专利名称：一种基于dsp的激光电源能量控制的方法
技术领域：
本发明涉及CO2激光电源数字化智能控制器的研制。该控制器采用数字信号处理 器生成了桥式电路的驱动信号，并设计电路直接对上下桥臂MOSFET管驱动信号实行互锁 保护从而避免了干扰引起直通隐患，提出了一种在激光能量稳定过程中实时识别激光电源 空载、激光管损坏等异常情况的方法。
背景技术：
CO2激光电源广泛应用于焊接、切割、打标、划片、刻膜等各个领域中气体激光管的 能量供给；然而，当前市场上普遍存在激光电源易损坏和激光能量输出不稳定的现状，制约 了激光产业的发展。通常，CO2激光电源空载或绝缘不良时，高压接头与电源外壳之间形成 高压电场，容易通过电离拉弧放电造成电源烧毁。而激光管破损或漏气严重到改变其自身 负载特性时也会危及激励电源。另外，加工工艺水平的提高对激光管的出光稳定性提出了 更高的要求，同时也要求提升CO2激光电源的性能。
发明内容
本发明基于数字信号处理器(DSP)TMS320LF2401研制了 CO2激光电源控制器，采 取启辉恒压控制和工作恒流控制的方法实现了激光能量的快速稳定，提出了一种激光电源 空载、激光管损坏等异常情况的判别方法，并针对干扰引起桥式电路直通的隐患设计了驱 动信号互锁电路。一种激光能量快速稳定的方法根据设定的激光电源输出功率和激光管启辉电压 估算出激光电源所采用主电路(桥式电路)的驱动信号(PWM波)的频率和初始脉宽，从激 光电源的高压包(高压变压器)上的副边线圈中取样激光电源的输出电压值，并通过比例 负反馈作用调节PWM波脉宽，从而实现激光电源的快速恒压启辉。同时，通过采样激光管输 出回路的电流来检测激光管的工作电流。一旦激光管产生电流输出，立即进入恒流工作模 式。一种移相互补对称PWM波生成方法(见图2)设定TMS320LF2401的晶振频率即 外部输入时钟，倍频系统时钟和通用定时器时钟，配置周期寄存器Tira值为PWM频率与 通用定时器时钟频率比值TPR的1/2，设置通用定时器Tl比较操作为连续增减计数模式 (TM0DE1/TMODEO = 0x01)并将其配置为比较寄存器*CMPR1和*CMPR2的基准计时器；使能 比较寄存器*CMPR1和*CMPR2的比较功能，配置相应脉宽调制波输出引脚PWM1、PWM3分别 为高电平有效和低电平有效；这样PWMl引脚输出波形占空比为*CMPR1/ (TPR/2)，PWM3引脚 输出波形占空比为(TPR/2-*CMPR2)/(TPR/2)，使得比较寄存器之和为TPR/2，则可生成一 对移相互补对称PWM波；采用TMS320LF240X提供的对称PWM波形产生机制并通过合理选择 和配置寄存器可方便的生成桥式电路的驱动波形，还可节省程序运行时间。程序初始化时 设定比较寄存器*CMPR1 = 0*CMPR2 = TPR/2，设定PWM1、PWM3占空比为零；在稳压或稳流 的定时中断程序中只需修改这对比较寄存器的值即可。
3
上下桥臂驱动信号互锁电路(见图3)，上桥臂电路中电阻Rl —端接PWMl信号脚， 另一端与光耦隔离器6N135的2脚相接；Ul (光耦隔离器6N135)的3脚接PWMl的参考地 GNDl，Ul的8脚与电阻R2 —端相接，Ul的6脚与电阻R3、电阻R4的一端相接，Ul的5脚接 PWM2的参考地GND2 ；电阻R2的另一端与二极管Dl的阴极相连；PWM2信号脚与二极管Dl的 阳极、电阻Rgl —端相连；电阻Rgl的另一端与电阻R3、电阻R5、电阻Rgsl、三极管T2的集 电极与MOSFET管Ql的栅极相连；电阻R5的另一端与三极管T2的基极和三极管Tl的集电 极相连；三极管Tl的基极与电阻R4相连；三极管Tl发射极、三极管T2发射极、电阻Rgsl 的一端和MOSFET管Ql的源极与参考地GND2相连。