一种电子束高精度高频偏转扫描装置的制作方法

本发明提供一种电子束偏转扫描装置，特别是一种电子束高精度高频偏转扫描装置，属于电子束流加工技术领域。

背景技术：

电子束快速制造技术具有沉积效率高、成形质量好等优点，可实现复杂结构零部件的高效、快速、近净成形制造，在航空航天、医疗领域复杂结构件制造中具有非常广泛的应用前景。根据填充材料方式的不同，电子束快速制造可分为电子束选区熔化(铺粉)和电子束熔丝沉积(送丝)两种。电子束选区熔化利用电子束高频偏转扫描面热源实现基体预热、粉末预热，以及熔化粉末最终形成实体零件；电子束熔丝沉积采用电子束熔化丝材，同时利用偏转扫描搅拌熔池，或利用偏转扫描面热源控制结晶过程，改善成形件的组织。由此可见，高频偏转扫描技术是电子束快速制造技术中的关键技术，利用电子束高频偏转扫描不仅可实现基体预热、熔化粉末或丝材，而且通过高频扫描可以控制零部件成形表面的温度场及温度梯度，进而控制零部件的结晶过程，可以有效提高零部件快速制造成形质量。

现有技术中，偏转扫描线圈多为环形结构，此类线圈绕组的内外侧在线圈中心的磁场方向相反，且磁感线平行度差，导致磁感应强度较低、磁场均匀性差，电子束偏转角度小，一般仅用于焊接中电子束在熔池附件的小幅摆动，很难实现偏转扫描的精确控制及满足电子束快速制造中大面积扫描的要求。另一方面，现有的偏转扫描线圈采用磁芯结构，使得偏转扫描线圈的感抗较大，由此导致线圈的偏转扫描频率大都较低；再者，现有的偏转扫描线圈的驱动电路一般采用低压运算放大器进行电流放大，驱动电压低、驱动电流小，并且驱动电流的变化速度慢，使得电子束的扫描速度也较慢，容易在扫描过程中留下扫描痕迹，不利于精密零件的加工。本发明设计了一种电子束高精度高频偏转扫描装置，可实现电子束高精度、大范围和高频偏转扫描。

技术实现要素：

1、目的：本发明的目的是提供一种电子束高精度高频偏转扫描装置。它不同于传统的电子束偏转扫描装置，它是一种可以实现电子束高精度、大范围和高速偏转扫描的装置。

2、技术方案：本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

基于上述目的，本发明提供一种电子束高精度高频偏转扫描装置，包括：工控机，串行通讯电路、数字信号处理(即DSP)控制电路、高速高精度D/A转换电路Ⅰ、高速高精度D/A转换电路Ⅱ、信号隔离电路Ⅰ、信号隔离电路Ⅱ、外环比例-积分-微分(即PID)调节电路Ⅰ、外环PID调节电路Ⅱ、功率放大器PA93-Ⅰ、功率放大器PA93-Ⅱ、X轴和Y轴方向的偏转扫描线圈、电流传感器Ⅰ、电流传感器Ⅱ和±160V直流电压源；它们之间的位置连接关系是：工控机通过串行通讯电路连接至DSP控制电路，实现偏转扫描数据的传输；DSP控制电路将接收到的数字信号进行处理后，发送给高速高精度D/A转换电路Ⅰ和高速高精度D/A转换电路Ⅱ转换成两路模拟电压信号输出，然后高速高精度D/A转换电路Ⅰ再经过信号隔离电路Ⅰ后传输至外环PID调节电路Ⅰ，作为X轴方向偏转扫描线圈的扫描电流波形输入给定I_Xg；外环PID调节电路Ⅰ的输出作为内环PA93-Ⅰ高压大电流功率放大器的电压给定U_Xg，PA93功率放大器的输出再连接至X轴方向偏转扫描线圈，驱动X轴向偏转扫描线圈按照给定扫描波形进行偏转扫描，电流传感器Ⅰ串联在线圈回路中，将线圈中的电流反馈至外环PID调节电路Ⅰ，实现X轴方向线圈驱动电流的闭环调节；同时，高速高精度D/A转换电路Ⅱ再经过信号隔离电路Ⅱ后传输至外环PID调节电路Ⅱ，作为Y轴方向偏转扫描线圈的扫描电流波形输入给定I_Yg；外环PID调节电路Ⅱ的输出作为内环PA93-Ⅱ高压大电流功率放大器的电压给定U_Yg，PA93功率放大器的输出再连接至Y轴方向偏转扫描线圈，驱动Y轴方向偏转扫描线圈按照给定扫描波形进行偏转扫描，电流传感器Ⅱ串联在线圈回路中，将线圈中的电流反馈至外环PID调节电路Ⅱ，实现Y轴方向线圈驱动电流的闭环调节；

