專利名稱：大功率激光器的控制方法
大功率激光器的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大功率激光器的控制方法，尤其涉及利用可編程控制 器對(duì)大功率激光器進(jìn)行控制的方法。
背景技術(shù)：
目前大部分大功率激光器都采用單片機(jī)進(jìn)行控制， 一方面，由于 大功率激光器存在高頻、高壓電源等干擾源，單片機(jī)很容易受到這些 干擾源的干擾，使采集的數(shù)據(jù)、信號(hào)不準(zhǔn)確，容易產(chǎn)生誤動(dòng)作，從 而影響生產(chǎn)，損壞大功率激光器，甚至發(fā)生安全事故等。另一方面， 采用單片機(jī)進(jìn)行控制，其修改、升級(jí)性差，當(dāng)需要完善、增加一些功 能時(shí)需要的時(shí)間過長(zhǎng)，工作量大。為了使大功率激光器的控制更為可 靠，采用了可編程控制器代替了單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了控制功能，可編程控
制器(PLC)是目前工業(yè)領(lǐng)域使用非常廣泛的一種控制元器件，具有 抗干擾性強(qiáng)，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)能夠大大降低干擾源對(duì)大功 率激光器的干擾程度，使大功率激光器的性能得到提高，但是要實(shí)現(xiàn) 對(duì)大功率激光器的精確控制，除了要求有性能穩(wěn)定的PLC以外，還 需要對(duì)激光器當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行有效檢測(cè)，以及利用PLC對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn) 行相應(yīng)處理使檢測(cè)結(jié)果盡可能反映激光器的真實(shí)狀態(tài)，這樣才能針對(duì) 激光器當(dāng)前的狀態(tài)采取相應(yīng)的操作，從而完成對(duì)激光器的有效控制。在現(xiàn)有技術(shù)中，由于在對(duì)4企測(cè)信號(hào)的處理上，未采取有效的處理方法， 導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)、信號(hào)雖然準(zhǔn)確，但卻不能有效反映激光器的真實(shí)狀 態(tài)，從而在激光器的控制上產(chǎn)生誤動(dòng)作，影響大功率激光器的穩(wěn)定性， 嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞大功率激光器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種大功率激光器的控制方法， 能夠有效處理檢測(cè)信號(hào)以準(zhǔn)確反映激光器的真實(shí)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器 的精確控制。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是 大功率激光器的控制方法，包括以下步驟
101、 上電初始化；
102、 對(duì)氣體流通回路進(jìn)行抽真空操作；
103、 壓力傳感器檢測(cè)氣體流通回路中的壓力狀態(tài)輸出壓力模擬 電壓信號(hào)到PLC中；
104、 PLC對(duì)接收到的壓力模擬電壓信號(hào)進(jìn)行至少3次周期掃描， 相應(yīng)采集到至少3個(gè)壓力模擬電壓信號(hào)值，PLC將采集到的壓力模擬 電壓信號(hào)值進(jìn)行比較，去掉其中的一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，并將余 下的壓力模擬電壓信號(hào)值的平均值與預(yù)設(shè)的啟動(dòng)值進(jìn)行比較，若所述
平均值小于或等于所述啟動(dòng)值，則PLC發(fā)出停止抽真空操作的控制 信號(hào)和向氣體流通回路充入工作氣體的控制信號(hào)；
105、 在氣體流通回路充入工作氣體后，若所述平均值大于或等 于預(yù)設(shè)的工作值，則PLC發(fā)出使氣體流通回路內(nèi)工作氣體循環(huán)流通
的控制信號(hào)，之后，若所述平均值先小于所述預(yù)設(shè)的工作值再大于或 等于預(yù)設(shè)的工作值，以及所述平均值持續(xù)大于或等于預(yù)設(shè)的工作值，
則PLC發(fā)出激光器出光的控制信號(hào)。 步驟105之后還包括以下步驟
