Устройство для управления током луча электронно-лучевой термической установки

Патент 877801

Авторы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОП ИСАКИИ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советским

Социалистическим

Республик

<»i877801 (6l ) Дополнительное к авт. свнд-ву (22)Заявлено 210280 (21) 2889251/24-07 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 301081. Бюллетень № 40 (5 3 ) М. Кл.

Н 05 В 7/16

Н 01 J 37/305

9кудврстеемвй «юммтет

СССР (53) УДК 621.365.

91 537 533 (088.8) ва дедам мзобретеммм и етерытмй

Дата опубликовании оннсания 301081 (72) Авторы изобретения

В.П.Решеток и А.Ф.Горбунов

g Qadi «5d (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО цЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТОКОМ ЛУЧА

ЭЛЕКТРОННО -ЛУЧЕВОЙ ТЕРИИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

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

Известно устройство, осуществляющее автоматическое регулирование температурного поля на поверхности металла, нагреваемого в электронновакуумной печи, содержащее задатчик температуры, блок сравнения заданной и измеряемой температуры. скани-. 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 с уставкой, используется сканирующий пирометр, управление которым осуществляется от общего генератора от-. клоняющих напряжений с использованием блока задержки (1 )..

В устройствах такого типа регулирование температурного поля осуществляется sa счет изменения скорости сканирования электронного л1 ча.

Такие схемы сложны и не обеспе. чивают достаточного быстродействия, так как одновременное слежение за пятном нагрева, следящим пирометром и выработка сигнала изменения скорости сканирования требует использовать сложную следящую системv и обеспечить управление по двум координатам. Если же испаряемый материал в виде таблетки сравнительно малых размеров, возникают дополнительные трудности.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому является уст" ройство для управления током луча электронно-лучевого испарителя, содержащее возбудитель тока эмиссии, вязанный с выходом тиристорного

877801 4 регулятора, выполненного в виде встречно-параллельно включенных тиристоров, и выходом высоковольтного блока литания, 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 вЂ” с датчиком тока луча, а выход вЂ” с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом задатчика тока луча, а выход связан с первым входом пусконого блока, снабженного нуль-органом, синхронизатор, первый выход которого соединен со входом формирователя, импульсов синхронизации и сброса, выход которого подключен ко входу генератора заполняющих импульсов, связанного выходом через коммутирующий узел с управляющими входами тиристорного регулятора (21.

- Однако в установке недостаточно широкий диапазон регулирования тока и луча и недостаточная линейность регулирования. Это объясняется тем, что при большом числе сумматоров, накоторые поступают сигналы обратных связей, погрешности накапливаются в каждом последующем сумматоре, возникает квадратурная составляющая ошибки, что является причиной уменьшения точности регулирования, Такая схема включения сумматоров затрудняет настройку и делает регулятор тока луча критичным к изменениям внешних условий.

Цель изобретения вЂ” увеличение точности регулирования температуры за счет более точной стабилизации тока луча.

Для достижения поставленной цели. коммутирующий узел выполнен в в14де двух блоков коммутации, а установка снабжена делителем частоты, выполненным в виде соединенных друг C дру гом дел11теля внутришаговой и шаговой коммутации, выход делителя шаговой коммутации соединен с первыми входами блоков коммутации, вход делителя внутришаговой коммутации подключен к выходу генератора заполняющих импульсов, а второй его выход вЂ” к перво 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 вто10

30 бя делитель 5 внутришаговой коммутации и делитель 6 шаговой коммутации.

Выход. делителя б 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.

45 рым входом блока элементов ЗИ, а тре- тий вход второго блока коммутации с третьим выходом синхронизатора и третьим входом блока элементов ЗИ, 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 вЂ” с первым выходом пускового блока и первым входом блока пороговых элементов шаговой коммутации, соединенного .вторым входом со вторым выходом пускового блока, а выходом вЂ” с четвертыми входами блоков коммутации.

Блоки коммутации содержат группу элементов ЗИ,. выходы каждого иэ 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, второй и третий входы которого соединены с выходом ключевого элемента ИЛИ, при этом первым, третьим и четвертым входом блока коммутации служат входы элементов ЗИ, вторымвЂ” в соды ключевого элемента ИЛИ, а выходом вЂ” выход элемента 2И-ИЛИ.

