系統(tǒng)。

5   結(jié)論

掃描電源作為直線電子加速器系統(tǒng)的關鍵電源組成部分，對控制精度和帶寬等指標要求都十分重要。當掃描電源出現(xiàn)故障時，必須及時準確地報給主控臺，以保護束流管以及整個設備的正常運行；當設備產(chǎn)生故障時，故障信號將一直鎖存，直到遠程復位信號將設備復位^[3][6]。該掃描電源在實驗室調(diào)試運行時運行穩(wěn)定可靠，可推廣到工業(yè)用電子加速器實際應用中。

參考文獻：

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[6] 朱曉慧.醫(yī)用質(zhì)子加速器數(shù)字化掃描電源技術的研究[D].北京:中國科學院大學,2015.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年4月期）