201、 功率傳感器檢測(cè)激光器諧振腔的功率狀態(tài)，輸出的功率模 擬電壓信號(hào)經(jīng)放大電路進(jìn)行放大，并輸入到PLC中；
202、 PLC對(duì)接收到的功率模擬電壓放大信號(hào)進(jìn)行至少3次周期 掃描，相應(yīng)采集到至少3個(gè)功率模擬電壓放大信號(hào)值，PLC將采集到 的功率模擬電壓放大信號(hào)值進(jìn)行比較，去掉其中的一個(gè)最大值和一個(gè)
最小值，并將余下的功率模擬電壓放大信號(hào)值的平均值作為功率檢測(cè) 結(jié)果；
203、 PLC根據(jù)功率檢測(cè)結(jié)果和其內(nèi)預(yù)置的功率模擬電壓放大信 號(hào)值與功率值的分段對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到激光器運(yùn)行的功率值。
步驟203中所述的分段對(duì)應(yīng)關(guān)系為N段電壓值分別以N個(gè)不同 系數(shù)對(duì)應(yīng)N段功率值，其中，N為大于等于2的整數(shù)。
所述的大功率激光器的控制方法，所述N的值為5。
步驟102具體為啟動(dòng)真空泵，開啟主抽真空閥、渦輪風(fēng)機(jī)齒輪 箱抽真空閥和渦輪風(fēng)機(jī)齒輪箱排氣閥。
步驟103具體為壓力傳感器檢測(cè)氣體流通回路中的熱交換器一 和/或熱交換器二的壓力狀態(tài)。
步驟104中向氣體流通回路充入工作氣體具體為打開C02氣 體閥一、He氣體閥二和N2氣體閥三，開始向氣體流通回路中的熱交 換器一內(nèi)充入工作氣體。
步驟105中使氣體流通回路內(nèi)工作氣體循環(huán)流通具體為啟動(dòng)渦 輪風(fēng)機(jī)使工作氣體在熱交換器一、諧振腔、熱交換器二和渦輪風(fēng)機(jī)組 成的氣體流通回路內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。
本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明的實(shí)施例通過檢測(cè)熱交換器內(nèi)的壓力，并由PLC對(duì)多個(gè) 壓力檢測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行去最值處理，然后取電壓平均值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的 壓力值作為輸出值，真實(shí)地反映出熱交換器內(nèi)的壓力狀態(tài)；鑒于功率 傳感器檢測(cè)的信號(hào)具有一定的非線性，本發(fā)明中將功率值與電壓值進(jìn) 行分段對(duì)應(yīng)，在對(duì)諧振腔進(jìn)行功率檢測(cè)時(shí)，由PLC對(duì)多個(gè)的功率檢 測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行去最值處理，然后取電壓平均值，并根據(jù)該電壓平均 值所在區(qū)間對(duì)應(yīng)的斜率和該電壓平均值得到激光器的功率值，真實(shí)地 反映出激光器的輸出功率狀態(tài)；基于上述對(duì)激光器的壓力、功率等參 數(shù)進(jìn)行有效處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光器的精確控制。


下面參照附圖結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。 圖l是本發(fā)明控制方法下的一種激光器原理圖。 圖2是本發(fā)明中功率信號(hào)的放大電路圖。 圖3是本發(fā)明控制方法的流程圖。
圖4是本發(fā)明中功率檢測(cè)電壓值與激光器功率值的分段對(duì)應(yīng)示 意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明控制方法下的一種激光器原理圖如圖1所示，大功率激光
器包括諧振腔l、熱交換器一2、熱交換器二3、渦輪風(fēng)機(jī)4、壓力傳 感器5、功率傳感器14以及氣體控制單元，在諧振腔1內(nèi)裝有功率 傳感器14,激光功率經(jīng)過放大后輸入到PLC進(jìn)行處理，在熱交換器 二3上裝有壓力傳感器5，用于檢測(cè)熱交換器二3內(nèi)氣體的壓力，把 檢測(cè)信號(hào)輸入到PLC進(jìn)行處理，這里，壓力傳感器5的位置也可以 裝在熱交換器一2內(nèi)，其效果都是一致的，熱交換器一2、諧振腔l、 熱交換器二 3和渦輪風(fēng)機(jī)4組成氣體流通回路，氣體可以在熱交換器 一2、諧振腔l、熱交換器二3和渦輪風(fēng)機(jī)4內(nèi)循環(huán)流動(dòng)；氣體控制 