一種脈沖氙燈電源的控制電路和控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及氙燈泵浦激光器的電源領域，特別是一種脈沖氙燈電源的控制電路和控制方法。將電流反饋環(huán)設置在功率反饋環(huán)內，第一限幅器后，在功率模式時，功率反饋環(huán)輸出的電流可以通過后級的電流反饋環(huán)進行電流幅值限制，使最終輸出電流在保證功率恒定的情況下避免了電流過大影響氙燈的使用壽命，甚至損壞氙燈。此外，通過插值法將所需的電流波形按較小的時間間隔等間隔輸出，實現(xiàn)控制信號的線性可調，使控制信號能夠適應功率緩慢上升或不同階段功率上升速度不同的場合，提高了焊接質量。
【專利說明】一種脈沖氙燈電源的控制電路和控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及氙燈泵浦激光器的電源領域，特別是一種脈沖氙燈電源的控制電路和控制方法。
【背景技術】
[0002]以氙燈做為固體激光器的泵浦源已經(jīng)是一種非常常見的方法，在激光行業(yè)中應用越來越多，同樣，對電源的要求也越來越多，大多數(shù)的控制方法如圖1所示:此方法有兩個反饋環(huán)路即功率反饋環(huán)路I和電流反饋環(huán)路2，它們分別工作。當工作于電流模式時，單刀雙擲開關4的公共端與第一 PID控制模塊7連接，控制信號3和電流傳感器20輸出的經(jīng)放大和濾波處理后的信號在第一減法器5中做減法運算，輸出信號進入第一 PID控制模塊7，進行PID運算，經(jīng)限幅器9后輸出給脈沖調制模塊16，脈沖調制模塊16輸出脈沖調制信號，經(jīng)脈寬電壓轉換模塊17輸出電流，電光轉換器18中有電流流過，則發(fā)射出激光；當工作于功率模式時，單刀雙擲開關4的公共端與第二 PID控制模塊8相連，控制信號3和光電傳感器19輸出的經(jīng)放大和濾波處理后的信號在第二減法器6中做減法運算，輸出信號進入第二PID控制模塊8，進行PID運算，經(jīng)限幅器9后，輸出給脈沖調制模塊16，脈沖調制模塊16輸出脈沖調制信號，經(jīng)脈寬電壓轉換模塊17輸出電流，電光轉換器18中有電流流過，則發(fā)射出激光。
[0003]此方法有如下缺點:使用恒功率控制時，由于氙燈中電弧的振動或發(fā)光效率降低，注入激光晶體中的能量不穩(wěn)定，由于無電流反饋，如果某一時刻氙燈的電弧偏離焦點較遠，氙燈注入激光晶體中的能量特別小，激光電源需要加大電壓的輸出來提高電流，限幅器只能限制最大脈沖寬度，并不能限制最大電流，如果電流特別大的話，將會大大減少氙燈的使用壽命，甚至損壞氙燈。此外，傳統(tǒng)方法的控制信號為脈沖式信號，不能根據(jù)焊接過程實時調節(jié)，對于需要功率緩慢上升或不同階段功率上升速度不同的場合并不適用，影響焊接質量。
【發(fā)明內容】
[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種脈沖氙燈電源的控制方法和控制電路。它能夠在功率模式下限定電流的幅值，使輸出的最大電流不會超出氙燈的正常使用范圍，延長了氙燈的使用壽命，避免了氙燈損壞，而控制信號為線性可調信號，滿足需要功率緩慢上升或不同階段功率上升速度不同的場合，提高了焊接質量。
[0005]對于本發(fā)明的一種脈沖氙燈電源的控制電路，上述技術問題是這樣解決的:
[0006]包括輸入控制信號和功率反饋環(huán)路，所述的功率反饋環(huán)路包括依次連接的第一減法器、第一 PID控制模塊、第一限幅器、脈沖調制模塊、脈寬電壓轉換模塊、電光轉換器、光電傳感器、第一信號放大器和第一濾波器，所述的第一濾波器輸出端和控制信號輸出端均與第一減法器連接，其特征在于:在功率反饋環(huán)路的第一限幅器輸出端與脈沖調制模塊之間依次連接有第二減法器、第二 PID控制模塊和第二限幅器，所述的脈寬電壓轉換模塊與第二減法器之間依次連接有電流傳感器、第二信號放大器和第二濾波器，所述的第二減法器、第二 PID控制模塊、第二限幅器、脈沖調制模塊、脈寬電壓轉換模塊、電流傳感器、第二信號放大器和第二濾波器共同形成一個設置在功率反饋環(huán)路內部的電流反饋環(huán)路。
[0007]進一步的，在第一限幅器與第二減法器之間設置有一個單刀雙擲開關，所述單刀雙擲開關的固定端與第二減法器連接，所述單刀雙擲開關的公共端包括輸入控制信號輸出端和第一限幅器輸出端兩個連接節(jié)點。
[0008]進一步的，當控制電路工作于電流模式時，所述單刀雙擲開關的公共端與輸入控制信號輸出端連接；
[0009]當控制電路工作于功率模式時，所述單刀雙擲開關的公共端與第一限幅器輸出端連接。
[0010]進一步的，所述的第一濾波器與第一減法器之間連接有第一 ADC模數(shù)轉換器。
[0011]進一步的，所述的第二濾波器與第二減法器之間連接有第二 ADC模數(shù)轉換器。
[0012]對于本發(fā)明的一種脈沖氙燈電源的控制方法，上述技術問題是這樣解決的:
[0013]將電流反饋環(huán)路設置在功率反饋環(huán)路內，并連接在第一限幅器的輸出端，功率模式下，功率反饋環(huán)路計算出維持恒定功率所需電流并從第一限幅器輸出端輸出，然后通過后端的電流反饋環(huán)路對電流的幅值進行限定，使得最終輸出電流在保持輸出功率恒定的情況下不超出正常使用范圍。
[0014]進一步的，所述功率反饋環(huán)路和電流反饋環(huán)路的輸入控制信號為多段線性可調信號。
[0015]進一步的，所述輸入控制信號輸出波形的計算方法為:
[0016]a、根據(jù)焊接不同時刻對電流值需求的大小確定由不同時刻電流值組成的第一數(shù)組；
[0017]b、在第一數(shù)組的相鄰兩點內以T為取值時間間隔均勻取η個時間點，根據(jù)插值法計算出η個時間點每相鄰兩點的電流間隔ΛΙ，ΛΙ的計算公式為:ΛΙ= (I2-11)/[ (^t1) /Τ]，其中I2和I1為第一數(shù)組中相鄰兩個點的電流值，t2和&為這兩個點對應的時間；
[0018]C、根據(jù)電流間隔Λ I計算出η個時間點各自對應的電流值，形成新的數(shù)據(jù)組，即第二數(shù)組。
[0019]進一步的，所述輸入控制信號波形的輸出過程為:
[0020]a、對第一 ADC模數(shù)轉換器(21)、第二 ADC模數(shù)轉換器和脈沖調制模塊進行初始化；
[0021]b、從存儲器中讀取所述第一數(shù)組，根據(jù)所述第一數(shù)組計算出所述第二數(shù)組并存儲；
[0022]C、打開定時器和定時器中斷，將定時器的中斷時間設置為T，循環(huán)等待flag標志位被置位；
[0023]d、flag標志位每次置位則輸出第二數(shù)組對應的一個數(shù)值，定時器的計數(shù)值加I ;
[0024]e、定時器的計數(shù)值達到控制信號的脈寬時間時，flag標志位置I同時關閉定時器，計數(shù)值清零，第二數(shù)組數(shù)值停止輸出。
