光纖激光器電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究范文

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摘要：光纖激光器是近幾年發(fā)展起來(lái)的新型激光器，其光電轉(zhuǎn)換效率高，已廣泛應(yīng)用于金屬切割。而其開(kāi)關(guān)電源的控制系統(tǒng)是整個(gè)光纖激光器的心臟，開(kāi)關(guān)電源控制性能的好壞直接影響強(qiáng)激光器電源的穩(wěn)定性和可靠性，從而影響激光器輸出激光的穩(wěn)定性和可靠性。不僅如此，控制系統(tǒng)也對(duì)開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字化、模塊化、可靠性以及穩(wěn)定性起著決定性意義。本激光電源為光纖激光器開(kāi)關(guān)電源，與以往的激光電源有較大的不同：采用dsPIC數(shù)字信號(hào)控制器實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的輸出、控制、檢測(cè)，對(duì)三相電壓進(jìn)行缺相保護(hù)等一系列功能，同時(shí)采用CAN總線式通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)信息的顯示交流、信號(hào)的控制。

關(guān)鍵詞：光纖激光器；開(kāi)關(guān)電源；IGBT驅(qū)動(dòng)；CAN總線；dsPIC

引言

光纖激光器由于具有相對(duì)理想的光束質(zhì)量、超高的轉(zhuǎn)換效率、完全免維護(hù)、高穩(wěn)定性以及體積小等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)的激光行業(yè)產(chǎn)生了巨大而積極的影響。其開(kāi)關(guān)電源作為激光器的核心器件，在激光加工技術(shù)的應(yīng)用中扮演著至關(guān)重要的角色，光纖激光器開(kāi)關(guān)電源的性能直接決定著激光器的技術(shù)水平。［1］國(guó)外在很早就把開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用在激光器上，大功率開(kāi)關(guān)電源控制技術(shù)已很成熟。國(guó)外激光電源已經(jīng)逐步從模擬控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)為數(shù)字化控制系統(tǒng)，［2］數(shù)字化控制系統(tǒng)主要是應(yīng)用51單片機(jī)或DSP數(shù)字信號(hào)處理器來(lái)控制。DSP數(shù)字信號(hào)處理器大多集成了ADC與PWM模塊以及極高的運(yùn)算速度，讓DSP較容易與控制系統(tǒng)形成閉環(huán)，并能快速作出相應(yīng)的控制算法及保護(hù)措施。［3］先進(jìn)的激光器開(kāi)關(guān)電源控制系統(tǒng)是提高激光電源性能的重要技術(shù)指標(biāo)，我國(guó)多個(gè)廠家也在研制小功率激光器用以開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)是功率密度高，電壓電流控制精度高、效率高、控制靈活，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。［4］

1開(kāi)關(guān)電源工作原理

三相交流電壓輸出電壓為380V交流電壓，經(jīng)整流濾波后輸出直流380V給IGBT驅(qū)動(dòng)電路供電，dsPIC輸出可調(diào)制PWM脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)逆變，再經(jīng)過(guò)變壓器變壓，并經(jīng)整流濾波至96V電壓來(lái)觸發(fā)諧振腔實(shí)現(xiàn)放電，同時(shí)對(duì)變壓器初次兩級(jí)進(jìn)行電流檢測(cè)和反饋。［5，6］

2電壓信號(hào)采集及故障保護(hù)電路

開(kāi)關(guān)電源輸出電流的穩(wěn)定性決定著開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)水平。由于放電管內(nèi)工作氣體的流動(dòng)及混合度造成了管內(nèi)電阻的不穩(wěn)定，致使放電管內(nèi)電流變化大，造成光纖激光器輸出功率不穩(wěn)定。因此，本設(shè)計(jì)要對(duì)電管進(jìn)行電流信號(hào)采集，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，將電流值以數(shù)據(jù)形式發(fā)送到控制芯片，由于要滿足控制系統(tǒng)上位機(jī)與下位機(jī)的通信要求，所以采用了帶有2個(gè)增強(qiáng)型CAN的dsPIC33EP256MU806作為主控芯片。控制芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算法分析并改變輸出PWM的占空比，從而達(dá)到自動(dòng)穩(wěn)流產(chǎn)生過(guò)流保護(hù)的效果，［7］也就提高了光纖激光器開(kāi)關(guān)電源輸出電流的穩(wěn)定性。在光纖激光器運(yùn)行的過(guò)程中，如果放電管內(nèi)電壓值輸出過(guò)高，超過(guò)光纖激光器允許輸出電流的最大值，我們稱之為過(guò)流現(xiàn)象。那么硬件應(yīng)該能夠第一時(shí)間捕捉到過(guò)濾信號(hào)并產(chǎn)生硬件保護(hù)措施，同時(shí)相應(yīng)地作出軟件保護(hù)。例如，當(dāng)電流經(jīng)過(guò)過(guò)載電阻后，若還大于額定電流，則觸發(fā)保護(hù)電路。

