一种具有故障保护功能的扫描电源设计

0   引言

直线电子加速器是利用高频的电磁场进行加速，被加速粒子的运动轨迹为直线的加速器。工业用电子加速器广泛应用于食品以及货物加工领域，由于辐照对象的大小、形状、体积等的不同，辐照不同货物的时候需要调整电子束的扫描宽度，扫描电源就是用来调整电子束扫描宽度的装置。扫描电源为加速管扫描线圈提供类似三角波的交变电流，使扫描线圈产生交变磁场，该磁场使加速的电子束流具有一定能量，加速的电子束流受洛伦兹力的影响就会发生偏转，电子束流的偏转距离与通过扫描线圈的电流呈线性关系，因此要改变扫描宽度就需要调节扫描电源的输出电流大小^[2]。

1   故障保护原理及电路

1.1 故障保护原理

当束流管扫描电源出现故障时，电源必须及时准确地报给主控台，以保护束流管以及整个设备的正常运行。该模块需要采集的故障为：欠流故障、过流故障和过温故障。图1 所示故障电路原理图：外部远程调节接口调节输入电流信号的幅度，RT12 调节欠流值的基准电压V1，RT14 调节过流值的基准电压V3，温度开关显示驱动功率板的温度，设定超过50 ℃则给出报警提示。其工作过程为，正常工作时，电流互感器采集到的电流值信号经过U12 构成的射极跟随器电路后，经RT12 调节到V=2 V 进入比较器LM393 管脚2，管脚5与欠流基准电压以及过流基准电压比较，正常工作时V1<V<V3。当出现欠流故障即V1>V 时，管脚1 输出高电平光耦，可控硅U7A 导通，则前面板欠流指示灯亮；光耦U9 第三组导通，将故障报与单片机，第二组导通，则第一组不导通，将故障直接报与主控台。当出现过流故障时即V>V3 时，管脚7 输出高电平，光耦可控硅U7B 导通，则前面板过流指示灯亮，将导通故障报与单片机。温度传感器信号达到50 ℃时，则前面板过温指示灯亮，将温度故障经光耦报与单片机。当设备产生故障时，故障信号将一直锁存，直到远程复位信号将设备复位。

1.2 故障保护电路

负载电流由电流传感器取得。电流传感器用于检测0～±50 A 的交流电流信号，输出0～5 V 的直流电压信号。所用电磁隔离型工频交流电流传感器输出为平均电压，频带范围为±DC/(25 Hz～5 kHz)，线性测量范围为0～±50 A；隔离电压为3 000 V DC，负载能力5 mA，响应时间15 μs。因此，为了提高抗干扰能力和负载驱动能力，传感器之后设置两级由LM258 构成的放大和射随电路。

经放大和射随电路输出的电流信号，一路加至U6A（LM393）反向输入端2。调节电阻RT12，使得U6A同向输入端3 的电压VL 对应于负载额定工作电流的下限IL。当放大和射随电路输出V0 低于负载额定工作电流的下限IL 所对应的电压VL 时，U6A 输出高电平，驱动U7A，点亮欠流报警灯。同样，经放大和射随电路输出的电流信号，另一路加至U6B（LM393）同向输入端5。调节电阻RT14，使得U6B 反向输入端6 的电压VH对应于负载额定工作电流的上限IH。当放大和射随电路输出V0 高于负载额定工作电流的上限IH 所对应的电压VH 时，U6B 输出高电平，驱动U7B，点亮过流报警灯。同样，当温度达到50 ℃时，经温度传感器输出的信号经过光耦点亮过温报警灯，输出故障保护信号。电路一旦启动故障报警和保护，U7A、U7B 将锁住故障状态，供排查。故障排除后，需要外部提供复位信号，电路方能恢复正常工作^[4]。

2   扫描电源频率和幅度调节原理及电路

2.1 频率及幅度调节原理

该电源模块设计目的是为扫描电源提供交流电，通过可变的交流电产生磁场，使产生的电子随着电流的变化产生偏转，不致都打到一个点上，保证辐照物品接受辐照的均匀性^[1]。由于每种食品接受辐照的能量不同，所以不可能产生的电子束能量都一样，为确保经过电子束辐照的食品都满足相应的要求，要通过控制扫描电源频率和幅度来调节电子束偏转大小和多少来控制辐照能量的大小，具体实现方式如图2 所示。

其工作原理为：打开空气开关，然后主控台发出远程开机信号，交流接收器RL1 和RL2 依次上电，RL1和RL2 分别控制的变压器T1 和T2 也会依次通电，整个系统开始进入工作状态。TI 的次级5、6、7 管脚经过整流和滤波后得到电压给扫描电源。外置航空插头通过外部信号调节频率和幅度，频率调节2 档和频率调节3档通过2 路4 个继电器的选择可以有四种频率调节作用，不过常用是12 Hz 频率信号，幅度调节信号3 可以接受外来(4~20) mA 电流，通过电流的大小来调节信号幅度的大小。