所述的工控机包括工控机和工业显示器等；它们之间的位置连接关系是：工控机通过视频电缆与工业显示器相连；该工控机为研华Advantech IPC-610H工控机；该工业显示器为奇彩创晶嵌入式工业液晶显示器QC-170IPE10T；

所述的串行通讯电路采用的是工控机上485串行总线(即RS-485)接口，通过该串行接口将工控机的偏转扫描数据传输至DSP控制电路；

所述的DSP控制电路采用TI公司的数字处理电路TMS320LF2407芯片作为主控电路，主要功能是接收工控机传输的偏转扫描数据，然后进行数据处理，转换成对应的偏转扫描线圈驱动电流值，并传输至高速高精度D/A转换电路；

所述的高速高精度D/A转换电路采用的是DATEL公司的数模转换电路DAC-HP16BGC芯片；该DAC-HP16BGC为16位高速高精度D/A转换器，接收TMS320LF2407发送的16位并行数据，将其转换为±5V电压信号输出，作为偏转扫描线圈扫描波形的电流给定，其输出电压分辨率为150μV；

所述的信号隔离电路采用的是BURR-BROWN公司的精密隔离放大电路ISO124，可实现DSP控制电路与功率放大电路之间电隔离，提高DSP控制电路的抗干扰能力；

所述的外环PID调节电路由采用运放、比例放大电阻、积分电容和微分电容等组成，它用来调节偏转扫描线圈上的驱动电流，其输出连接至功率放大器，作为功率放大器的电压给定输入；

所述的功率放大器包括APEX公司的功率放大器PA93、反馈电阻R_F、输入电阻R_IN和限流电阻R_CL等；该PA93是高电压、大电流功率放大器，可实现输出高电压的快速变换，并且输出电流最大可达8A；它们之间的位置连接关系是：输出电压U_XYf通过反馈电阻R_F连接至PA93的反相输入端，同时电压给定信号U_g通过输入电阻R_IN连接反相输入端，二者通过功率放大器PA93进行误差运算后，其输出连接至偏转扫描线圈，驱动线圈内的电流按照扫描波形变化；

所述的偏转扫描线圈包括X轴方向和Y轴方向的线圈；X轴方向偏转扫描线圈由一对形状和匝数相同、共轴平行的空心矩形线圈x1和x2串联而成，并且线圈x1和x2的间距约等于矩形边长的一半，用来调节X轴方向上的电子束偏转量；同样，Y轴方向偏转扫描线圈也是由一对形状和匝数相同、共轴平行的空心矩形线圈y1和y2串联而成，并且线圈y1和y2的间距约等于矩形边长的一半，用来调节Y轴方向上的电子束偏转量；

所述的X轴方向偏转扫描线圈和Y轴方向偏转扫描线圈安装在电子枪中；在电子枪中，阴极灯丝受热激发产生大量自由电子，在栅极和阳极的作用下形成电子束，该电子束再经聚焦线圈聚焦，然后通过由X轴方向偏转扫描线圈和Y轴方向偏转扫描线圈组成的偏转扫描线圈实现电子束的偏转扫描；消像散线圈由两组线圈绕制而成，主要用来控制偏转后的像散，提高电子束束斑形状和品质。

所述的电流传感器采用的是LEM公司的LA25-NP高频电流传感器，用来采集偏转扫描线圈中的电流信号并传输至外环PID调节电路，用来调节偏转扫描线圈中的驱动电流；

所述的±160V直流电源包括+160V直流电源和-160V直流电源，+160V直流电源的输出负端与-160V直流电源的输出正端连接，作为功率放大器PA93的输入地(即GND)，+160V直流电源的输出正端连接至功率放大器PA93的正电源输入端+VCC，-160V直流电源的输出负端连接至功率放大器PA93的负电源输入端-VCC；

