專利名稱：一種基于dsp的激光電源能量控制的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及CO2激光電源數(shù)字化智能控制器的研制。該控制器采用數(shù)字信號(hào)處理 器生成了橋式電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并設(shè)計(jì)電路直接對(duì)上下橋臂MOSFET管驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)行互鎖 保護(hù)從而避免了干擾引起直通隱患，提出了一種在激光能量穩(wěn)定過程中實(shí)時(shí)識(shí)別激光電源 空載、激光管損壞等異常情況的方法。
背景技術(shù)：
CO2激光電源廣泛應(yīng)用于焊接、切割、打標(biāo)、劃片、刻膜等各個(gè)領(lǐng)域中氣體激光管的 能量供給；然而，當(dāng)前市場(chǎng)上普遍存在激光電源易損壞和激光能量輸出不穩(wěn)定的現(xiàn)狀，制約 了激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。通常，CO2激光電源空載或絕緣不良時(shí)，高壓接頭與電源外殼之間形成 高壓電場(chǎng)，容易通過電離拉弧放電造成電源燒毀。而激光管破損或漏氣嚴(yán)重到改變其自身 負(fù)載特性時(shí)也會(huì)危及激勵(lì)電源。另外，加工工藝水平的提高對(duì)激光管的出光穩(wěn)定性提出了 更高的要求，同時(shí)也要求提升CO2激光電源的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)TMS320LF2401研制了 CO2激光電源控制器，采 取啟輝恒壓控制和工作恒流控制的方法實(shí)現(xiàn)了激光能量的快速穩(wěn)定，提出了一種激光電源 空載、激光管損壞等異常情況的判別方法，并針對(duì)干擾引起橋式電路直通的隱患設(shè)計(jì)了驅(qū) 動(dòng)信號(hào)互鎖電路。一種激光能量快速穩(wěn)定的方法根據(jù)設(shè)定的激光電源輸出功率和激光管啟輝電壓 估算出激光電源所采用主電路(橋式電路)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(PWM波)的頻率和初始脈寬，從激 光電源的高壓包(高壓變壓器)上的副邊線圈中取樣激光電源的輸出電壓值，并通過比例 負(fù)反饋?zhàn)饔谜{(diào)節(jié)PWM波脈寬，從而實(shí)現(xiàn)激光電源的快速恒壓?jiǎn)⑤x。同時(shí)，通過采樣激光管輸 出回路的電流來檢測(cè)激光管的工作電流。一旦激光管產(chǎn)生電流輸出，立即進(jìn)入恒流工作模 式。一種移相互補(bǔ)對(duì)稱PWM波生成方法(見圖2)設(shè)定TMS320LF2401的晶振頻率即 外部輸入時(shí)鐘，倍頻系統(tǒng)時(shí)鐘和通用定時(shí)器時(shí)鐘，配置周期寄存器Tira值為PWM頻率與 通用定時(shí)器時(shí)鐘頻率比值TPR的1/2，設(shè)置通用定時(shí)器Tl比較操作為連續(xù)增減計(jì)數(shù)模式 (TM0DE1/TMODEO = 0x01)并將其配置為比較寄存器*CMPR1和*CMPR2的基準(zhǔn)計(jì)時(shí)器；使能 比較寄存器*CMPR1和*CMPR2的比較功能，配置相應(yīng)脈寬調(diào)制波輸出引腳PWM1、PWM3分別 為高電平有效和低電平有效；這樣PWMl引腳輸出波形占空比為*CMPR1/ (TPR/2)，PWM3引腳 輸出波形占空比為(TPR/2-*CMPR2)/(TPR/2)，使得比較寄存器之和為TPR/2，則可生成一 對(duì)移相互補(bǔ)對(duì)稱PWM波；采用TMS320LF240X提供的對(duì)稱PWM波形產(chǎn)生機(jī)制并通過合理選擇 和配置寄存器可方便的生成橋式電路的驅(qū)動(dòng)波形，還可節(jié)省程序運(yùn)行時(shí)間。程序初始化時(shí) 設(shè)定比較寄存器*CMPR1 = 0*CMPR2 = TPR/2，設(shè)定PWM1、PWM3占空比為零；在穩(wěn)壓或穩(wěn)流 的定時(shí)中斷程序中只需修改這對(duì)比較寄存器的值即可。