На фиг. изображена блбк-схема устройства управления током луча; на фиг. 2 вЂ” диаграмма шаговой коммутации тиристорного регулятора, на фиг. 3 " диаграмма внутришаговой коммутации, на фиг. 4 вЂ” развернутая блок-схема 1 одного из каналов коммутации тиристорного регулятора и блоки пороговых элементов шаговой и внутришаговой комму гации.

Устройство содержит генератор 1 заполняющих импульсов, вход которого связан через формирователь 2 импульса синхронизации и сброса с первым нулевым выходом синхронизатора

3. Выход генератора 1 подключен к делителю 4 частоты, включающем в се877801

Блок 11 питания имеет блок 12 saщиты с датчиком 13 короткого замыкания.

Датчик 14 тока луча непосредственно, а датчик 15 выходного сигнала тиристорного -регулятора 9 через интегратор 16 подключены.ко входам сумматора 17.

Выход сумматора 17 и выход задатчика 18 тока луча подключены к блоку

19 сравнения, выход которого н выход задатчика 18 луча соединены с входами пускового блока 20, снабженно1о нуль-органом 21.. К выходам пускового блока 20 подключены входы блока 22 пороговых элементов шаговой коммутации и один вход блока 23 пороговых элементов внутришаговой коммутации, второй вход которого соединен с эадатчиком 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 вЂ” со вторым выходом синхронизации 3 и третьим входом блока 7 коммутации, третий вЂ” с третьим выходом синхронизатора 3 и третьим входом блока 8 коммутации, а четвертыйвЂ” с выходом блока 23 пороговых эле-ментов внутришаговой коммутации.

Четвертые входы блоков 7 и 8 коммутации 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 вЂ” электронный луч.

На фиг. 4 изображены в составе делителя 5 внутришаговой коммутации 40 десятичный счетчик 27 единиц и дешифратор 28; в составе делителя внутришаговой коммутации десятичный счетчик

29 десятков и дешифратор 30; в составе блока 22 пороговые элементы 31 -3;45 в составе блока 23 пороговые элемен" ты 32 -32 в составе блока 7 комму59 тации элементы ЗИ (33 -33 ), элемент

10 ИЛИ 341, схема 2И-ИЛИ 35.1 с расширителем 361 импульса и ключевой у) элемент 5 ИЛИ 37,,; аналогично выполнен второй блок 8 коммутации, содержащий элементы ЗИ 38, аналогично элементам 33; в составе блока задатчиков 18 вЂ” задатчик 39 внутришаговой коммутации и задатчик 40 шаговой коммутации.

Устройство работает следующим об" разом. б

Генератор 1 (фиг l ) заполняющих импульсов синхронизировал импульсами формирователя 2, входом подключенного к нулевому выходу синхронизатора 3> формирователь вырабатывает импульс синхронизации и сброса в момент перехода синусоиды питаюшего синхронизатор напряжения Е через нуль. Два других выхода синхронизатора подключены (фиг.l и 4) ко вторым входам элемен" тов ЗИ (331-33 ) (фиг.4) блока 7 1 10 коммутации и элементов ЗИ (381-З ) второго блока 8 коммутации и вырабатывают соответственно разрешающие положительный импульс и отрицательный импульс в полупериоды синусоиды сети 1,- (фиг.2). Делитель 5 обеспечивает внутришаговое деление на пять и внутришаговую коммутацию тиристорного регулятора 9 (фиг.3), а частоту на входе делителя выбирают:

10f><, где - частота генератора 1, fp g вЂ” частота на выходе делителя 5. Делитель 6 обеспечивает деление полуволны синусоиды на десять с остатком (фиг.2). Поэтому частоту на его входе выбирают 2 10,5 fс щ 6 Ц. 2 с где %- частота питающего синусоидального напряжения (например, 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 системы сканирующим лучом расплавляет образец по плоскости. Регулируемой величиной является ток луча, причем посредством тиристорного регулятора 9 (фиг.l), 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 и 8 коммутации производится регулирова- ние тока в цифровой форме. При этом блок 11 питания подключен к возбуди