所述的+160V直流电源和-160V直流电源具有相同的电路结构，包括整流滤波电路、半桥逆变电路、高频变压器、二次整流滤波电路、电压霍尔传感器、电流霍尔传感器、电流闭环调节电路、电压闭环调节电路、PWM产生电路、驱动电路和保护电路；它们之间的位置连接关系是：AC220V交流电经整流滤波电路整流滤波后变成约310V直流电并连接至半桥逆变电路再次变换成约20kHz的交流方波，该交流方波再连接至高频变压器TR1和二次整流滤波电路后变成160V的直流输出；电压霍尔传感器连接在160V电源输出端采集输出电压反馈信号U_f，与电压给定信号U_g一起连接至电压闭环调节电路，然后电压闭环调节电路的输出连接至脉冲宽度(即PWM)产生电路，调节PWM波形的脉冲宽度，再通过驱动电路就可以控制半桥逆变电路功率开关管的导管与关断，从而实现直流电源输出电压的调节。同理，电流霍尔传感器串联在160V电源的输出回路中采集输出电流反馈信号I_f，与电流给定信号I_g一起连接至电流闭环调节电路，然后电流闭环调节电路的输出连接至PWM产生电路，调节PWM波形的脉冲宽度，再通过驱动电路就可以控制半桥逆变电路功率开关管的导管与关断，从而实现直流电源输出电流的调节。

该整流滤波电路包括二极管全桥整流桥电路及其滤波电容，用来将AC220V交流电整流变换成310V直流电；

该半桥逆变电路包括半桥电容C1、C2，功率开关管Q1和Q2，用来将直流电再次变换成约20kHz的交流方波；

该高频变压器采用纳米晶铁芯和漆包线绕制而成，用来实现原边电压和副边电压的电压变换和隔离；

该二次整流滤波电路由快恢复二极管全桥整流桥电路及滤波电感L1和电容C3组成，将高频变压器TR1输出的高频交流电再次变换成160V的直流输出；

该电压霍尔传感器采用的是LEM公司的LV25电压传感器，用来采集160V直流电源的输出电压；

该电流霍尔传感器是LEM公司的LA25电流传感器，用来采集160V直流电源的输出电流；

该电流闭环调节电路由运放、比例放大电阻、积分电容和微分电容等组成的，它用来调节160V直流电源的输出电流的大小；

该电压闭环调节电路由运放、比例放大电阻、积分电容和微分电容等组成的，它用来调节160V直流电源的输出电压的大小；

该PWM产生电路由芯片SG2525A及其外围电路组成，用来产生脉冲宽度可调的PWM波形；

该驱动电路主要由功率驱动芯片M57962及其外围组成，用来对SG2525A产生的PWM波形进行功率放大，以驱动功率开关管Q1和Q2导通和关断；

该保护电路主要由比较器、电压基准组成，可以对直流电源的过压、过流和欠压等进行检测，一旦出现故障可关闭PWM波形输出。

3、优点及功效：

1)基于Helmholtz线圈工作原理，所设计的X轴方向和Y轴方向偏转扫描线圈中心工作区域内的电磁场分布更均匀，提高了快速制造中偏转扫描的控制精度；

2)采用空心线圈结构设计X和Y轴方向偏转扫描线圈，降低了偏转扫描线圈的电感，实现了线圈驱动电流的高频变化，从而大大提高了电子束偏转扫描速度；

3)采用DSP控制电路和高速高精度16位A/D转换器作为扫描波形控制电路，并结合高电压大电流高速响应功率放大器PA93驱动所述的X轴方向和Y轴方向偏转扫描线圈产生电磁场使电子束偏转扫描；

4)所述的电子束高精度高频偏转扫描装置实现了电子束的高速、高精度、大范围偏转扫描，扫描区域最大可达200mm×200mm，分辨率可达0.2mm，扫描频率可达200kHz。