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上下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)互鎖電路(見圖3)，上橋臂電路中電阻Rl —端接PWMl信號(hào)腳， 另一端與光耦隔離器6N135的2腳相接；Ul (光耦隔離器6N135)的3腳接PWMl的參考地 GNDl，Ul的8腳與電阻R2 —端相接，Ul的6腳與電阻R3、電阻R4的一端相接，Ul的5腳接 PWM2的參考地GND2 ；電阻R2的另一端與二極管Dl的陰極相連；PWM2信號(hào)腳與二極管Dl的 陽極、電阻Rgl —端相連；電阻Rgl的另一端與電阻R3、電阻R5、電阻Rgsl、三極管T2的集 電極與MOSFET管Ql的柵極相連；電阻R5的另一端與三極管T2的基極和三極管Tl的集電 極相連；三極管Tl的基極與電阻R4相連；三極管Tl發(fā)射極、三極管T2發(fā)射極、電阻Rgsl 的一端和MOSFET管Ql的源極與參考地GND2相連。下橋臂電路中電阻R6 —端接PWM2信號(hào) 腳，另一端與U2 (光耦隔離器6N135)的2腳相接；U2的3腳接PWMl的參考地GND2，U2的 8腳與電阻R7 —端相接，U2的6腳與電阻R8、電阻R9的一端相接，U2的5腳接PWM2的參 考地GNDl ；電阻R7的另一端與二極管D2的陰極相連；PWMl信號(hào)腳與二極管D2的陽極、電 阻Rg2 —端相連；電阻Rg2的另一端與電阻R8、電阻R10、電阻Rgs2、三極管T4的集電極與 MOSFET管的柵極相連；電阻RlO的另一端與三極管T4的基極和三極管T3的集電極相連； 三極管T3的基極與電阻R9相連；三極管T3發(fā)射極、三極管T4發(fā)射極、電阻Rgs2的一端和 MOSFET的源極與參考地GNDl相連?！N激光電源空載、激光管損壞等異常情況在線識(shí)別方法在穩(wěn)定激光電源能量 的過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控激光管上的負(fù)載電流，通過判斷其是否及時(shí)響應(yīng)設(shè)定的電流值以及有無 激光輸出來識(shí)別激光管損壞或激光電源空載等異常情況，激光電源能量穩(wěn)定及異常情況判 別與保護(hù)的工作流程見圖4。其中，在電源恒壓?jiǎn)⑤x過程中，如果激光管負(fù)載輸出電流在很 短時(shí)間內(nèi)(保證啟輝過程完成)一直為零，就判定為電源空載，立即關(guān)機(jī)；否則，進(jìn)入電源 PI恒流控制程序。在電源恒流控制過程中，當(dāng)反饋?zhàn)饔檬沟幂敵龅腜WM脈寬達(dá)到設(shè)定的最 大占空比，如果激光管負(fù)載輸出電流在一定時(shí)間內(nèi)一直低于給定電流值，就判定為激光管 損壞等異常，及時(shí)關(guān)機(jī)；否則繼續(xù)對(duì)電源進(jìn)行PI恒流控制并實(shí)時(shí)監(jiān)控。另外，如果電源恒流 工作時(shí)，激光管負(fù)載輸出電流為零則判定為激光電源空載，立即關(guān)機(jī)。本發(fā)明一種基于DSP的激光電源能量控制的方法是這樣實(shí)現(xiàn)的采用數(shù)字信號(hào)處 理器TMS320LF2401的片上集成AD采集高壓包產(chǎn)生的反饋電壓和C02激光管輸出電流對(duì)應(yīng) 的電壓，根據(jù)恒壓恒流反饋控制原理進(jìn)行計(jì)算并實(shí)時(shí)更新PWM波的占空比，再通過半橋轉(zhuǎn) 換電路產(chǎn)生高頻高壓，利用高壓包變壓升壓、整流后激勵(lì)C02激光管輸出激光。TMS320LF2401數(shù)字信號(hào)處理器生成的PWM波信號(hào)為TTL電平，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路、 信號(hào)隔離電路和信號(hào)互鎖保護(hù)電路再驅(qū)動(dòng)半橋轉(zhuǎn)換電路。在激光能量穩(wěn)定過程中在線識(shí)別 激光電源空載或激光管損壞等異常情況的方法通過實(shí)時(shí)監(jiān)控激光管輸出電流來在線識(shí)別 異常情況并及時(shí)保護(hù)激光電源的有效措施，防止CO2激光電源空載或絕緣不良時(shí)，高壓接頭 與電源外殼之間形成高壓電場(chǎng)，容易通過電離拉弧放電造成電源燒毀。本發(fā)明一種基于DSP的激光電源能量控制的方法的優(yōu)點(diǎn)是1)采用DSP對(duì)激光電源進(jìn)行恒壓恒流控制可快速精確地穩(wěn)定激光輸出能量。2)直接利用上下橋臂MOSFET管柵極的控制信號(hào)作為互鎖信號(hào)源，有效地避免了 異常狀態(tài)下上下橋臂的直通。3)可以在線識(shí)別激光電源空載、激光管損壞等異常情況，保證C02激光電源開路 和激光管損壞等異常狀況發(fā)生時(shí)立即停止電源工作，從而有效地避免了高壓無法及時(shí)泄放