3A/D轉(zhuǎn)換電路

采用了帶SPI串行接口的8通12位A/D轉(zhuǎn)換器：MCP3204。該芯片對(duì)變壓器的次級(jí)電流信號(hào)以及三相整流后的電壓信號(hào)進(jìn)行采集，然后通過(guò)SPI通信傳送給控制芯片。其中，轉(zhuǎn)換電路的基準(zhǔn)電壓由MCP1541提供4.096V電壓。本設(shè)計(jì)將變壓器次級(jí)電流通過(guò)霍爾電流傳感器采集模擬電流值，通過(guò)MCP1541放大，輸入A/D轉(zhuǎn)換芯片MCP3204進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。因?yàn)镸CP3204的通信方式為SPI通信，SPI時(shí)鐘頻率最高為2.0MHz（VDD=5V）。芯片最多能實(shí)現(xiàn)8路模擬信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換。

4IGBT驅(qū)動(dòng)電路

采用ADUM1200驅(qū)動(dòng)芯片，ADUM1200隔離器在一個(gè)器件中提供兩個(gè)獨(dú)立的隔離通道，兩側(cè)工作電壓為2.7V～5.5V，能夠支持低電壓工作并能實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。另外，ADUM1200隔離器也具有很低的脈寬失真。

5溫度報(bào)警檢測(cè)電路

因?yàn)镮GBT驅(qū)動(dòng)電路的高速開(kāi)關(guān)產(chǎn)生熱量，散熱板的溫度必須控制在一定范圍內(nèi)，所以設(shè)計(jì)了通過(guò)散熱板并利用溫度傳感器來(lái)檢測(cè)溫度。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，信號(hào)FAULTTEM置“1”，進(jìn)而控制芯片dsPIC33EP256MU806采取相應(yīng)措施。

6CAN總線

CAN總線的全稱是控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線，控制芯片集成的增強(qiáng)型控制器局域網(wǎng)（ECAN）完全符合CAN2.0B協(xié)議，且最高可編程比特率達(dá)1Mbps。［8］該CAN總線增強(qiáng)部分主要體現(xiàn)在它有32個(gè)報(bào)文緩沖區(qū)、16個(gè)接收過(guò)濾器、3個(gè)接收過(guò)濾屏蔽器。此外，32個(gè)報(bào)文緩沖都可用于接收，且報(bào)文緩沖區(qū)0～7也可用于發(fā)送。要通過(guò)CAN總線發(fā)送報(bào)文。首先要配置用于發(fā)送的報(bào)文緩沖區(qū)，并指定緩沖區(qū)的優(yōu)先級(jí)。將CAN報(bào)文寫入位于器件RAM中的報(bào)文緩沖區(qū)，然后把緩沖區(qū)的發(fā)送請(qǐng)求位置1，以啟動(dòng)報(bào)文發(fā)送。由于CAN總線網(wǎng)絡(luò)是多節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)，在檢測(cè)到總線處于空閑狀態(tài)時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有相同的機(jī)會(huì)發(fā)送報(bào)文，這樣就難免會(huì)遇到在總線上發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的可能。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，將比較報(bào)文的發(fā)送優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文先發(fā)送，低的后發(fā)送，這樣能夠增強(qiáng)整個(gè)CAN總線的靈活性。CAN通信協(xié)議使用DMA0作為CAN1的接收通道，DMA1作為CAN1的發(fā)送通道。首先將DMA外設(shè)寫沖突狀態(tài)寄存器（DMAPWC）與DMA請(qǐng)求沖突狀態(tài)寄存器（DMARQC）清零，DMA通道0與1的傳輸計(jì)數(shù)寄存器位設(shè)置為7，因?yàn)镃AN總線報(bào)文是一個(gè)7個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)。其次將DMA通道與外設(shè)關(guān)聯(lián)，DMA0關(guān)聯(lián)到ECAN1的接收數(shù)據(jù)就緒，DMA1關(guān)聯(lián)到ECAN1的發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求。設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸長(zhǎng)度位為字，DMA0的傳輸方向從外設(shè)地址讀取寫入DPSRAM地址，DMA1的傳輸方向從DPSRAM地址讀取寫入外設(shè)地址，當(dāng)傳送了所有數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生中斷，DMA通道尋址模式為外設(shè)間接尋址模式。最后將DMA通道的起始地址（目標(biāo)地址）設(shè)為CAN總線的報(bào)文緩沖區(qū)，并允許DMA中斷。

7結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于CAN總線，以dsPIC33EP256MU806為核心控制芯片的光纖激光器開(kāi)關(guān)電源控制系統(tǒng)。該開(kāi)關(guān)電源相比于原PLC控制系統(tǒng)，價(jià)格較低、可靠性增強(qiáng)、精度提高，并且該激光器開(kāi)關(guān)電源改變了傳統(tǒng)激光器開(kāi)關(guān)電源的控制方式，以數(shù)字信號(hào)的方式進(jìn)行系統(tǒng)控制。相比傳統(tǒng)的控制方式，不用對(duì)模擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，提高了開(kāi)關(guān)電源的可控性。此外，本設(shè)計(jì)還做了預(yù)留CAN通信端口，為以后光纖激光器與數(shù)控機(jī)床的有機(jī)結(jié)合做鋪墊。

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作者：莊圓 陸榮鑑 王立杰 單位：南京林業(yè)大學(xué)