2.2 电源电路

系统公用电源单元由2W10 整流桥和LM78XX 元件构成，为整个扫描电源控制系统提供电源，包括DC+24 V、DC -24 V、DC+12 V、DC-12 V、DC +5 V、DC -5 V( 如图3)。

3   显示与通信原理及电路

3.1 显示与通信原理

扫描电源的显示内容包括电流显示与电压显示。电流信号的采集用电流传感器，传感器输入为0~5 A 交流信号输出0~5 V 直流信号，且输出信号与输入信号为线性关系，将电流传感器串联在电源的输出回路中，则通过测量传感器输出信号的大小即可以得到输出电流值的大小。该信号一方面为故障检测提供信号，另一方面将信号报给单片机并用于显示。由于扫描电源输出接扫描电源变压器初级，灯丝变压器次级接灯丝，所以得到电流信号后需要对其进行调整，以显示灯丝工作的实际电流。

电压信号的采集采用电压传感器，传感器输入为0~250 V 交流信号，输出为0~5 V 直流信号，且输出信号与输入信号为线性关系。将电压传感器并联在调压器输出的两端，则通过测量传感器输出信号的大小可以得到扫描电源的输出电压。该信号一方面报给单片机，同时用于表头的显示。由于扫描电源输出接灯丝变压器初级，所以得到的电压信号也需要对其进行调整，又因为跳档过程中所测量信号并不会发生变化，因此跳档的同时将切换调整所使用的电位器，以显示扫描电源工作时的实际电压。

扫描电源内部单片机采集到的信号与故障信息需报主控台，因此扫描电源与主控台间设计了485 通信电路。该电源采用16 位单片机PIC16F877A，用于对电流传感器和电压传感器的模拟信号进行A/D 转换，并采用485协议向主控系统通信。其中，电压传感器的信号自单片机的2 脚RA0/AN0 输入，电流传感器的信号自单片机的3 脚RA1/AN1 输入，直接实现A/D 转换。ADM2483为485 通信转换芯片，将单片机的RX/TX 通信格式转换成485 格式。

4   单片机电压电流测量校正

束流管在额定状态工作时，其负载变压器的实际电压变比为220:6.25。因此，有如下效果。

●   电流传感器变换比为5 A/5 V，因此单片机PIC16F877A 的电流采集端口RA1/AN1 所测得的电压Vs、对应的电流Is 与负载电流Ii 的关系为：

上两式消去Is，可以得到Vs 与Ii之间的关系：

因此， 单片机U6 的端口RA1/AN1 所测得的电压Vs×35.2，即为负载的实际电流值，并将该值通信至主控制系统。

●   电压传感器变换比为250 V/5 V，因此单片机PIC16F877A 的电流采集端口RA0/AN0 所测得的电压V_s、对应的实际电压V_e 与负载电流V_i 的关系为：

上两式消去V_e，可以得到V_s 与V_i 之间的关系：

因此， 单片机的端口RA0/AN0 所测得的电压V_s×1.42，即为负载的实际电压值，并将该值通讯至主控制系统。

5   结论

扫描电源作为直线电子加速器系统的关键电源组成部分，对控制精度和带宽等指标要求都十分重要。当扫描电源出现故障时，必须及时准确地报给主控台，以保护束流管以及整个设备的正常运行；当设备产生故障时，故障信号将一直锁存，直到远程复位信号将设备复位^[3][6]。该扫描电源在实验室调试运行时运行稳定可靠，可推广到工业用电子加速器实际应用中。

参考文献：

[1] 江海.辐照用电子直线加速器束下引出扫描装置对辐照均匀性影响的研究[D].北京:机械科学研究总院.2009

[2] 古帅,臧红岩,巩新胜.直线电子加速器扫描电源远程调节电路的设计[J].数字化用户,2017年(46):216-217.

[3] 江海,陈岩,孙立强,等.高能电子辐照加速器扫描电源的研制[J].制造业自动化,2009(10):168-170.

[4] 黄玉珍,高大庆, 刘云涛,等.兰州重离子加速器深层治癌扫描电源研究与设计[J].原子能科学技术,2009(9):851-854

[5] 周常兵,席德勋,庄亚.辐照直线加速器电子束扫描控制[C].第二届全国加速器技术学术交流会,1998.

[6] 朱晓慧.医用质子加速器数字化扫描电源技术的研究[D].北京:中国科学院大学,2015.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年4月期）