附图说明

图1为本发明的电子束高精度高频偏转扫描装置的系统构成示意图。

图2为本发明中偏转扫描线圈在电子枪中的安装结构示意图。

图3为本发明中X轴方向和Y轴方向偏转扫描线圈构成示意图。

图4为本发明中PA93功率放大器工作原理图。

图5为本发明中±160V直流电源的工作原理图。

图中序号代号符号说明如下：

101为工控机；

102为串行通讯电路；

103为DSP控制电路；

104为高速高精度D/A转换电路Ⅰ；

105为ISO124隔离电路Ⅰ；

106为外环PID调节电路Ⅰ；

107为PA93-X功率放大电路；

108为X轴方向偏转扫描线圈；

109为电流传感器X；

110为+160V直流电源；

111为-160V直流电源；

112为高速高精度D/A转换电路Ⅱ；

113为ISO124隔离电路Ⅱ；

114为外环PID调节电路Ⅱ；

115为PA93-Y功率放大电路；

116为X轴方向偏转扫描线圈；

117为电流传感器Y；

200为电子枪；

201为电子枪灯丝；

202为电子枪栅极；

203为电子枪阳极；

204为聚焦线圈；

205为消像线圈；

206为电子束束流；

301为X轴方向线圈绕组x1；

302为X轴方向线圈绕组x2；

303为Y轴方向线圈绕组y1；

304为Y轴方向线圈绕组y2；

401为功率放大器PA93；

402为反馈电阻R_F；

403为输入电阻R_IN；

404为限流电阻R_CL；

405为偏置电阻R_B；

501为整流滤波电路；

502为半桥逆变电路；

503为高频变压器；

504为二次整流滤波电路；

505为电流传感器3；

506为电压传感器1；

507为电流闭环调节电路；

508为电压闭环调节电路；

509为PWM产生电路；

510为保护电路；

511为驱动电路。

具体实施方式

本发明提供一种电子束高精度高频偏转扫描装置，其具体实施方式是：

所述的电子束高精度高频偏转扫描装置包括：

参见图1所示，工控机101，串行通讯电路102、DSP控制电路103、高速高精度D/A转换电路Ⅰ104、高速高精度D/A转换电路Ⅱ112、信号隔离电路Ⅰ105、信号隔离电路Ⅱ113、外环PID调节电路Ⅰ106、外环PID调节电路Ⅱ114、功率放大器PA93-Ⅰ107、功率放大器PA93-Ⅱ115、X轴方向偏转扫描线圈108、电流传感器Ⅰ109、Y轴方向偏转扫描线圈116、电流传感器Ⅱ117、+160V直流电压源110和-160V直流电压源111。它们之间的位置连接关系是：工控机101通过串行通讯电路102连接至DSP控制电路103，实现偏转扫描数据的传输。DSP控制电路103将接收到的数字信号进行处理后，发送给高速高精度D/A转换电路Ⅰ104和高速高精度D/A转换电路Ⅱ112转换成两路模拟电压信号输出，然后高速高精度D/A转换电路Ⅰ104再经过信号隔离电路Ⅰ105后传输至外环PID调节电路Ⅰ106，作为X轴方向偏转扫描线圈108的扫描电流波形输入给定I_Xg。外环PID调节电路Ⅰ106的输出作为内环PA93-Ⅰ高压大电流功率放大器107的电压给定U_Xg，PA93功率放大器107的输出再连接至X轴方向偏转扫描线圈108，驱动X轴方向偏转扫描线圈按照给定扫描波形进行偏转扫描，电流传感器Ⅰ109串联在线圈回路中，将线圈中的电流反馈至外环PID调节电路Ⅰ106，实现X轴方向线圈108驱动电流的闭环调节。

同时，高速高精度D/A转换电路Ⅱ112再经过信号隔离电路Ⅱ113后传输至外环PID调节电路Ⅱ114，作为Y轴方向偏转扫描线圈116的扫描电流波形输入给定I_Yg。外环PID调节电路Ⅱ114的输出作为内环PA93-Ⅱ功率放大器115的电压给定U_Yg，PA93功率放大器115的输出再连接至Y轴方向偏转扫描线圈116，驱动Y轴方向偏转扫描线圈116按照给定扫描波形进行偏转扫描，电流传感器Ⅱ117串联在线圈回路中，将线圈中的电流反馈至外环PID调节电路Ⅱ114，实现Y轴方向线圈116驱动电流的闭环调节。

参见图2所示，所述X轴方向偏转扫描线圈108和Y轴方向偏转扫描线圈116安装在电子枪200中。在电子枪中，阴极灯丝201受热激发产生大量自由电子，在栅极202和阳极203的作用下形成电子束206，该电子束再经聚焦线圈204聚焦，然后通过由X轴方向扫描线圈108和Y轴方向扫描线圈116组成的偏转扫描线圈实现电子束的偏转扫描。消像散线圈205主要用来控制偏转后电子束的像散，提高电子束的束斑形状和品质。

参见图3所示，所述X轴方向偏转扫描线圈108由一对形状和匝数相同、共轴平行的矩形线圈x1 301和x2 302串联而成，并且线圈x1 301和x2 302的间距约等于矩形边长的一半；所述Y轴方向偏转扫描线圈116由一对形状和匝数相同、共轴平行的矩形线圈y1 303和y2 304串联而成，并且线圈y1 303和y2 304的间距约等于矩形边长的一半。

参见图4所示，所述PA93功率放大器由PA-93功率放大器401、反馈电阻R_F 402、输入电阻R_IN 403、限流电阻R_CL 404和偏置电阻R_B 405等组成。功率放大器的输出电压U_f通过反馈电阻R_F连接至PA93的反相输入端，同时电压给定信号U_g通过输入电阻R_IN 403连接反相输入端，二者通过功率放大器PA93进行误差运算后，其输出连接至X或Y轴方向偏转扫描线圈，驱动线圈内的电流按照扫描波形变化。