單元包括真空泵13、主抽真空閥10、渦4侖風(fēng)才幾齒輪箱抽真空閥11、 渦輪風(fēng)機(jī)齒輪箱排氣閥12、 C02氣體閥一7、 He氣體閥二 8、 N2氣 體閥三9和充氮?dú)忾y6，其中，C02氣體閥一7、 He氣體閥二8、 N2 氣體閥三9和充氮?dú)忾y6都分別與熱交換器一2相連，用于向熱交換 器一 2內(nèi)充入相應(yīng)的氣體，N2氣體閥三9和充氮?dú)忾y6所充入的氣 體都是氮?dú)猓瑑烧咴诓煌那闆r下使用，當(dāng)?shù)獨(dú)庾鳛楣ぷ鳉怏w時(shí)，使 用N2氣體閥三9充入氣體，當(dāng)激光器停止工作時(shí)，為了保證氣體流 通回路內(nèi)的壓強(qiáng)與激光器外部大氣壓強(qiáng)一致，保護(hù)諧振腔，而使用充 氮?dú)忾y6充入氣體，當(dāng)然兩者也可以合為一個(gè)氣閥，需要對(duì)相應(yīng)的操 作進(jìn)行適應(yīng)性變化即可；主抽真空閥10用于排放熱交換器一 2內(nèi)的 氣體，渦輪風(fēng)機(jī)齒輪箱抽真空閥11和渦輪風(fēng)機(jī)齒輪箱排氣岡12都用 于排放渦輪風(fēng)機(jī)4齒輪箱內(nèi)的氣體，這兩個(gè)排氣閥使用的情況也不一 樣，當(dāng)需要通過真空泵13抽真空時(shí)，需要開啟渦輪風(fēng)機(jī)齒輪箱抽真 空閥11,其流量口徑較大，易于快速完成操作，而當(dāng)需要排出渦輪
風(fēng)機(jī)齒輪箱內(nèi)多余的氣體時(shí)，需要使用口徑較小的渦輪風(fēng)機(jī)齒輪箱排 氣閥12來完成，當(dāng)然兩者也可以合為一個(gè)氣閥，需要對(duì)相應(yīng)的操作 進(jìn)行適應(yīng)性變化即可。
由于功率傳感器的信號(hào)很小，所以需要經(jīng)過2級(jí)放大電路進(jìn)行放 大，這樣才有利于功率檢測(cè)信號(hào)被PLC進(jìn)行有效處理。參照?qǐng)D2，用 AD公司的高精密放大器OP07構(gòu)成模擬信號(hào)放大電路，OP07具有低 輸入偏移電壓(10uV)、低漂移電壓(0.2uV廠C)和寬范圍的供電電 壓(±3V - 土18V),可以很好地滿足產(chǎn)品的要求。在這里OP07由 士12V供電，可以通過調(diào)整電阻RP7， RP8, RP9的阻值來改變放大 電路的放大陪數(shù)，使功率等于4000W時(shí)，放大電路的輸出為10V。
下面結(jié)合圖3所示的流程圖對(duì)本發(fā)明的控制方法進(jìn)^f亍具體描述
a、 上電后初始化，各輸出部分恢復(fù)為原始狀態(tài)；
b、 啟動(dòng)低壓，真空泵13開始工作，主抽真空閥10、渦輪風(fēng)枳^ 齒輪箱抽真空閥11、渦輪風(fēng)機(jī)齒輪箱排氣閥12都開啟；
c、 檢測(cè)氣體的壓力，壓力傳感器5通過熱交換器二3對(duì)氣體流 通回路內(nèi)的壓力狀況進(jìn)行檢測(cè)，將氣體壓力轉(zhuǎn)換為0-10V的模擬電壓 信號(hào)，在一定的掃描周期(如30個(gè))內(nèi)的多個(gè)(如30個(gè))模擬電壓 信號(hào)輸入到PLC, PLC對(duì)這些模擬電壓信號(hào)進(jìn)行比較，去掉當(dāng)中的 最大值和最小值，然后進(jìn)行多點(diǎn)平均運(yùn)算，即取余下的模擬電壓信號(hào) 的平均值作為當(dāng)前壓力傳感器的檢測(cè)結(jié)果，最后把該平均值轉(zhuǎn)換為對(duì) 應(yīng)的實(shí)際氣壓P實(shí)際；
d、 PLC將檢測(cè)到的氣體壓力P實(shí)際與在PLC內(nèi)預(yù)備設(shè)置的啟 動(dòng)氣壓P啟動(dòng)相比較(P啟動(dòng)表示需要回充工作氣體的預(yù)設(shè)壓力值)，當(dāng)
P實(shí)際小于P啟動(dòng)時(shí)，關(guān)閉主抽真空閥10和渦輪風(fēng)機(jī)齒輪箱抽真空閥
12,并打開C02氣體閥一7、 He氣體閥二 8和N2氣體閥三9,開始 向熱交換器一2內(nèi)充入工作氣體；
f、 PLC繼續(xù)將檢測(cè)到的氣體壓力P實(shí)際與在PLC內(nèi)預(yù)備設(shè)置的工 作氣壓P工作相比較，當(dāng)P實(shí)際大于或等于P工作時(shí)，啟動(dòng)渦輪風(fēng)機(jī)4， 使工作氣體在流通回路中循環(huán)流動(dòng)；其中，P工作表示激光器可以開始 工作以及穩(wěn)定工作時(shí)的壓力值，且P工作大于P啟動(dòng)。