4而燒毀電源。


圖1為激光電源控制原理框圖。圖2為移相互補(bǔ)對(duì)稱P麗波示意圖。圖3為上下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)互鎖電路圖。圖4為激光電源能量控制程序流程圖。
具體實(shí)施例方式根據(jù)圖1-4所示，一種基于DSP的激光電源能量控制的方法采用數(shù)字信號(hào)處理器 TMS320LF2401的片上集成AD采集高壓包產(chǎn)生的反饋電壓和C02激光管輸出電流對(duì)應(yīng)的電 壓，根據(jù)恒壓恒流反饋控制原理進(jìn)行計(jì)算并實(shí)時(shí)更新PWM波的占空比，再通過半橋轉(zhuǎn)換電 路產(chǎn)生高頻高壓，利用高壓包變壓升壓、整流后激勵(lì)C02激光管輸出激光。TMS320LF2401數(shù) 字信號(hào)處理器生成的PWM波信號(hào)為TTL電平，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)隔離電路和信號(hào)互鎖 保護(hù)電路再驅(qū)動(dòng)半橋轉(zhuǎn)換電路。在激光能量穩(wěn)定過程中在線識(shí)別激光電源空載或激光管損 壞等異常情況的方法通過實(shí)時(shí)監(jiān)控激光管輸出電流來在線識(shí)別異常情況并及時(shí)保護(hù)激光 電源的有效措施，防止CO2激光電源空載或絕緣不良時(shí)，高壓接頭與電源外殼之間形成高壓 電場(chǎng)，容易通過電離拉弧放電造成電源燒毀。一種激光能量快速穩(wěn)定的方法根據(jù)設(shè)定的激光電源輸出功率和激光管啟輝電壓 估算出激光電源所采用主電路(橋式電路)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(PWM波)的頻率和初始脈寬，從激 光電源的高壓包(高壓變壓器)上的副邊線圈中取樣激光電源的輸出電壓值，并通過比例 負(fù)反饋?zhàn)饔谜{(diào)節(jié)PWM波脈寬，從而實(shí)現(xiàn)激光電源的快速恒壓?jiǎn)⑤x。同時(shí)，通過采樣激光管輸 出回路的電流來檢測(cè)激光管的工作電流。一旦激光管產(chǎn)生電流輸出，立即進(jìn)入恒流工作模 式。一種移相互補(bǔ)對(duì)稱PWM波生成方法(見圖2)設(shè)定TMS320LF2401的晶振頻率即 外部輸入時(shí)鐘，倍頻系統(tǒng)時(shí)鐘和通用定時(shí)器時(shí)鐘，配置周期寄存器Tira值為PWM頻率與 通用定時(shí)器時(shí)鐘頻率比值TPR的1/2，設(shè)置通用定時(shí)器Tl比較操作為連續(xù)增減計(jì)數(shù)模式 (TM0DE1/TMODEO = 0x01)并將其配置為比較寄存器*CMPR1和*CMPR2的基準(zhǔn)計(jì)時(shí)器；使能 比較寄存器*CMPR1和*CMPR2的比較功能，配置相應(yīng)脈寬調(diào)制波輸出引腳PWM1、PWM3分別 為高電平有效和低電平有效；這樣PWMl引腳輸出波形占空比為*CMPR1/ (TPR/2)，PWM3引腳 輸出波形占空比為(TPR/2-*CMPR2)/(TPR/2)，使得比較寄存器之和為TPR/2，則可生成一 對(duì)移相互補(bǔ)對(duì)稱PWM波；采用TMS320LF240X提供的對(duì)稱PWM波形產(chǎn)生機(jī)制并通過合理選擇 和配置寄存器可方便的生成橋式電路的驅(qū)動(dòng)波形，還可節(jié)省程序運(yùn)行時(shí)間。程序初始化時(shí) 設(shè)定比較寄存器*CMPR1 = 0、*CMPR2 = TPR/2，設(shè)定PWMl、PWM3占空比為零；在穩(wěn)壓或穩(wěn)流 的定時(shí)中斷程序中只需修改這對(duì)比較寄存器的值即可。 