所述的±160V直流电源包括+160V直流电源110和-160V直流电源111，+160V直流电源110的输出负端与-160V直流电源111的输出正端连接，作为PA93功率放大器401的输入地，+160V直流电源110的输出正端连接至PA93功率放大器401的正电源输入端+VCC，-160V直流电源111的输出负端连接至PA93功率放大器401的负电源输入端-VCC。

参见图5所示，所述的+160V直流电源110和-160V直流电源111具有相同的电路结构，都包括整流滤波电路501、半桥逆变电路502、高频变压器503、二次整流滤波电路504、电压霍尔传感器505、电流霍尔传感器506、电流闭环调节电路507、电压闭环调节电路508、PWM产生电路509、保护电路510和驱动电路511。AC220V交流电经整流滤波电路501整流滤波后变成约310V直流电并连接至半桥逆变电路502再次变换成约20kHz的交流方波，该交流方波再连接至高频变压器TR1 503和二次整流滤波电路504后变成160V的直流输出，电压霍尔传感器506连接在160V电源输出端采集输出电压反馈信号U_f，与电压给定信号U_g一起连接至电压闭环调节电路508，然后电压闭环调节电路508的输出连接至PWM产生电路509，调节PWM波形的脉冲宽度，再通过驱动电路511就可以控制半桥逆变电路502功率开关管的导管与关断，从而实现直流电源输出电压的调节。同理，电流霍尔传感器505串联在160V电源的输出回路中采集输出电流反馈信号I_f，与电流给定信号I_g一起连接至电流闭环调节电路507，然后电流闭环调节电路507的输出连接至PWM产生电路509，调节PWM波形的脉冲宽度，再通过驱动电路511就可以控制半桥逆变电路502功率开关管的导管与关断，从而实现直流电源输出电流的调节。

所述的电子束高精度高频偏转扫描装置可以实现电子束高精度、大范围和高速偏转扫描。

所述的电子束高精度高频偏转扫描装置的扫描区域最大可达200mm×200mm；

所述的电子束高精度高频偏转扫描装置的偏转扫描分辨率可达0.2mm；

所述的电子束高精度高频偏转扫描装置的扫描频率达200kHz；

本发明针对电子束快速制造技术高精度、大范围和高速偏转扫描的需要，提供了一种电子束高精度高频偏转扫描装置。基于Helmholtz线圈工作原理，并采用空心线圈结构设计X和Y轴方向偏转扫描线圈，所设计的偏转扫描线圈不仅具有低的感抗，而且线圈中心工作区域内的电磁场分布更均匀，提高了快速制造中偏转扫描速度和控制精度；采用DSP控制电路和高速高精度16位A/D转换器作为扫描波形控制电路，并结合高电压、大电流、高速响应功率放大器PA93实现了所述低感偏转扫描线圈的高速、高精度、大范围偏转扫描。所提供的电子束高精度高频偏转扫描装置可以实现电子束高精度、大范围和高速偏转扫描，扫描区域最大可达200mm×200mm，分辨率可达0.2mm，扫描频率可达200kHz。

就本发明而言，包括工控机101，串行通讯电路102、DSP控制电路103、高速高精度D/A转换电路Ⅰ104、高速高精度D/A转换电路Ⅱ112、ISO124信号隔离电路Ⅰ105、ISO124信号隔离电路Ⅱ113、外环PID调节电路Ⅰ106、外环PID调节电路Ⅱ114、功率放大器PA93-Ⅰ107、功率放大器PA93-Ⅱ115、X轴方向偏转扫描线圈108、电流传感器Ⅰ109、Y轴方向偏转扫描线圈116、电流传感器Ⅱ117、+160V直流电压源110和-160V直流电压源111。

