電子束增材制造電源的智能穩(wěn)流方案

電子束增材制造（EBAM）是一種高能束流金屬成形技術(shù)，其電源系統(tǒng)需為電子槍和聚焦透鏡提供穩(wěn)定的高壓與精確的束流控制。電源輸出的電流波動(dòng)會(huì)直接影響熔池溫度與成形質(zhì)量，因此穩(wěn)流方案的優(yōu)化至關(guān)重要。
在EBAM系統(tǒng)中，電子槍加速電壓通常為幾十千伏，束流控制電流范圍從數(shù)毫安至數(shù)百毫安。穩(wěn)流系統(tǒng)需在快速負(fù)載變化下維持輸出電流恒定，同時(shí)抑制電弧干擾。智能穩(wěn)流方案通過(guò)結(jié)合數(shù)字控制、模型預(yù)測(cè)和自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。
穩(wěn)流控制器采用電流閉環(huán)結(jié)構(gòu)，利用高精度霍爾傳感器檢測(cè)輸出電流。控制算法采用基于模型的預(yù)測(cè)控制（MPC），通過(guò)對(duì)電子槍等效負(fù)載模型進(jìn)行在線辨識(shí)，預(yù)測(cè)下一個(gè)采樣周期的電流變化趨勢(shì)，并提前調(diào)整控制量。與傳統(tǒng)PI控制相比，該方法可在擾動(dòng)發(fā)生前進(jìn)行補(bǔ)償，顯著提升系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。
同時(shí)，為應(yīng)對(duì)電弧放電引起的瞬態(tài)波動(dòng)，系統(tǒng)設(shè)置快速限流模塊。當(dāng)檢測(cè)到電流上升速率超過(guò)閾值時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓立即降至安全水平，保護(hù)束流穩(wěn)定。智能控制系統(tǒng)還可根據(jù)工藝階段自動(dòng)切換穩(wěn)流參數(shù)，如在熔池啟動(dòng)時(shí)提升響應(yīng)速度，在穩(wěn)定沉積階段降低帶寬以減少噪聲。
為了進(jìn)一步降低紋波，穩(wěn)流模塊采用數(shù)字濾波與多相并聯(lián)輸出技術(shù)。通過(guò)相位交錯(cuò)控制，各通道電流波形相互抵消高頻分量，使輸出紋波降低至額定值的0.1%以內(nèi)。系統(tǒng)還集成數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控功能，可記錄束流波動(dòng)與能量分布，為工藝控制提供反饋。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用智能穩(wěn)流方案后，電子束能量穩(wěn)定度提高30%，成形層厚度一致性提升顯著，證明該電源控制策略能有效滿足EBAM工藝對(duì)高精度能量控制的要求。