下桥臂电路中电阻R6 —端接PWM2信号 脚，另一端与U2 (光耦隔离器6N135)的2脚相接；U2的3脚接PWMl的参考地GND2，U2的 8脚与电阻R7 —端相接，U2的6脚与电阻R8、电阻R9的一端相接，U2的5脚接PWM2的参 考地GNDl ；电阻R7的另一端与二极管D2的阴极相连；PWMl信号脚与二极管D2的阳极、电 阻Rg2 —端相连；电阻Rg2的另一端与电阻R8、电阻R10、电阻Rgs2、三极管T4的集电极与 MOSFET管的栅极相连；电阻RlO的另一端与三极管T4的基极和三极管T3的集电极相连； 三极管T3的基极与电阻R9相连；三极管T3发射极、三极管T4发射极、电阻Rgs2的一端和 MOSFET的源极与参考地GNDl相连。—种激光电源空载、激光管损坏等异常情况在线识别方法在稳定激光电源能量 的过程中实时监控激光管上的负载电流，通过判断其是否及时响应设定的电流值以及有无 激光输出来识别激光管损坏或激光电源空载等异常情况，激光电源能量稳定及异常情况判 别与保护的工作流程见图4。其中，在电源恒压启辉过程中，如果激光管负载输出电流在很 短时间内(保证启辉过程完成)一直为零，就判定为电源空载，立即关机；否则，进入电源 PI恒流控制程序。在电源恒流控制过程中，当反馈作用使得输出的PWM脉宽达到设定的最 大占空比，如果激光管负载输出电流在一定时间内一直低于给定电流值，就判定为激光管 损坏等异常，及时关机；否则继续对电源进行PI恒流控制并实时监控。另外，如果电源恒流 工作时，激光管负载输出电流为零则判定为激光电源空载，立即关机。本发明一种基于DSP的激光电源能量控制的方法是这样实现的采用数字信号处 理器TMS320LF2401的片上集成AD采集高压包产生的反馈电压和C02激光管输出电流对应 的电压，根据恒压恒流反馈控制原理进行计算并实时更新PWM波的占空比，再通过半桥转 换电路产生高频高压，利用高压包变压升压、整流后激励C02激光管输出激光。TMS320LF2401数字信号处理器生成的PWM波信号为TTL电平，经过电平转换电路、 信号隔离电路和信号互锁保护电路再驱动半桥转换电路。在激光能量稳定过程中在线识别 激光电源空载或激光管损坏等异常情况的方法通过实时监控激光管输出电流来在线识别 异常情况并及时保护激光电源的有效措施，防止CO2激光电源空载或绝缘不良时，高压接头 与电源外壳之间形成高压电场，容易通过电离拉弧放电造成电源烧毁。本发明一种基于DSP的激光电源能量控制的方法的优点是1)采用DSP对激光电源进行恒压恒流控制可快速精确地稳定激光输出能量。2)直接利用上下桥臂MOSFET管栅极的控制信号作为互锁信号源，有效地避免了 异常状态下上下桥臂的直通。3)可以在线识别激光电源空载、激光管损坏等异常情况，保证C02激光电源开路 和激光管损坏等异常状况发生时立即停止电源工作，从而有效地避免了高压无法及时泄放
4而烧毁电源。
图1为激光电源控制原理框图。图2为移相互补对称P丽波示意图。图3为上下桥臂驱动信号互锁电路图。图4为激光电源能量控制程序流程图。
具体实施例方式根据图1-4所示，一种基于DSP的激光电源能量控制的方法采用数字信号处理器 TMS320LF2401的片上集成AD采集高压包产生的反馈电压和C02激光管输出电流对应的电 压，根据恒压恒流反馈控制原理进行计算并实时更新PWM波的占空比，再通过半桥转换电 路产生高频高压，利用高压包变压升压、整流后激励C02激光管输出激光。TMS320LF2401数 字信号处理器生成的PWM波信号为TTL电平，经过电平转换电路、信号隔离电路和信号互锁 保护电路再驱动半桥转换电路。在激光能量稳定过程中在线识别激光电源空载或激光管损 坏等异常情况的方法通过实时监控激光管输出电流来在线识别异常情况并及时保护激光 电源的有效措施，防止CO2激光电源空载或绝缘不良时，高压接头与电源外壳之间形成高压 电场，容易通过电离拉弧放电造成电源烧毁。一种激光能量快速稳定的方法根据设定的激光电源输出功率和激光管启辉电压 估算出激光电源所采用主电路(桥式电路)的驱动信号(PWM波)的频率和初始脉宽，从激 光电源的高压包(高压变压器)上的副边线圈中取样激光电源的输出电压值，并通过比例 负反馈作用调节PWM波脉宽，从而实现激光电源的快速恒压启辉。同时，通过采样激光管输 出回路的电流来检测激光管的工作电流。一旦激光管产生电流输出，立即进入恒流工作模 式。