工控机101接收零件制造数据后，对零件数据进行处理并规划扫描路径，从而得到下位机DSP控制电路103可以识别数据包，然后再通过串行通讯电路102将数据包传输至DSP控制电路103。DSP控制电路103将接收到的数字信号进行处理后，发送给高速高精度D/A转换电路Ⅰ104和高速高精度D/A转换电路Ⅱ112转换成两路模拟电压信号输出，形成X轴方向和Y轴方向的偏转扫描波形。该高速高精度D/A转换电路Ⅰ104输出经信号隔离电路Ⅰ105后传输至外环PID调节电路Ⅰ106，作为X轴方向偏转扫描线圈108的扫描电流波形输入给定I_Xg。外环PID调节电路Ⅰ106的输出作为内环PA93-Ⅰ高压大电流功率放大器107的电压给定U_Xg，PA93功率放大器107的输出再连接至X轴方向偏转扫描线圈108，驱动X轴方向偏转扫描线圈按照给定扫描波形控制电子束进行偏转扫描，电流传感器Ⅰ109串联在线圈回路中，将线圈中的电流反馈至外环PID调节电路Ⅰ106，实现X轴方向线圈108驱动电流的闭环调节。同时，高速高精度D/A转换电路Ⅱ112的输出经ISO124隔离电路Ⅱ113后传输至外环PID调节电路Ⅱ114，作为Y轴方向偏转扫描线圈116的扫描电流波形输入给定I_Yg。外环PID调节电路Ⅱ114的输出作为内环PA93-Ⅱ功率放大器115的电压给定U_Yg，PA93功率放大器115的输出再连接至Y轴方向偏转扫描线圈116，驱动Y轴方向偏转扫描线圈116按照给定扫描波形进行偏转扫描，电流传感器Ⅱ117串联在线圈回路中，将线圈中的电流反馈至外环PID调节电路Ⅱ114，实现Y轴方向线圈116驱动电流的闭环调节。

工控机101包括工控机和工业显示器等。工控机通过视频电缆与工业显示器相连。该工控机为研华Advantech IPC-610H工控机；该工业显示器为奇彩创晶嵌入式工业液晶显示器QC-170IPE10T。

串行通讯电路102采用的是工控机上RS-485接口，通过该串行接口将工控机的偏转扫描数据传输至DSP控制电路103。

DSP控制电路103采用TMS320LF2407作为主控芯片，主要功能是接收工控机传输的偏转扫描数据，然后进行数据处理，转换成对应的偏转扫描线圈驱动电流值，并通过并行接口传输至高速高精度D/A转换电路。

高速高精度D/A转换电路Ⅰ104(高速高精度D/A转换电路Ⅱ112)采用的是DAC-HP16BGC数字转换电路。DAC-HP16BGC为16位高速高精度D/A转换器，接收TMS320LF2407发送的16位并行数据，将其转换为±5V电压信号输出，作为偏转扫描线圈扫描波形的电流给定，其输出电压分辨率为150μV，模拟电压输出建立时间为1μs，可实现数字量/模拟量的高速转换。

信号隔离电路Ⅰ105(信号隔离电路Ⅱ113)采用的是精密隔离放大电路ISO124，可实现DSP控制电路与功率放大电路之间电隔离，提高DSP控制电路的抗干扰能力。

外环PID调节电路Ⅰ106(外环PID调节电路Ⅱ114)用来调节偏转扫描线圈上的驱动电流，其输出连接至功率放大器PA93-Ⅰ107(功率放大器PA93-Ⅱ115)，作为功率放大器的电压给定输入。

功率放大器PA93-Ⅰ107(功率放大器PA93-Ⅱ115)包括功率放大器PA93 401、反馈电阻R_F 402、输入电阻R_IN 403、限流电阻R_CL 404和偏置电阻R_B 405。PA93是高电压、大电流功率放大器，可实现输出高电压的快速变换，并且输出电流最大可达8A。输出电压U_XYf通过反馈电阻R_F 402连接至PA93的反相输入端，同时电压给定信号U_g通过输入电阻R_IN 403连接反相输入端，二者通过功率放大器PA93进行误差运算后，其输出连接至X轴方向偏转扫描线圈108(Y轴方向偏转扫描线圈116)，驱动偏转扫描线圈内的电流按照扫描波形变化。

偏转扫描线圈包括X轴方向偏转扫描线圈108和Y轴方向偏转扫描线圈116。X轴方向偏转扫描线圈108由一对形状和匝数相同、共轴平行的空心矩形线圈x1 301和x2 302串联而成，并且线圈x1 301和x2 302的间距约等于矩形边长的一半，用来调节X轴方向上的电子束偏转量。同样，Y轴方向偏转扫描线圈116也是由一对形状和匝数相同、共轴平行的空心矩形线圈y1 303和y2 304串联而成，并且线圈y1 303和y2 304的间距约等于矩形边长的一半，用来调节Y轴方向上的电子束偏转量。所设计的偏转扫描线圈不仅具有低的感抗，而且线圈中心工作区域内的电磁场分布更均匀，提高了快速制造中偏转扫描速度和控制精度。