上下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)互鎖電路(見圖3)，上橋臂電路中電阻Rl —端接PWMl信號(hào)腳， 另一端與光耦隔離器Ul的2腳相接；光耦隔離器Ul的3腳接PWMl的參考地GND1，光耦隔 離器Ul的8腳與電阻R2 —端相接，光耦隔離器Ul的6腳與電阻R3、電阻R4的一端相接， 光耦隔離器Ul的5腳接PWM2的參考地GND2 ；電阻R2的另一端與二極管Dl的陰極相連；PWM2信號(hào)腳與二極管Dl的陽極、電阻Rgl —端相連；電阻Rgl的另一端與電阻R3、電阻R5、 電阻Rgsl、三極管T2的集電極與MOSFET管Ql的柵極相連；電阻R5的另一端與三極管T2 的基極和三極管Tl的集電極相連；三極管Tl的基極與電阻R4相連；三極管Tl發(fā)射極、三 極管T2發(fā)射極、電阻Rgsl的一端和MOSFET管Ql的源極與參考地GND2相連。下橋臂電路 中電阻R6 —端接PWM2信號(hào)腳，另一端與光耦隔離器U2的2腳相接；光耦隔離器U2的3腳 接PWMl的參考地GND2，光耦隔離器U2的8腳與電阻R7 —端相接，光耦隔離器U2的6腳 與電阻R8、電阻R9的一端相接，光耦隔離器U2的5腳接PWM2的參考地GNDl ；電阻R7的 另一端與二極管D2的陰極相連PWMl信號(hào)腳與二極管D2的陽極、電阻Rg2 —端相連；電阻 Rg2的另一端與電阻R8、電阻R10、電阻Rgs2、三極管T4的集電極與MOSFET管的柵極相連； 電阻RlO的另一端與三極管T4的基極和三極管T3的集電極相連；三極管T3的基極與電阻 R9相連；三極管T3發(fā)射極、三極管T4發(fā)射極、電阻Rgs2的一端和MOSFET的源極與參考地 GNDl相連。 一種激光電源空載、激光管損壞等異常情況在線識(shí)別方法在穩(wěn)定激光電源能量 的過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控激光管上的負(fù)載電流，通過判斷其是否及時(shí)響應(yīng)設(shè)定的電流值以及有無 激光輸出來識(shí)別激光管損壞或激光電源空載等異常情況，激光電源能量穩(wěn)定及異常情況判 別與保護(hù)的工作流程見圖4。其中，在電源恒壓?jiǎn)⑤x過程中，如果激光管負(fù)載輸出電流在很 短時(shí)間內(nèi)(保證啟輝過程完成)一直為零，就判定為電源空載，立即關(guān)機(jī)；否則，進(jìn)入電源 PI恒流控制程序。在電源恒流控制過程中，當(dāng)反饋?zhàn)饔檬沟幂敵龅腜WM脈寬達(dá)到設(shè)定的最 大占空比，如果激光管負(fù)載輸出電流在一定時(shí)間內(nèi)一直低于給定電流值，就判定為激光管 損壞等異常，及時(shí)關(guān)機(jī)；否則繼續(xù)對(duì)電源進(jìn)行PI恒流控制并實(shí)時(shí)監(jiān)控。另外，如果電源恒流 工作時(shí)，激光管負(fù)載輸出電流為零則判定為激光電源空載，立即關(guān)機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種基于DSP的激光電源能量控制的方法，其特征在于采用DSP片上集成功能模 塊設(shè)計(jì)一種移相互補(bǔ)對(duì)稱PWM波的生成方法，并直接對(duì)上下橋臂功率MOSFET管的驅(qū)動(dòng)信號(hào) 實(shí)行了互鎖保護(hù)，提出一種在激光能量快速穩(wěn)定的過程中在線識(shí)別激光電源空載或激光管 損壞異常情況的方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于DSP的激光電源能量控制的方法，其特征在于所 述移相互補(bǔ)對(duì)稱PWM波生成方法，采用Tms320LF240X片上集成事件管理器提供的對(duì)稱PWM 波形產(chǎn)生機(jī)制，選用其中一個(gè)通用定時(shí)器作為兩個(gè)相關(guān)比較寄存器的基準(zhǔn)時(shí)鐘，并設(shè)定兩 個(gè)比較寄存器值之和為周期寄存器值，置相應(yīng)PWM引腳的有效電平極性相反；該方法實(shí)時(shí) 性強(qiáng)，改變PWM占空比只需修改兩個(gè)比較寄存器值即可，從而提高激光能量的穩(wěn)定速度和 精度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于DSP的激光電源能量控制的方法，其特征在于所 述驅(qū)動(dòng)信號(hào)互鎖保護(hù)電路，直接對(duì)上下橋臂MOSFET管驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)行隔離互鎖保護(hù)從而避 