1. телю 1О тока эмиссии и через последовательно соединенные датчик 14 и датчик 13 короткого замыкания к корпу су и расплавляемому образцу и вырабатывает ускоряющее напряжение тока луча. Блок 12 защиты выполняет функ1

877801 8

25 . д- =„ПА7= цию блокиронки при коротком замыкании: произнодит отключение (и включение) при аварийном нарушении режима. Блок 19 сравнения обеспечивает

° Ь преобразование 3А 1ос (11 где К - переменный коэффициент, связанный линейной зависимостью от величины сигнала задания > K = (1-0,1).

1 ОС- величина сигнала обратной связи, Раэностный сигнал Д11 в режиме стабилизации с выхода блока 19, а также сигнал задания А через пусковой блок 20 воздействуют по двум шинам входов на пороговые- элементы (компараторы) 31 -.31 блока 22 (фиг.4) шаговой коммутации и пороговые элементы 321-32 блока внутришагоной коммутации, вызывая срабатывание тех пороговых элементов, порог срабатывания которых в данный момент ниже или ранен разности между сигналами: сигналом задания9 и сигналом 69, или где П„ вЂ” порог срабатывания каждого. из элементов.

Для пояснения дискретности уставок порогов срабатывания вторая шина выхода (фиг.4) в блоках 22 .и 23 под соединена ко вторым входам каждого из пороговых элементов через резистор с возрастающим номиналом от 0,1R до R в элементах от 31 до элемента 314 а в блоке 23 внутришаговой коммутации вЂ” от 0.00R до 0,08R в эле-* ментах от 32 до 324. 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 устройстна 20 и воздействующих íà его входах сигналов

Ч м(1 ос" ъА)

ЪА (сигнал Чо имеет максимальное значение) обеспечивается смещение фазы на

180 на выходах этого устройства.

Благодаря этому все пороговые элементы 314 -31 (фиг.4) находятся во включенном состоянии. В процессе до-. стижения током луча заданного значения раэностный сигнал -Ьф на выходе блока 20 достигает нулевого значения, что вызывает срабатывание нуль-органа 21 и переброску фазы на выходах пускового блока 20, Таким образом

1 обеспечивается переход пускового режиме в режим стабилизации тока.

Пусть, например, в режиме стабилизации тока подвижный контакт 40 задатчика 18 (фиг.4) установлен в положение цифры "8", При определенной величине сигнала обратной связи н возбужденном состоянии находятся пороговые элементы 31ц314 блока 22. Это обеспечивает совпадение по всем входам на соответствующих схемах 33 -33,1 совпадения в блоке 7 коммутации в период положи-. тельной полуволны напряжения и отрицательной полуволны на схемах 38р38 совпадения в блоке 8 коммутации в моменты коммутации цифр "7"-"9" по первым входам упомянутых схем от дешифратора 30 делителя 6. Единичный импульс с выходов упомянутых схем" совпадения в шаговой последовательности через элементы 10 ИЛИ 34 и

10 ИЛИ 34 каждого из блоков 7 и 8 коммутации обеспечивает разрешение на управляющем входе того или иного ключевого элемента 15 ИЛИ 37,1 (37 ) и расширяется по длительности расширителем-импульса 36 (362) . Таким образом, если на каком-либо из входов ключевого элемента 37 в период расширения импульса шагового делителя цифры "7" (фиг,3) имеется импульс внутришагового деления (определяется уставкой контакта 39 задатчика 18 и соответствующим срабатыванием по-. роговых элементов 32к-32 блока 23 внутришаговой коммутации), то этот импульс, возникая на выходе ключевого элемента 5 ИЛИ 37, воздействует на вход ИЛИ схемы 2И-ИЛИ 35А (35у) и обеспечивает коммутацию тиристорного регулятора 9 по цифре "4" (фиг.3 ) внутришагового деления между цифрами

