Устройство для управления током луча электронно-лучевой термической установки Советский патент 1981 года по МПК H05B7/16 H01J37/305 

I

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для ав томатического управления процессом электроннолучевого нагрева материалов, их испарения для получения, например, оптических покрытий.

Известно устройство, осуществляющее автематическое регулирование температурного поля на поверхности металла, нагреваемого в электронновакуумной печи, содержащее задатчик температуры, блок сравнения заданной и измеряемой температуры, сканит рующий пирометр с системой развертки, соединенной с системой развертки электронного луча и подключенной к генератору отклоняющих напряжений и блок логики, посредством которого осуществляется изменение координаты пятна воздействия луча. В качестве датчика сигнала , сравниваемого суставкой, используется сканирующий пирометр, управление которым осущег ствляется от общего генератора

клоняющих напряжений с использованием блока задержки

В устройствах такого типа регулирование температурного поля осуществляется за счет изменения скорости сканирования электронного луча.

Такие схемы сложны и не обеспечивают достаточного быстродействия, так как одновременное слежение за пятном нагрева, следящим пирометром

10 и выработка сигнала изменения скорости сканирования требует использовать сложную следящую систему и обеспечить управление по двум координатам. Если же испаряемый материал

15 в виде таблетки сравнительно малых размеров, возникают дополнительные трудности.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому является уст20ройство для управления током луча электронно-лучевого испарителя, с61ержащее возбудитель тока змиссии связанный с выходом тиристорного регулятора, вьшолненного в виде встречно-параллельно включенных тиристоров, -и выходом высоковольтного блока питания, снабженного датчиком тока луча и блоком защиты с датчиком короткого замыкания, сумматор, первый вход которого через интегратор связан с датчиком выходного сигнала тиристорного регулятора., второй - с датчиком тока луча а выход - с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом задатчика тока луча, а выход связан с первым входом пускового блока, снабженного нуль-органом синхронизатор, первый выход которого соединен со входом формирователя и тульсов синхронизации и сброса, выход которого подключен ко входу ге нератора заполняющих импульсов, связанного въ1ходом через коммутирующий узел с управляющими входами тиристор ного регулятора 2. - Однако в установке недостаточно щирокин диапазон регулирования тока и луча и недостаточная линейность ре гулирования. Это объясняется тем, что при большом числе сумматоров, на которые поступают сигналы обратных связей, погрещности накапливаивтся в каждом последующем сумматоре, зникает квадратурная составляющая ошибк что является причиной уменьщения точ ности регулирования. Такая схема включения сзмматоров затрудняет настройку и делает регулятор тока луча критичным к изменениям внешних условий. Цель изобретения - увеличение точ ности регулирования температуры за счет более точной стабилизации тока луча. Для достижения поставленной цели коммутирующий узел выполнен в виде ДВ50С блоков коммутации, а установка снабжена делителем частоты, вьтолненным в виде соединенных друг с др гом делителя внутришаговой и шаговой коммутации, выход делителя шаговой коммутации соединен с первыми входам блоков коммутации, вход делителя внутришаговой коммутации подключен к выходу генератора заполняющих импульсов, а второй его выход - к пер му входу блока элементов ЗИ, выход которого соединен со вторыми входами блоков коммутации, третий вход первого из блоков коммутации связан со вторым выходом синхронизатора и в то14рым входом блока элементов ЗИ,а тре-/ тий вход второго блока коммутации с третьим выходом синхронизатора и третьим входом блока элементов Зй, четвертый вход которого соединен с выходом блока пороговых элементов внутришаговой коммутации, первый вход которого через задатчик тока луча связан со вторым входом пускового блока, а второй вход - с первым выходом пускового блока и первым входом блока пороговых элементов шаговой коммутации, соединенного .вторым входом со вторым выходом пускового блока, а выходом - с четвертыми входами блоков коммутации. Блоки коммутации содержат группу элементов ЗИ,. выходы каждого из которых подключены ко входам элемента ИЛИ, выход которого через расширитель импульса соединён с управляющим входом ключевого элемента ИЛИ и непосредственно с первым И-входом элемента 2И-ИЛИ, второй и третий входы которого соединены с выходом ключевого элемента ИЛИ, при- этом первым, третьим и четвертьлм входом блока коммутации служат входы элементов ЗИ, вторым входы ключевого элемента ИЛИ, а выходом - выход элемента 2И-ИЛИ. о На фиг. 1 изображена блок-схема устройства управления током луча; на фиг. 2 - диаграмма шаговой коммутации тиристорного регулятора; на фиг. 3 диаграмма внутришаговой коммутации, на фиг. 4 - развернутая блок-схема одного из каналов коммутации тиристорного регулятора и блоки пороговых элементов шаговой и внутришаговой коммутации. ,4 Устройство содержит генератор I заполняющих импульсов, вход которого связан через формирователь 2 импульса синхронизации и сброса с первым кулевым выходом синхронизатора 3. Выход генератора I подключен к делителю 4 частоты, включающем в себя делитель 5 внутришаговой коммутации и делитель 6 шаговой коммутации. Выход делителя 6 шаговой коммутации подключен к первым входам блоков 7 и 8 коммутации. Выходы блоков 7 и 8 коммутации соединены с управляющими входами тиристорного регулятора 9, к которому подключен возбудитель 10 тока эмиссии, на который от высоковольтного блока 11 питания подается , высокое напряжение. Блок 11 питания имеет блок 12 защиты с датчиком 13 короткого замыкания . Датчик 14 тока луча непосредствен но, а датчик 15 выходного сигнала тиристорного-регулятора 9 через интегратор 16 подключены ко входам сум матора 17. Выход сумматора 7 и выход задатчика 18 тока пуча подключены к блоку 19 сравнения, выход которого и выход задатчика 18 луча соединены с входами пускового блока 20, снабжеино1о нуль-органом 21 ,. К выходам пускового блока 20 подключены входы блока 2 пороговых элементов шаговой коммутации и один вход блока 23 пороговых элементов внутришаговой коммутации, второй вход которого соединен с задатчиком 18 тока луча. Вторые входы блоков 7 и 8 коммутации соединены с выходом блока 24 элементов ЗИ, первый вход которого подключен к выходу делителя 5 внутришаговой коммутации, второй - со вторым выходом винхрониз 1ции 3 и третьим входом блока 7 коммутации, т)ретий - с третьим выходом синхронизатора 3 и третьим входо блока В коммутации, а четверть1й с выходом блока 23 пороговых эле- ментов внутришаговой коммутации. Четвертые входы блоков 7 и 8 коммута ции подключены к блоку 22 пороговых элементов шаговой коммутации. Блок 7 коммутации связан с блоком 25 индикации фазового сдвига. Позицией 26 обозначено нагреваемое изделие, а 27 - электронный луч. На фиг. 4 изображены в составе делителя 5 внутришаговой коммутации десятичный счетчик 27 единиц и дешиф ратор 28, в составе делителя внутришаговой коммутации десятичный счетчи 29 десятков и дешифратор 30, в соста ве блока 22 пороговые элементы 31 в составе блока 23 пороговые элементы 32 .-32- , в составе блока 7 коммутации элементы ЗИ (), элемент 10 ИЛИ схема 2И-ИЖ 35 с расширителем 36ч| импульса и ключевой элемент 5 ИЛИ 37 ; аналогично вьтолнен второй блок 8 коммутации, содержащий элементы ЗИ 38, аналогично элементам 33; в составе блока задатчиков 18 - задатчик 39 внутрипаговой коммутации и задатчик 40 шаговой ком мутации. Устройство работает следующим образом. Генератор 1 (фиг,) заполняющих импульсов синхронизирован импульсами форг-шрователя 2, входом подключенного к нулевому выходу синхронизатора 3, Формирователь вырабатьгеает импульс синхронизации и сброса в момент перехода синусоиды питающего синхронизатор напряжения fp через нуль. Два других выхода синхронизатора подключены (фиг.1 и 4) ко вторым входам элементов ЗИ () (фиг.4) блока 7 коммутации и элементов ЗИ () второго блока 8 коммутации и вырабатывают соответственно разрешающие положительньй импульс и отрицательный импульс в полупериоды синусоиды сети fQ (фиг.2). Делитель 5 обеспечивает внутришаговое деление на пять и внутришаговую коммутацию тиристорного ре1улятора 9 (фиг.З), а частоту на входе дели.теля выбирают: lOfpxs где lacTOTa генератора I , частота на выходе дели- .теля 5., Делитель 6 обеспечивает деление полуволны синусоиды на десять с остатком (фиг.2). Поэтому частоту на его входе выбирают 2.10,(. , где ft;- частота питающего синусоидального напряжения (например, f(. 50 Гц) . В пусковом режиме (фиг.1) катод возбудителя 10 тока эмиссии разогревается и лод действием ускоряющего напряжения блока 11 питания создает на образце 26 температурное поле, расплавляющее образец. В рабочем режиме ток эмиссии, определяемый уставкой блока 18.стабилизирован и посредством отклоняющей cиcтe iы сканирующим лучом расплавляет образец по плоскости. Регулируемой величиной является ток луча, причем посредством тиристорного регулятора 9 (фиг,1), датчиков 15 и 14 обратных связей, подключенных к двум входам сумматора 17, блоков 22 и 23 пороговых элементов, шаговой и внутришаговой коммутации, блока 24 элементов ЗИ и блоков 7 н 8 коммутации производится регулирование тока в цифровой форме. При этом блок 11 питания подключен к возбуди телю 10 тока эмиссии и через последовательно соединенные датчик- 14 и датчик 13 короткого замыкания к корпусу и расплавляемому образцу и вырабатьгоает ускоряющее напряжение тока луча. Блок 12 защиты выполняет функцию блокировки при коротком замыкании: производит отключение (. и включение) при аварийном нарушении режима. Блок 19 сравнения обеспечивает преобразование (Т

где К - переменный коэффициент,

связанный линейной зависимостью от величины сигнала задания« зод К (1-0,1). ОС величина сигнала обратной

связи.