免了干擾引起直通隱患；其中，上橋臂電路包括電阻Rl —端接PWMl信號(hào)腳，另一端與光 耦隔離器Ul的2腳相接；光耦隔離器Ul的3腳接PWMl的參考地GND1，光耦隔離器Ul的 8腳與電阻R2 —端相接，光耦隔離器Ul的6腳與電阻R3、電阻R4的一端相接，光耦隔離器 Ul的5腳接PWM2的參考地GND2 ；電阻R2的另一端與二極管Dl的陰極相連；PWM2信號(hào)腳 與二極管Dl的陽極、電阻Rgl —端相連；電阻Rgl的另一端與電阻R3、電阻R5、電阻Rgsl、 三極管T2的集電極與MOSFET管Ql的柵極相連；電阻R5的另一端與三極管T2的基極和三 極管Tl的集電極相連；三極管Tl的基極與電阻R4相連；三極管Tl發(fā)射極、三極管T2發(fā)射 極、電阻Rgsl的一端和MOSFET管Ql的源極與參考地GND2相連；下橋臂電路包括電阻R6 一端接PWM2信號(hào)腳，另一端與光耦隔離器U2的2腳相接；光耦隔離器U2的3腳接PWMl的 參考地GND2，光耦隔離器U2的8腳與電阻R7 —端相接，光耦隔離器U2的6腳與電阻R8、 電阻R9的一端相接，光耦隔離器U2的5腳接PWM2的參考地GNDl ；電阻R7的另一端與二 極管D2的陰極相連；PWMl信號(hào)腳與二極管D2的陽極、電阻Rg2 —端相連；電阻Rg2的另一 端與電阻R8、電阻R 10、電阻Rgs2、三極管T4的集電極與MOSFET管的柵極相連；電阻RlO 的另一端與三極管T4的基極和三極管T3的集電極相連；三極管T3的基極與電阻R9相連； 三極管T3發(fā)射極、三極管T4發(fā)射極、電阻Rgs2的一端和MOSFET的源極與參考地GNDl相 連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于DSP的激光電源能量控制的方法，其特征在于所 述在激光能量穩(wěn)定過程中在線識(shí)別激光電源空載或激光管損壞異常情況的方法，通過實(shí)時(shí) 監(jiān)控激光管輸出電流來在線識(shí)別異常情況并及時(shí)保護(hù)激光電源的有效措施，防止CO2激光 電源空載或絕緣不良時(shí)，高壓接頭與電源外殼之間形成高壓電場(chǎng)，容易通過電離拉弧放電 造成電源燒毀；激光電源能量穩(wěn)定及異常情況判別與保護(hù)的工作流程如下在電源恒壓?jiǎn)?輝過程中，如果激光管負(fù)載輸出電流在很短時(shí)間內(nèi)(保證啟輝過程完成)一直為零，就判定 為電源空載，立即關(guān)機(jī)；否則，進(jìn)入電源PI恒流控制程序；在電源恒流控制過程中，當(dāng)反饋 作用使得輸出的PWM脈寬達(dá)到設(shè)定的最大占空比，如果激光管負(fù)載輸出電流在一定時(shí)間內(nèi) 一直低于給定電流值，就判定為激光管損壞等異常，及時(shí)關(guān)機(jī)；否則繼續(xù)對(duì)電源進(jìn)行PI恒 流控制并實(shí)時(shí)監(jiān)控；另外，如果電源恒流工作時(shí)，激光管負(fù)載輸出電流為零則判定為激光電 源空載，立即關(guān)機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)TMS320LF2401研制了CO2激光電源智能控制器，采取啟輝恒壓控制和工作恒流控制的方法實(shí)現(xiàn)了激光能量的快速穩(wěn)定，提出了一種激光電源空載、激光管損壞等異常情況的在線判別方法，并針對(duì)干擾引起橋式電路直通的隱患設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離互鎖電路。其優(yōu)點(diǎn)是采用DSP對(duì)激光電源進(jìn)行恒壓恒流控制可快速精確地穩(wěn)定激光輸出能量；直接利用上下橋臂MOSFET管柵極的控制信號(hào)作為互鎖信號(hào)源，有效地避免了異常狀態(tài)下上下橋臂的直通；可以在線識(shí)別激光電源空載、激光管損壞等異常情況，保證CO2激光電源開路和激光管損壞等異常狀況發(fā)生時(shí)立即停止電源工作，從而有效地避免了高壓無法及時(shí)泄放而燒毀電源。
文檔編號(hào)H01S3/104GK102005691SQ201010295249
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月28日
發(fā)明者占江山, 彭琪, 王軍, 肖剛 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○九研究所