X轴方向偏转扫描线圈108和Y轴方向偏转扫描线圈116安装在电子枪200中。在电子枪中，阴极灯丝201受热激发产生大量自由电子，在栅极202和阳极203的作用下形成电子束206，该电子束再经聚焦线圈204聚焦，然后通过由X轴方向扫描线圈108和Y轴方向扫描线圈116组成的偏转扫描线圈实现电子束的偏转扫描。消像散线圈205主要用来控制偏转后电子束的像散，提高电子束的束斑形状和品质。

电流传感器Ⅰ109(电流传感器Ⅱ116)采用的是LEM公司的LAX 100-NP高频电流传感器，分别采集偏转扫描线圈中的电流信号并传输至外环PID调节电路，实现偏转扫描线圈驱动电流的调节。

±160V直流电源包括+160V直流电源110和-160V直流电源111，+160V直流电源110的输出负端与-160V直流电源111的输出正端连接，作为PA93功率放大器401的输入地，+160V直流电源110的输出正端连接至PA93功率放大器401的正电源输入端+VCC，-160V直流电源111的输出负端连接至PA93功率放大器401的负电源输入端-VCC。

+160V直流电源110和-160V直流电源111具有相同的电路结构，都包括整流滤波电路501、半桥逆变电路502、高频变压器503、二次整流滤波电路504、电压霍尔传感器505、电流霍尔传感器506、电流闭环调节电路507、电压闭环调节电路508、PWM产生电路509、保护电路510和驱动电路511。AC220V交流电经整流滤波电路501整流滤波后变成约310V直流电并连接至半桥逆变电路502再次变换成约20kHz的交流方波，该交流方波再连接至高频变压器TR1 503和二次整流滤波电路504后变成160V的直流输出，电压霍尔传感器506连接在160V电源输出端采集输出电压反馈信号U_f，与电压给定信号U_g一起连接至电压闭环调节电路508，然后电压闭环调节电路508的输出连接至PWM产生电路509，调节PWM波形的脉冲宽度，再通过驱动电路511就可以控制半桥逆变电路502功率开关管的导管与关断，从而实现直流电源输出电压的调节。同理，电流霍尔传感器505串联在160V电源的输出回路中采集输出电流反馈信号I_f，与电流给定信号I_g一起连接至电流闭环调节电路507，然后电流闭环调节电路507的输出连接至PWM产生电路509，调节PWM波形的脉冲宽度，再通过驱动电路511就可以控制半桥逆变电路502功率开关管的导管与关断，从而实现直流电源输出电流的调节。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是电子束高精度高频偏转扫描装置，包括工控机101，串行通讯电路102、DSP控制电路103、高速高精度D/A转换电路Ⅰ104、高速高精度D/A转换电路Ⅱ112、信号隔离电路Ⅰ105、信号隔离电路Ⅱ113、外环PID调节电路Ⅰ106、外环PID调节电路Ⅱ114、功率放大器PA93-Ⅰ107、功率放大器PA93-Ⅱ115、X轴方向偏转扫描线圈108、电流传感器Ⅰ109、Y轴方向偏转扫描线圈116、电流传感器Ⅱ117、+160V直流电压源110和-160V直流电压源111。

参考图1，工控机101通过串行通讯电路102连接至DSP控制电路103，实现偏转扫描数据的传输。DSP控制电路103将接收到的数字信号进行处理后，发送给高速高精度D/A转换电路Ⅰ104和高速高精度D/A转换电路Ⅱ112转换成两路模拟电压信号输出，然后高速高精度D/A转换电路Ⅰ104再经过ISO124隔离电路Ⅰ105后传输至外环PID调节电路Ⅰ106，作为X轴方向偏转扫描线圈108的扫描电流波形输入给定I_Xg。外环PID调节电路Ⅰ106的输出作为内环功率放大器PA93-Ⅰ107的电压给定U_Xg，PA93功率放大器107的输出再连接至X轴方向偏转扫描线圈108，驱动X轴方向偏转扫描线圈按照给定扫描波形进行偏转扫描，电流传感器Ⅰ109串联在线圈回路中，将线圈中的电流反馈至外环PID调节电路Ⅰ106，实现X轴方向线圈108驱动电流的闭环调节。同时，高速高精度D/A转换电路Ⅱ112再经过信号隔离电路Ⅱ113后传输至外环PID调节电路Ⅱ114，作为Y轴方向偏转扫描线圈116的扫描电流波形输入给定I_Yg。外环PID调节电路Ⅱ114的输出作为内环功率放大器PA93-Ⅱ115的电压给定U_Yg，功率放大器PA93-Ⅱ115的输出再连接至Y轴方向偏转扫描线圈116，驱动Y轴方向偏转扫描线圈116按照给定扫描波形进行偏转扫描，电流传感器Ⅱ117串联在线圈回路中，将线圈中的电流反馈至外环PID调节电路Ⅱ114，实现Y轴方向线圈116驱动电流的闭环调节。