Разностный сигнал Д в режиме стабилизации с выхода блока 19, а также сигнал задания зд пусковой блок 20 воздействуют по двум шинам входов на пороговые элементы (компараторы) 31 j -31 блока 22 (фиг.4) шаговой коммутации и пороговые элементы блока внутришаговой .коммутации, вызывая срабатьшание тех пороговых элементов, порог срабатывания которых в данный момент ниже или равен разности между сигналами: cигнaлo f задания Ц. и сигналом А Ч или

f--n-i J

дм кч, J

где П - порог срабатьгоания каждого из элементов.

Для пояснения дискретности уставок пирогов срабатьгоания вторая шина выхода (фиг.А) в блоках 22 и 23 подсоединена ко BTopbW входам каждого из пороговых элементов через резистор с возрастающим номиналом от 0,1R до R в элементах от ЗЬд до элемента 31 , а в блоке 23 внутришаговой коммутации - от до 0,08R в элементах от 325- до 3Zf. Таким образом, в режиме стабилизации тока обеспечивается соответствующее срабатывание упомянутых элементов, причем изменения ошибки рассогласования, вызванные дестабилизацией тока, противодействуют фактору дестабилизации (фиг.2).

В режиме пуска необходимо обеспечить возрастание тока луча до уставки задатчика 18. Поэтому при включении устройства посредством пускового устройства 20 и воздействующих на его входах .сигналов

lf дV1Ьoc-Ч iA)v-Д

(сигнал foe имеет максимальное значение) обеспечивается смещение фазы на

180 на выходах этого устройства. Благодаря этому все пороговые эл.ементы (фиг.4) находятся во включенном состоянии. В процессе достижения током луча заданного значения разностный сигнал -ДЧ на выходе блока 20 достигает нулевого значения, что вызьшает срабатьшание нуль-органа 21 и переброску фазы на выходах

0 пускового блока 20. Таким образом обеспечивается переход пускового режиме в режим стабилизации тока.

Пусть, например, в резриме стабилизации тока подвижный контакт 40 за5 датчика 18 (фиг.4) установлен в положение цифры 8,

При определенной величине сигнала обратной связи в возбзгавденном состоя НИИ находятся пороговые элементы 31g блока 22. Это обеспечивает совпадение по всем входам на соотвегствующих схемах ЗЗо-ЗЗ совладения в блоке 7 коммутации в период положительной полуволны напряжения и отрицательной полуволны на схемах 38р38vp совпадения в блоке 8 коммутации в моменты коммутации цифр по первым входам упомянутых схемот дешифратора 30 делителя 6. Единичный

0 импульс с выходов упомянутых схем совпадения в шаговой последовательности через элементы 10 ИЛИ 34 и 10 ИЛИ 342 каждого из блоков 7 и 8 коммутации обеспечивает разрешение

на управляющем входе того или иного ключевого элемента 15 ИЛИ 37 (37) и расширяется по длительности расширителем импульса 36 J (362). Таким образом, если на каком-либо из вхо0 Дов ключевого элемента 37 в период расширения импульса шагового делителя цифры 7 (фиг.З) имеется импульс внутришагового деления (определяется уставкой контакта 39 задатчика 18

5 и соответствующим срабатьгоанием пороговых элементов 323-325 блока 23 внутришаговой коммутации), то этот импульс, возникая на выходе ключевого элемента 5 ИЛИ 37, воздействует

д на вход ШШ схемы 2И-Ш1И 35 (35/г) и обеспечивает кo мyтaцию тиристорного регулятора 9 по цифре 4 {фиг.З ) внутришагового деления между цифрами 7 шагового деления. На цифpax 2 и О внутришагового деления при коммутациях дешифратора 30 на входы тиристорного регулятора с блоков 7 и 8 коммутации проходят новые единичные импульсы (уже на открытые тиристоры. При этом на цифре О внутришагового деления импульс с выхода ключевого элемента 5 ИЛИ (372.) по первому И-входу схемы 2И-Ш1И 35,. ( 352) совпадает с импульсом на цифре .8 шагового деления (фиг.З и 2) по второму И-входу упомянутой схемы и- обеспечивает единичный импульс на ее . Таким образом, при уставках О контакта 39 и какого-либо контакта 40 задатчика 18 осуществляется только шаговая коммутация ( фиг. 2 ).«

Таким образом осуществляется цифрова пшротная коммутация тиристорного регулятора 9 в соответствии с величиной рассогласования и обеспечивается необходимый ток луча электронно-лучевого испарителя материалов.