一种移相互补对称PWM波生成方法(见图2)设定TMS320LF2401的晶振频率即 外部输入时钟，倍频系统时钟和通用定时器时钟，配置周期寄存器Tira值为PWM频率与 通用定时器时钟频率比值TPR的1/2，设置通用定时器Tl比较操作为连续增减计数模式 (TM0DE1/TMODEO = 0x01)并将其配置为比较寄存器*CMPR1和*CMPR2的基准计时器；使能 比较寄存器*CMPR1和*CMPR2的比较功能，配置相应脉宽调制波输出引脚PWM1、PWM3分别 为高电平有效和低电平有效；这样PWMl引脚输出波形占空比为*CMPR1/ (TPR/2)，PWM3引脚 输出波形占空比为(TPR/2-*CMPR2)/(TPR/2)，使得比较寄存器之和为TPR/2，则可生成一 对移相互补对称PWM波；采用TMS320LF240X提供的对称PWM波形产生机制并通过合理选择 和配置寄存器可方便的生成桥式电路的驱动波形，还可节省程序运行时间。程序初始化时 设定比较寄存器*CMPR1 = 0、*CMPR2 = TPR/2，设定PWMl、PWM3占空比为零；在稳压或稳流 的定时中断程序中只需修改这对比较寄存器的值即可。 上下桥臂驱动信号互锁电路(见图3)，上桥臂电路中电阻Rl —端接PWMl信号脚， 另一端与光耦隔离器Ul的2脚相接；光耦隔离器Ul的3脚接PWMl的参考地GND1，光耦隔 离器Ul的8脚与电阻R2 —端相接，光耦隔离器Ul的6脚与电阻R3、电阻R4的一端相接， 光耦隔离器Ul的5脚接PWM2的参考地GND2 ；电阻R2的另一端与二极管Dl的阴极相连；PWM2信号脚与二极管Dl的阳极、电阻Rgl —端相连；电阻Rgl的另一端与电阻R3、电阻R5、 电阻Rgsl、三极管T2的集电极与MOSFET管Ql的栅极相连；电阻R5的另一端与三极管T2 的基极和三极管Tl的集电极相连；三极管Tl的基极与电阻R4相连；三极管Tl发射极、三 极管T2发射极、电阻Rgsl的一端和MOSFET管Ql的源极与参考地GND2相连。下桥臂电路 中电阻R6 —端接PWM2信号脚，另一端与光耦隔离器U2的2脚相接；光耦隔离器U2的3脚 接PWMl的参考地GND2，光耦隔离器U2的8脚与电阻R7 —端相接，光耦隔离器U2的6脚 与电阻R8、电阻R9的一端相接，光耦隔离器U2的5脚接PWM2的参考地GNDl ；电阻R7的 另一端与二极管D2的阴极相连PWMl信号脚与二极管D2的阳极、电阻Rg2 —端相连；电阻 Rg2的另一端与电阻R8、电阻R10、电阻Rgs2、三极管T4的集电极与MOSFET管的栅极相连； 电阻RlO的另一端与三极管T4的基极和三极管T3的集电极相连；三极管T3的基极与电阻 R9相连；三极管T3发射极、三极管T4发射极、电阻Rgs2的一端和MOSFET的源极与参考地 GNDl相连。 一种激光电源空载、激光管损坏等异常情况在线识别方法在稳定激光电源能量 的过程中实时监控激光管上的负载电流，通过判断其是否及时响应设定的电流值以及有无 激光输出来识别激光管损坏或激光电源空载等异常情况，激光电源能量稳定及异常情况判 别与保护的工作流程见图4。其中，在电源恒压启辉过程中，如果激光管负载输出电流在很 短时间内(保证启辉过程完成)一直为零，就判定为电源空载，立即关机；否则，进入电源 PI恒流控制程序。在电源恒流控制过程中，当反馈作用使得输出的PWM脉宽达到设定的最 大占空比，如果激光管负载输出电流在一定时间内一直低于给定电流值，就判定为激光管 损坏等异常，及时关机；否则继续对电源进行PI恒流控制并实时监控。另外，如果电源恒流 工作时，激光管负载输出电流为零则判定为激光电源空载，立即关机。
权利要求
1.一种基于DSP的激光电源能量控制的方法，其特征在于采用DSP片上集成功能模 块设计一种移相互补对称PWM波的生成方法，并直接对上下桥臂功率MOSFET管的驱动信号 实行了互锁保护，提出一种在激光能量快速稳定的过程中在线识别激光电源空载或激光管 损坏异常情况的方法。