g、 啟動(dòng)渦輪風(fēng)機(jī)4后P實(shí)際將下降，當(dāng)P實(shí)際再次上升到P工作后， 或者當(dāng)P實(shí)際持續(xù)大于或等于P工作，啟動(dòng)高壓，高壓油箱開始工作， 此時(shí)諧振腔出光，大功率激光器開始工作；
h、 在運(yùn)行的過程中，PLC始終比較P實(shí)際和Px作，通過PLC控 制器結(jié)合PID差值運(yùn)算，控制主抽真空閥的IO打開和關(guān)閉，使P實(shí)際 和P工作盡可能一致，保證激光器的穩(wěn)定運(yùn)行。
為了對(duì)激光器的功率進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，本發(fā)明的控制方法還包括功 率傳感器14將激光功率轉(zhuǎn)換為0-10V模擬電壓信號(hào)，并輸入到PLC， PLC經(jīng)過處理后輸出大功率激光器的實(shí)際功率，PLC對(duì)該模擬電壓 信號(hào)的處理具體過程如下
i、 功率傳感器^^測(cè)諧振腔1中的激光器功率，并經(jīng)放大電路進(jìn) 行放大，輸入到PLC， PLC將多個(gè)(如30個(gè))掃描周期采集的模擬 電壓信號(hào)值進(jìn)行比較，去掉最大值和最小值，然后取余下的模擬電壓 信號(hào)的平均值作為最后的結(jié)果；
j、在PLC內(nèi)預(yù)置電壓值與功率值的分段對(duì)應(yīng)關(guān)系，PLC根據(jù)該 平均值和該分l爻對(duì)應(yīng)關(guān)系得到激光器運(yùn)行的功率值。
由于大功率激光器存在大量高頻、高壓干擾信號(hào)，使傳感器反饋
的信號(hào)容易產(chǎn)生波動(dòng)，所以需要PLC進(jìn)行去最大值和最小值處理，
并進(jìn)行多點(diǎn)平均運(yùn)算，這樣才達(dá)到更精確地檢測(cè)，為精確控制激光器 奠定基礎(chǔ)。
由于功率傳感器反饋的信號(hào)具有一定的非線性，為了使采集的數(shù) 據(jù)更符合實(shí)際值，本發(fā)明中采取分段處理的方法，根據(jù)不同段采用不
同的處理參數(shù)。參照?qǐng)D4，把輸入曲線分為5段，每段使用不同的斜 率k,使檢測(cè)值盡可能等于實(shí)際值。Kl由點(diǎn)A(O， 0), B(l.l, 1200) 決定，可得出Kl=l(^0.90。 K2由點(diǎn)B(1.1， 1200), C(4， 2600) 決定，可得出K2=482.76。 K3由點(diǎn)C (4, 2600), D (6.4， 3300)決 定，可得出K3=291.67。 K4由點(diǎn)D (6.4， 3300) ，E (8.7, 3700)決 定，可得出K4=173.91。 K5由點(diǎn)E(8.7， 3700), F ( 10, 4000)決 定，可得出K5=230.76,根據(jù)輸入信號(hào)的大小采用不同的K值進(jìn)行處 理，如輸入電壓平均值為5v，其位于4一6.4的區(qū)間，則采用K3進(jìn) 行處理，得到才企測(cè)的功率值為5*291.67=1458.35W。
綜上所述，本發(fā)明纟是供的大功率激光器的控制方法，能夠?qū)毫Α?功率等信號(hào)進(jìn)行有效處理，使^r測(cè)更精確，有利于對(duì)大功率激光器進(jìn) 行進(jìn)一步控制，該控制方法穩(wěn)定、安全，能夠根據(jù)要求進(jìn)行升級(jí)。
權(quán)利要求
1. 大功率激光器的控制方法，其特征在于，包括以下步驟:101、上電初始化；102、對(duì)氣體流通回路進(jìn)行抽真空操作；103、壓力傳感器檢測(cè)氣體流通回路中的壓力狀態(tài)輸出壓力模擬電壓信號(hào)到PLC中；104、PLC對(duì)接收到的壓力模擬電壓信號(hào)進(jìn)行至少3次周期掃描，相應(yīng)采集到至少3個(gè)壓力模擬電壓信號(hào)值，PLC將采集到的壓力模擬電壓信號(hào)值進(jìn)行比較，去掉其中的一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，并將余下的壓力模擬電壓信號(hào)值的平均值與預(yù)設(shè)的啟動(dòng)值進(jìn)行比較，若所述平均值小于或等于所述啟動(dòng)值，則PLC發(fā)出停止抽真空操作的控制信號(hào)和向氣體流通回路充入工作氣體的控制信號(hào)；105、在氣體流通回路充入工作氣體后，若所述平均值大于或等于預(yù)設(shè)的工作值，則PLC發(fā)出使氣體流通回路內(nèi)工作氣體循環(huán)流通的控制信號(hào)，之后，若所述平均值先小于所述預(yù)設(shè)的工作值再大于或等于預(yù)設(shè)的工作值，以及所述平均值持續(xù)大于或等于預(yù)設(shè)的工作值，則PLC發(fā)出激光器出光的控制信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率激光器的控制方法，其特征在 