图2是X轴方向偏转扫描线圈108和Y轴方向偏转扫描线圈116在电子枪200中的安装位置示意图。电子枪200主要包括阴极灯丝201、栅极202、阳极203、聚焦线圈204、X轴方向扫描线圈108、Y轴方向扫描线圈116、消像散线圈205，以及电子束206。

参考图2，在电子枪中阴极灯丝201受热激发产生大量自由电子，在栅极202和阳极203的作用下形成电子束206，该电子束再经聚焦线圈204聚焦，然后通过由X轴方向扫描线圈108和Y轴方向扫描线圈116组成的偏转扫描线圈实现电子束的偏转扫描。消像散线圈205主要用来控制偏转后电子束的像散，提高电子束的束斑形状和品质。

图3是X轴方向偏转扫描线圈108和Y轴方向偏转扫描线圈116的结构示意图。

参考图3，X轴方向偏转扫描线圈108由一对形状和匝数相同、共轴平行的空心矩形线圈x1 301和x2 302串联而成，并且线圈x1 301和x2 302的间距约等于矩形边长的一半，用来调节X轴方向上的电子束偏转量。同样，Y轴方向偏转扫描线圈116也是由一对形状和匝数相同、共轴平行的空心矩形线圈y1 303和y2 304串联而成，并且线圈y1 303和y2304的间距约等于矩形边长的一半，用来调节Y轴方向上的电子束偏转量。

图4是功率放大器PA93-Ⅰ107(功率放大器PA93-Ⅱ115)的工作原理框图。PA93功率放大器主要由功率放大器PA93 401、反馈电阻R_F 402、输入电阻R_IN 403、限流电阻R_CL 404和偏置电阻R_B 405组成。

参考图4，PA93功率放大器的输出电压U_XYf通过反馈电阻R_F 402连接至PA93的反相输入端，同时电压给定信号U_g通过输入电阻R_IN 403连接反相输入端，二者通过功率放大器PA93进行误差运算后，其输出连接至X轴方向偏转扫描线圈108(Y轴方向偏转扫描线圈116)，驱动偏转扫描线圈内的电流按照扫描波形变化。

图5是+160V直流电源110(-160V直流电源111)系统组成框图，包括整流滤波电路501、半桥逆变电路502、高频变压器503、二次整流滤波电路504、电压霍尔传感器505、电流霍尔传感器506、电流闭环调节电路507、电压闭环调节电路508、PWM产生电路509、保护电路510和驱动电路511。

参考图5，AC220V交流电经整流滤波电路501整流滤波后变成约310V直流电并连接至半桥逆变电路502再次变换成约20kHz的交流方波，该交流方波再连接至高频变压器TR1503和二次整流滤波电路504后变成160V的直流输出，电压霍尔传感器506连接在160V电源输出端采集输出电压反馈信号U_f，与电压给定信号U_g一起连接至电压闭环调节电路508，然后电压闭环调节电路508的输出连接至PWM产生电路509，调节PWM波形的脉冲宽度，再通过驱动电路511就可以控制半桥逆变电路502功率开关管的导管与关断，从而实现直流电源输出电压的调节。同理，电流霍尔传感器505串联在直流电源的输出回路中采集输出电流反馈信号I_f，与电流给定信号I_g一起连接至电流闭环调节电路507，然后电流闭环调节电路507的输出连接至PWM产生电路509，调节PWM波形的脉冲宽度，再通过驱动电路511就可以控制半桥逆变电路502功率开关管的导管与关断，从而实现直流电源输出电流的调节。

本发明所述的电子束高精度高频偏转扫描装置由工控机、DSP控制电路、PID闭环调节电路、高电压大电流功率放大电路，以及偏转扫描线圈组成。基于Helmholtz线圈工作原理，并采用空心线圈结构设计了偏转扫描线圈，所设计的偏转扫描线圈不仅具有低的感抗，而且线圈中心工作区域内的电磁场分布更均匀，提高了快速制造中偏转扫描速度和控制精度。采用DSP控制电路和高速高精度16位A/D转换器作为扫描波形控制电路，并结合高电压、大电流、高速响应功率放大器PA-93实现了所述低感偏转扫描线圈的高速、高精度、大范围偏转扫描。所提供的电子束高精度高频偏转扫描装置可以实现电子束高精度、大范围和高速偏转扫描，扫描区域最大可达200mm×200mm，分辨率可达0.2mm，扫描频率可达200kHz。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。