2.根据权利要求1所述的一种基于DSP的激光电源能量控制的方法，其特征在于所 述移相互补对称PWM波生成方法，采用Tms320LF240X片上集成事件管理器提供的对称PWM 波形产生机制，选用其中一个通用定时器作为两个相关比较寄存器的基准时钟，并设定两 个比较寄存器值之和为周期寄存器值，置相应PWM引脚的有效电平极性相反；该方法实时 性强，改变PWM占空比只需修改两个比较寄存器值即可，从而提高激光能量的稳定速度和 精度。
3.根据权利要求1所述的一种基于DSP的激光电源能量控制的方法，其特征在于所 述驱动信号互锁保护电路，直接对上下桥臂MOSFET管驱动信号实行隔离互锁保护从而避 免了干扰引起直通隐患；其中，上桥臂电路包括电阻Rl —端接PWMl信号脚，另一端与光 耦隔离器Ul的2脚相接；光耦隔离器Ul的3脚接PWMl的参考地GND1，光耦隔离器Ul的 8脚与电阻R2 —端相接，光耦隔离器Ul的6脚与电阻R3、电阻R4的一端相接，光耦隔离器 Ul的5脚接PWM2的参考地GND2 ；电阻R2的另一端与二极管Dl的阴极相连；PWM2信号脚 与二极管Dl的阳极、电阻Rgl —端相连；电阻Rgl的另一端与电阻R3、电阻R5、电阻Rgsl、 三极管T2的集电极与MOSFET管Ql的栅极相连；电阻R5的另一端与三极管T2的基极和三 极管Tl的集电极相连；三极管Tl的基极与电阻R4相连；三极管Tl发射极、三极管T2发射 极、电阻Rgsl的一端和MOSFET管Ql的源极与参考地GND2相连；下桥臂电路包括电阻R6 一端接PWM2信号脚，另一端与光耦隔离器U2的2脚相接；光耦隔离器U2的3脚接PWMl的 参考地GND2，光耦隔离器U2的8脚与电阻R7 —端相接，光耦隔离器U2的6脚与电阻R8、 电阻R9的一端相接，光耦隔离器U2的5脚接PWM2的参考地GNDl ；电阻R7的另一端与二 极管D2的阴极相连；PWMl信号脚与二极管D2的阳极、电阻Rg2 —端相连；电阻Rg2的另一 端与电阻R8、电阻R 10、电阻Rgs2、三极管T4的集电极与MOSFET管的栅极相连；电阻RlO 的另一端与三极管T4的基极和三极管T3的集电极相连；三极管T3的基极与电阻R9相连； 三极管T3发射极、三极管T4发射极、电阻Rgs2的一端和MOSFET的源极与参考地GNDl相 连。
4.根据权利要求1所述的一种基于DSP的激光电源能量控制的方法，其特征在于所 述在激光能量稳定过程中在线识别激光电源空载或激光管损坏异常情况的方法，通过实时 监控激光管输出电流来在线识别异常情况并及时保护激光电源的有效措施，防止CO2激光 电源空载或绝缘不良时，高压接头与电源外壳之间形成高压电场，容易通过电离拉弧放电 造成电源烧毁；激光电源能量稳定及异常情况判别与保护的工作流程如下在电源恒压启 辉过程中，如果激光管负载输出电流在很短时间内(保证启辉过程完成)一直为零，就判定 为电源空载，立即关机；否则，进入电源PI恒流控制程序；在电源恒流控制过程中，当反馈 作用使得输出的PWM脉宽达到设定的最大占空比，如果激光管负载输出电流在一定时间内 一直低于给定电流值，就判定为激光管损坏等异常，及时关机；否则继续对电源进行PI恒 流控制并实时监控；另外，如果电源恒流工作时，激光管负载输出电流为零则判定为激光电 源空载，立即关机。
全文摘要
本发明基于数字信号处理器(DSP)TMS320LF2401研制了CO2激光电源智能控制器，采取启辉恒压控制和工作恒流控制的方法实现了激光能量的快速稳定，提出了一种激光电源空载、激光管损坏等异常情况的在线判别方法，并针对干扰引起桥式电路直通的隐患设计了驱动信号隔离互锁电路。其优点是采用DSP对激光电源进行恒压恒流控制可快速精确地稳定激光输出能量；直接利用上下桥臂MOSFET管栅极的控制信号作为互锁信号源，有效地避免了异常状态下上下桥臂的直通；可以在线识别激光电源空载、激光管损坏等异常情况，保证CO2激光电源开路和激光管损坏等异常状况发生时立即停止电源工作，从而有效地避免了高压无法及时泄放而烧毁电源。
文档编号H01S3/104GK102005691SQ201010295249
公开日2011年4月6日 申请日期2010年9月28日 优先权日2010年9月28日
发明者占江山, 彭琪, 王军, 肖刚 申请人:中国船舶重工集团公司第七○九研究所