于，步驟105之后還包括以下步驟201、功率傳感器檢測(cè)激光器諧振腔的功率狀態(tài)，輸出的功率模 擬電壓信號(hào)經(jīng)放大電路進(jìn)行放大，并輸入到PLC中；202、 PLC對(duì)接收到的功率模擬電壓放大信號(hào)進(jìn)行至少3次周期 掃描，相應(yīng)采集到至少3個(gè)功率模擬電壓放大信號(hào)值，PLC將采集到 的功率模擬電壓放大信號(hào)值進(jìn)行比較，去掉其中的一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，并將余下的功率模擬電壓放大信號(hào)值的平均值作為功率檢測(cè) 結(jié)果；203、 PLC根據(jù)功率檢測(cè)結(jié)果和其內(nèi)預(yù)置的功率模擬電壓放大信 號(hào)值與功率值的分段對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到激光器運(yùn)行的功率值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大功率激光器的控制方法，其特 征在于步驟203中所述的分段對(duì)應(yīng)關(guān)系為N段電壓值分別以N個(gè)不 同系數(shù)對(duì)應(yīng)N段功率值，其中，N為大于等于2的整數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的大功率激光器的控制方法，其特征在 于所述N的值為5。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大功率激光器的控制方法，其特 征在于，步驟102具體為啟動(dòng)真空泵U3)，開啟主抽真空閥(IO)、 渦輪風(fēng)機(jī)齒輪箱抽真空閥(11)和渦輪風(fēng)機(jī)齒輪箱排氣閥(12)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大功率激光器的控制方法，其特 征在于，步驟103具體為壓力傳感器檢測(cè)氣體流通回路中的熱交換 器一 (2)和/或熱交換器二 (3)的壓力狀態(tài)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大功率激光器的控制方法，其特 征在于，步驟104中向,氣體流通回路充入工作氣體具體為打開C02 氣體閥一 (7 )、 He氣體閥二 ( 8 )和N2氣體閥三(9 ),開始向氣體 流通回路中的熱交換器一 (2)內(nèi)充入工作氣體。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大功率激光器的控制方法，其特 征在于，步驟105中使氣體流通回路內(nèi)工作氣體循環(huán)流通具體為啟 動(dòng)渦輪風(fēng)機(jī)(4)使工作氣體在熱交換器一 (2)、諧振腔(1)、熱交 換器二 (3)和渦輪風(fēng)機(jī)(4)組成的氣體流通回路內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大功率激光器的控制方法包括PLC檢測(cè)的壓力模擬電壓信號(hào)值進(jìn)行去最值處理，并將余下的壓力模擬電壓信號(hào)值的平均值與預(yù)設(shè)的啟動(dòng)值進(jìn)行比較，若所述平均值小于或等于所述啟動(dòng)值，則停止抽真空操作和向氣體流通回路充入工作氣體；在氣體流通回路充入工作氣體后，若所述平均值大于或等于預(yù)設(shè)的工作值，則使氣體流通回路內(nèi)工作氣體循環(huán)流通，之后，若所述平均值先小于所述預(yù)設(shè)的工作值再大于或等于預(yù)設(shè)的工作值，以及所述平均值持續(xù)大于或等于預(yù)設(shè)的工作值，則PLC發(fā)出激光器出光的控制信號(hào)。本發(fā)明能夠有效處理檢測(cè)信號(hào)以準(zhǔn)確反映激光器的真實(shí)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的精確控制。
文檔編號(hào)H01S3/00GK101377666SQ20071007671
公開日2009年3月4日 申請(qǐng)日期2007年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月28日
發(fā)明者彭金明, 方緒波, 建 李, 高云峰 申請(qǐng)人:深圳市大族激光科技股份有限公司