光纖激光器開關(guān)電源控制系統(tǒng)設(shè)計

莊圓?陸榮鑑?王立杰

摘 要：光纖激光器是近幾年發(fā)展起來的新型激光器，其光電轉(zhuǎn)換效率高，已廣泛應用于金屬切割。而其開關(guān)電源的控制系統(tǒng)是整個光纖激光器的心臟，開關(guān)電源控制性能的好壞直接影響強激光器電源的穩(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)也對開關(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)字信號控制器實現(xiàn)PWM信號的輸出、控制、檢測，對三相電壓進行缺相保護等一系列功能，同時采用CAN總線式通信方式來實現(xiàn)上位機與下位機信息的顯示交流、信號的控制。

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

0 引言

光纖激光器由于具有相對理想的光束質(zhì)量、超高的轉(zhuǎn)換效率、完全免維護、高穩(wěn)定性以及體積小等優(yōu)點，對傳統(tǒng)的激光行業(yè)產(chǎn)生了巨大而積極的影響。其開關(guān)電源作為激光器的核心器件，在激光加工技術(shù)的應用中扮演著至關(guān)重要的角色，光纖激光器開關(guān)電源的性能直接決定著激光器的技術(shù)水平。[1]

國外在很早就把開關(guān)電源應用在激光器上，大功率開關(guān)電源控制技術(shù)已很成熟。國外激光電源已經(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)主要是應用 51單片機或DSP數(shù)字信號處理器來控制。DSP數(shù)字信號處理器大多集成了ADC與PWM模塊以及極高的運算速度，讓DSP較容易與控制系統(tǒng)形成閉環(huán)，并能快速作出相應的控制算法及保護措施。[3]

先進的激光器開關(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，我國多個廠家也在研制小功率激光器用以開關(guān)電源。開關(guān)電源的特點是功率密度高，電壓電流控制精度高、效率高、控制靈活，可以實現(xiàn)數(shù)字化控制。[4]

1 開關(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)動電路供電，dsPIC輸出可調(diào)制PWM脈沖來驅(qū)動IGBT驅(qū)動電路實現(xiàn)逆變，再經(jīng)過變壓器變壓，并經(jīng)整流濾波至96V電壓來觸發(fā)諧振腔實現(xiàn)放電，同時對變壓器初次兩級進行電流檢測和反饋。[5，6]

2 電壓信號采集及故障保護電路

開關(guān)電源輸出電流的穩(wěn)定性決定著開關(guān)電源的技術(shù)水平。由于放電管內(nèi)工作氣體的流動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)計要對電管進行電流信號采集，通過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)上位機與下位機的通信要求，所以采用了帶有2個增強型CAN的dsPIC33EP256MU806作為主控芯片?？刂菩酒瑢?shù)據(jù)進行算法分析并改變輸出PWM的占空比，從而達到自動穩(wěn)流產(chǎn)生過流保護的效果，[7]也就提高了光纖激光器開關(guān)電源輸出電流的穩(wěn)定性。在光纖激光器運行的過程中，如果放電管內(nèi)電壓值輸出過高，超過光纖激光器允許輸出電流的最大值，我們稱之為過流現(xiàn)象。那么硬件應該能夠第一時間捕捉到過濾信號并產(chǎn)生硬件保護措施，同時相應地作出軟件保護。例如，當電流經(jīng)過過載電阻后，若還大于額定電流，則觸發(fā)保護電路。

3 A/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。該芯片對變壓器的次級電流信號以及三相整流后的電壓信號進行采集，然后通過SPI通信傳送給控制芯片。其中，轉(zhuǎn)換電路的基準電壓由MCP1541提供4.096V電壓。本設(shè)計將變壓器次級電流通過霍爾電流傳感器采集模擬電流值，通過MCP1541放大，輸入A/D轉(zhuǎn)換芯片MCP3204進行A/D轉(zhuǎn)換。因為MCP3204的通信方式為SPI通信，SPI時鐘頻率最高為2.0MHz（VDD=5V）。芯片最多能實現(xiàn)8路模擬信號的AD轉(zhuǎn)換。

4 IGBT驅(qū)動電路

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

5 溫度報警檢測電路

因為IGBT驅(qū)動電路的高速開關(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)計了通過散熱板并利用溫度傳感器來檢測溫度。當溫度過高時，信號FAULTTEM 置“1”，進而控制芯片dsPIC33EP256MU806采取相應措施。

6 CAN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1Mbps。[8]該CAN總線增強部分主要體現(xiàn)在它有32個報文緩沖區(qū)、16個接收過濾器、3個接收過濾屏蔽器。此外，32個報文緩沖都可用于接收，且報文緩沖區(qū)0～7也可用于發(fā)送。要通過CAN總線發(fā)送報文。首先要配置用于發(fā)送的報文緩沖區(qū)，并指定緩沖區(qū)的優(yōu)先級。將CAN報文寫入位于器件RAM中的報文緩沖區(qū)，然后把緩沖區(qū)的發(fā)送請求位置1，以啟動報文發(fā)送。由于CAN總線網(wǎng)絡(luò)是多節(jié)點的通信網(wǎng)絡(luò)，在檢測到總線處于空閑狀態(tài)時，每個節(jié)點都有相同的機會發(fā)送報文，這樣就難免會遇到在總線上發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的可能。當出現(xiàn)這種情況時，將比較報文的發(fā)送優(yōu)先級，優(yōu)先級高的報文先發(fā)送，低的后發(fā)送，這樣能夠增強整個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請求沖突狀態(tài)寄存器（DMARQC）清零，DMA通道0與1的傳輸計數(shù)寄存器位設(shè)置為7，因為CAN總線報文是一個7個字數(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)請求。設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸長度位為字，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，當傳送了所有數(shù)據(jù)時發(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（目標地址）設(shè)為CAN總線的報文緩沖區(qū)，并允許DMA中斷。

7 結(jié)語

本文設(shè)計了一個基于CAN總線，以dsPIC33EP256MU806為核心控制芯片的光纖激光器開關(guān)電源控制系統(tǒng)。該開關(guān)電源相比于原PLC控制系統(tǒng)，價格較低、可靠性增強、精度提高，并且該激光器開關(guān)電源改變了傳統(tǒng)激光器開關(guān)電源的控制方式，以數(shù)字信號的方式進行系統(tǒng)控制。相比傳統(tǒng)的控制方式，不用對模擬調(diào)節(jié)器進行控制，提高了開關(guān)電源的可控性。此外，本設(shè)計還做了預留CAN通信端口，為以后光纖激光器與數(shù)控機床的有機結(jié)合做鋪墊。

參考文獻：

[1] 張纏保.新型半導體激光電源的設(shè)計[J].山西電力，2007.

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[4] 莫偉.淺析激光器的發(fā)展與激光測距的方法[J].電子測試，2013（9）：15-16.

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[6] 張恩軍.大功率特種脈沖電源控制器研究[D].西安理工大學碩士學位論文，2004.

[7] 丁奉龍，周海燕.手持噴霧水電解機的控制裝置設(shè)計[J].藝術(shù)科技，2019，32（08）：241+243.

[8] 劉金龍，常越.基于CAN總線的高壓激光電源遠程控制系統(tǒng)[J].高電壓技術(shù)，2005（3）.

作者簡介：莊圓（1997—），男，研究生在讀，主要從事光機電一體化、嵌入式系統(tǒng)與設(shè)備控制的研究。

通訊作者：陸榮鑑（1964—），男，研究生，講師，主要從事機電一體化、工業(yè)控制系統(tǒng)方向的研究。