"7" и "8" шагового деления. На циф° а рах "2" и ".0" внутришагоного деления при .коммутациях дешифратора 30 на входы тиристорного регулятора с блокон 7 и 8 коммутации проходят новые единичные импульсы (уже на откры877801

9 тые тиристоры). При этом на цифре

"0" внутришагового деления импульс с выхода ключевого элемента 5 ИЛИ

371 (372.) по первому И-входу схемы

2И-ИЛИ 35,1 (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 выходе. Таким образом, при уставках "0" контакта 39 и како- to го"либо контакта 40 задатчика 18 осуществляется только шаговая коммутация (фиг.2 ). о

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

При дестабилизации, например, в

1 сторону увеличения тока луча сигнал обратной связи 1 возрастает. Согласно уравнению 11

I разностный сигнал уменьшается. Это вызывает смещение возбужденных состояний пороговых элементов блоков 22 и 23 фиг.4) в сторону меньших зна- зо чений порогов с раба тыв аний, а именно: отпускание в сторону порогового элемента 31 блока 22 шаговой коммутации в соответствии с величиной возбуждения, т,е. площадь открытого состояния тиристоров регулятора 9 (фиг.2 ) уменьшается. При возмущении, противоположной рассмотренному, наоборот, площадь увеличивается. Таким образом, регулирование тока луча происходит с противодействием вьгзвавшему возмущению: изменяется мамент коммутации тиристорного регуля" тора, причем, в широком диапазоне, соответствующем широкому шаговому 45 и внутришаГовому диапазону уставок ,тока луча. Суммарный сигнал на выходе сумматора -1 а подвергается циф- ровому линейному преобразованию, причем, это преобразование не вносит существенные погрешности в виде квадратуриой составляющей по причине свойств высокой линейности цифрового регулирования. Использование одного сумматора исключает также накопление погрешностей, наблюдаемое при каскадном включении сумматоров. Это улучшает точность регулирования тока луча в сравнении с известным устройством.

Формула изобретения

1. Устройство для управления током луча электронно-лучевой термической установки, например испарительной, содержащее возбудитель тока эмиссии, связанный с выходом тиристорного регулятора, выполненного 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 вЂ” с датчиком тока луча, а. выход вЂ” 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 импульсов синхронизации и сброса, выход 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 делителей внутришаговой и шаговой коммутации, выход делителя шаговой коммутации соединен с первыми входами блоков коммутации, вход делителя внутришаговой коммутации подключен к выходу генератора заполняющих импульсов, а второй его выход вЂ” к первому входу блока элементов ЗИ, выход которого соединен со вторыми входами блоков коммутации, третий вход первого из

6локов коммутации связан со вторым выходом синхронизатора и вторым входом блока элементов ЗИ, а третий вход второго вЂ” с третьим выходом синхронизатора и третьим входом блока элементов ЗИ, четвертый вход которого соединен с выходом блока пороговых элементов внутришаговой коммутации,1 первый вход которого через задатчик тока луча связан со вторым входом пускового блока, а второй вход вЂ” c .. первым выходом пускового блока и первым входом блока пороговых элементов шаговой коммутации, соединенного вто- .

11 87780 рым входом со вторым выходом пускового блока, а выходом вЂ” с четвертыми входами блоков коммутации.

2. Устройство по п,l, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блоки коммутации содержат группу элементов ЭИ, выходы каждого из которых подключены ко входам элемента ИЛИ, выход которого через расширитель импульса соединен с управляющим входом ключевого to элемента ИЛИ и непосредственно с первым И-.входом элемента 2И-ИЛИ, второй и третий входы которого соедине1. 12 ны с выходом ключевого элемента ИЛИ, при этом первым, третьим и четвертым входом блока коммутации служат входы элементов ЗИ, вторым вЂ” входы ключевого элемента ИЛИ, а выходом " выход элемента 2И-ИЛИ.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9482029, кл. Н Ol ) 37/06, 1976.

2. Блок-схема установки УРМ

3.279.011, ФРГ, 1970.

877801

0888

18 ЯТЬ Я

ВНКИПИ Заказ 965! /86

Тираж 892 Подписное

Филиал ПНП "Патент", г.Ужгород, vs .Ïðîeêòíàÿ,4