При дестабилизации, например, в сторону увеличения тока луча сигнал обратной связи f QQ возрастает. СоЦгласно уравнению -%с--л

КМзА

разностный сигнал уменьшается. Это вызывает смещение возбужденных состо яний пороговых элементов блоков 22 и 23 фиг.4) в сторону меньших значений порогов срабатываний, а именно: отпускание в сторону порогового элемента 3 LQ блока 22 шаговой коммутации в соответствии с величиной возбуждения, т.е. площадь открытого состояния тиристоров регулятора 9 (фиг.2) уменьшается. При возмущении, пpoтивoпoлoжнo i рассмотренному, наоборот, площадь увеличивается.- Таким образом, регулирование тока луча происходит с противодействием вызвавшему возмущению: изменяется момент комм:утации тиристорного регулятора, причем, в широком диапазоне, соответствующем широкому шаговому и внутришаговому диапазону уставок ,тока луча. Суммарный сигнал на выходе сумматора подвергается цифровому линейному преобразованию, причем, это преобразова ше -не вносит существенные погрешности в виде квадратурной составляющей по причине свойств высокой линейности цифрового регулирования. Использование одного сумматора исключает также накопление погрешностей, наблюдаемое при каскадном включении Сумматоров. Это улучщает точность регулирования тока луча в сравнении с известным устройством.

7780110

Формула изобретения 1. Устройство для управления током луча электронно-лучевой термической установки, например испарительной,

5 содержащее возбудитель тока эмиссии, связанный с выходом тиристорного регулятора, вьтолненного в виде встречно-параллельно включенных тиристоров, и выходом высоковольтного

10 блока питания, снабженного датчиком тока луча и блоком защиты с датч.иком короткого замыкания, сумматор, первый вход которого через интегратор связан с датчиком выходного сигнала 5 тиристорного регулятора, второй - с датчиком тока луча, а- выход - с первьм входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом задатчика тока луча, а выход связан

2J) с первым входом пускового блока, снабженного нуль-органом, синхронизатор,- первый выход которого соединен со входом формирователя импульсов синхронизации и сброса, выход

25 которого подключен ко входу генератора заполняющих импульсов, связанного выходом через коммутирующий узел с управляющими входами тиристорного регулятора, о т л-и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения точности регулирования температуры, коммутирующий узел выполнен в виде двух блоков коммутации, а установка снабжена делителем частоты, выполненным в виде соединенных друг с другом делите лей внутришаговой и шаговой коммутации, выход делителя шаговой коммутации соединен с первыми входами блоков коммутации, вход делителя внутришаговой коммутации подключен к эьпсоду

40 генератора заполняющих импульсов, а второй его выход - к первому входу блока элементов ЗИ, выход которого соединен со вторыми входами блоков коммутации, третий вход первого из

.5 блоков коммутации связан со вторым выходом синхронизатора и вторым входом блока элементов ЗИ, а третий вход второго - с третьим выходом

синхронизатора и третьим входом блока элементов ЗИ, четвертый вход которого соединен с выходом блока пороговых элементов внутрищаговой коммутации, первый вход которого через задатчик

тока луча связан со вторлм входом

пускового блока, а второй вход - с. первым выходом пускового блока и первым входом блока пороговых элементов шаговой коммутации, соединенного вто11

рым входом со вторым выходом пускового блока, а выходом - с четвертыми входами блоков коммутации.

2. Устройство по П.1, о т л и чающёеся тем, что блоки комму тации содержат группу элементов ЗИ, выходы каждого из которых подключены ко входам элемента ИЛИ, выход которого через расширитель импульса соединен с управляющим входом ключевого элемента ИЛИ и непосредственно с первым И-входом элемента 2И-ИЛИ, вто рой и третий входы которого соедине7780 .12

ны с выходом ключевого элемента ИЛИ, при этом первым, третьим и четвертым входом блока коммутации служат входы элементов ЗИ, вторым - входы ключево5 ° элемента ИЛИ, а выходом - выход элемента 2И-ШЖ.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 10 1. Авторское свидетельство СССР .№482029, кл. Н 01 J37/06, 1976.

2. Блок-схема установки УРМ 3.279.ОМ, ФРГ, 1970.

Сеть

/сМ

27

2S

Т

;.УУЧ1

II II II

ж-А

(put, Z