一種具有故障保護功能的掃描電源設計
0 引言
直線(xiàn)電子加速器是利用高頻的電磁場(chǎng)進(jìn)行加速,被加速粒子的運動(dòng)軌跡為直線(xiàn)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(lǐng)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(shí)候需要調整電子束的掃描寬度,掃描電源就是用來(lái)調整電子束掃描寬度的裝置。掃描電源為加速管掃描線(xiàn)圈提供類(lèi)似三角波的交變電流,使掃描線(xiàn)圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng),該磁場(chǎng)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(huì )發(fā)生偏轉,電子束流的偏轉距離與通過(guò)掃描線(xiàn)圈的電流呈線(xiàn)性關(guān)系,因此要改變掃描寬度就需要調節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故障時(shí),電源必須及時(shí)準確地報給主控臺,以保護束流管以及整個(gè)設備的正常運行。該模塊需要采集的故障為:欠流故障、過(guò)流故障和過(guò)溫故障。圖1 所示故障電路原理圖:外部遠程調節接口調節輸入電流信號的幅度,RT12 調節欠流值的基準電壓V1,RT14 調節過(guò)流值的基準電壓V3,溫度開(kāi)關(guān)顯示驅動(dòng)功率板的溫度,設定超過(guò)50 ℃則給出報警提示。其工作過(guò)程為,正常工作時(shí),電流互感器采集到的電流值信號經(jīng)過(guò)U12 構成的射極跟隨器電路后,經(jīng)RT12 調節到V=2 V 進(jìn)入比較器LM393 管腳2,管腳5與欠流基準電壓以及過(guò)流基準電壓比較,正常工作時(shí)V1<V<V3。當出現欠流故障即V1>V 時(shí),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。當出現過(guò)流故障時(shí)即V>V3 時(shí),管腳7 輸出高電平,光耦可控硅U7B 導通,則前面板過(guò)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(shí),則前面板過(guò)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(shí),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(xiàn)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(shí)間15 μs。因此,為了提高抗干擾能力和負載驅動(dòng)能力,傳感器之后設置兩級由LM258 構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。調節電阻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(shí),U6A 輸出高電平,驅動(dòng)U7A,點(diǎn)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。調節電阻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(shí),U6B 輸出高電平,驅動(dòng)U7B,點(diǎn)亮過(guò)流報警燈。同樣,當溫度達到50 ℃時(shí),經(jīng)溫度傳感器輸出的信號經(jīng)過(guò)光耦點(diǎn)亮過(guò)溫報警燈,輸出故障保護信號。電路一旦啟動(dòng)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節原理及電路
2.1 頻率及幅度調節原理
該電源模塊設計目的是為掃描電源提供交流電,通過(guò)可變的交流電產(chǎn)生磁場(chǎng),使產(chǎn)生的電子隨著(zhù)電流的變化產(chǎn)生偏轉,不致都打到一個(gè)點(diǎn)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(guò)電子束輻照的食品都滿(mǎn)足相應的要求,要通過(guò)控制掃描電源頻率和幅度來(lái)調節電子束偏轉大小和多少來(lái)控制輻照能量的大小,具體實(shí)現方式如圖2 所示。
其工作原理為:打開(kāi)空氣開(kāi)關(guān),然后主控臺發(fā)出遠程開(kāi)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(huì )依次通電,整個(gè)系統開(kāi)始進(jìn)入工作狀態(tài)。TI 的次級5、6、7 管腳經(jīng)過(guò)整流和濾波后得到電壓給掃描電源。外置航空插頭通過(guò)外部信號調節頻率和幅度,頻率調節2 檔和頻率調節3檔通過(guò)2 路4 個(gè)繼電器的選擇可以有四種頻率調節作用,不過(guò)常用是12 Hz 頻率信號,幅度調節信號3 可以接受外來(lái)(4~20) mA 電流,通過(guò)電流的大小來(lái)調節信號幅度的大小。
2.2 電源電路
系統公用電源單元由2W10 整流橋和LM78XX 元件構成,為整個(gè)掃描電源控制系統提供電源,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(xiàn)性關(guān)系,將電流傳感器串聯(lián)在電源的輸出回路中,則通過(guò)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(jìn)行調整,以顯示燈絲工作的實(shí)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(xiàn)性關(guān)系。將電壓傳感器并聯(lián)在調壓器輸出的兩端,則通過(guò)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(shí)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(jìn)行調整,又因為跳檔過(guò)程中所測量信號并不會(huì )發(fā)生變化,因此跳檔的同時(shí)將切換調整所使用的電位器,以顯示掃描電源工作時(shí)的實(shí)際電壓。
掃描電源內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(jìn)行A/D 轉換,并采用485協(xié)議向主控系統通信。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(shí)現A/D 轉換。ADM2483為485 通信轉換芯片,將單片機的RX/TX 通信格式轉換成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(shí),其負載變壓器的實(shí)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(guān)系為:
上兩式消去Is,可以得到Vs 與Ii之間的關(guān)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(shí)際電流值,并將該值通信至主控制系統。
● 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Vs、對應的實(shí)際電壓Ve 與負載電流Vi 的關(guān)系為:
上兩式消去Ve,可以得到Vs 與Vi 之間的關(guān)系:
因此, 單片機的端口RA0/AN0 所測得的電壓Vs×1.42,即為負載的實(shí)際電壓值,并將該值通訊至主控制系統。
5 結論
掃描電源作為直線(xiàn)電子加速器系統的關(guān)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。當掃描電源出現故障時(shí),必須及時(shí)準確地報給主控臺,以保護束流管以及整個(gè)設備的正常運行;當設備產(chǎn)生故障時(shí),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(shí)驗室調試運行時(shí)運行穩定可靠,可推廣到工業(yè)用電子加速器實(shí)際應用中。
參考文獻:
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[6] 朱曉慧.醫用質(zhì)子加速器數字化掃描電源技術(shù)的研究[D].北京:中國科學(xué)院大學(xué),2015.
(本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年4月期)
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