[0025]本發(fā)明的有益效果是:將電流反饋環(huán)設置在功率反饋環(huán)內，第一限幅器后，在功率模式時，功率反饋環(huán)輸出的電流可以通過后級的電流反饋環(huán)進行電流幅值限制，使最終輸出電流在保證功率恒定的情況下避免了電流過大影響氙燈的使用壽命，甚至損壞氙燈。此夕卜，通過插值法將所需的電流波形按較小的時間間隔等間隔輸出，實現(xiàn)輸入控制信號的線性可調，使輸入控制信號能夠適應功率緩慢上升或不同階段功率上升速度不同的場合，提高了焊接質量，在輸入控制信號觸發(fā)輸出前第二數(shù)組提前計算好，節(jié)省了在定時中斷中執(zhí)行的時間，保證每次中斷不會相互影響，減小了程序出錯幾率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為傳統(tǒng)氙燈電源控制電路模塊圖；
[0027]圖2為本發(fā)明氙燈電源控制電路模塊圖；
[0028]圖3為本發(fā)明電路原理圖；
[0029]圖4為第一數(shù)組波形圖；
[0030]圖5為輸入控制信號輸出流程圖；
[0031]圖6為本發(fā)明定時器運算流程圖；
[0032]圖中:1一功率反饋環(huán)路,2—電流反饋環(huán)路，3—輸入控制信號，4一單刀雙擲開關，5一第一減法器，6一第二減法器，7一第一 PID控制模塊，8一第二 PID控制模塊，9一限幅器，10—第一限幅器，11 一第二限幅器，12—第一濾波器，13—第二濾波器，14 一第一信號放大器,15一第二信號放大器,16一脈沖調制模塊,17一脈寬電壓轉換模塊,18一電光轉換器，
19一光電傳感器，20—電流傳感器，21—第一 ADC模數(shù)轉換器，22—第二 ADC模數(shù)轉換器。
【具體實施方式】
[0033]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0034]1、如圖2所示為本發(fā)明控制電路的模塊連接圖，該控制電路包括包括輸入控制信號3和功率反饋環(huán)路1，功率反饋環(huán)路I包括依次連接的第一減法器5、第一 PID控制模塊7、第一限幅器10、脈沖調制模塊16、脈寬電壓轉換模塊17、電光轉換器18、光電傳感器19、第一信號放大器14和第一濾波器12,第一濾波器12輸出端和輸入控制信號3輸出端均與第一減法器5連接。在功率反饋環(huán)路I的第一限幅器10輸出端與脈沖調制模塊16之間依次連接有第二減法器6、第二 PID控制模塊8和第二限幅器11，脈寬電壓轉換模塊17與第二減法器6之間依次連接有電流傳感器20、第二信號放大器15和第二濾波器13，第二減法器6、第二 PID控制模塊8、第二限幅器11、脈沖調制模塊16、脈寬電壓轉換模塊17、電流傳感器20、第二信號放大器15和第二濾波器13共同形成一個設置在功率反饋環(huán)路I內部的電流反饋環(huán)路2。在第一限幅器10與第二減法器6之間設置有一個單刀雙擲開關4，單刀雙擲開關4的固定端與第二減法器6連接，單刀雙擲開關4的公共端包括輸入控制信號3輸出端和第一限幅器10輸出端兩個連接節(jié)點?？刂齐娐饭ぷ髟陔娏髂Ｊ綍r，單刀雙擲開關4的公共端與輸入控制信號3的輸出端連接，控制電路工作在功率模式時，單刀雙擲開關4的公共端與第一限幅器10的輸出端連接。其中，在PID控制模塊為數(shù)字PID控制模塊時，還需要在第一減法器5與第一濾波器13之間接入第一 ADC模數(shù)轉換器21，在第二減法器6與第二濾波器14之間接入第二 ADC模數(shù)轉換器22。
[0035]該電路的控制方法是通過該電路實現(xiàn)的。根據(jù)焊接的需要，通過調節(jié)單刀雙擲開關4的公共端，既可以自動選擇該控制電路的工作模式。如圖3所示為該控制電路的電路原理圖，結合圖2和圖3可以看出:工作于電流模式時，將單刀雙擲開關4的公共端與控制信號3的輸出端之間連接，此時沒有功率反饋，輸入控制信號3和電流傳感器20經(jīng)放大和濾波處理后的電流反饋信號輸入到第二減法器6中。第二減法器6將輸入控制信號3與電流反饋信號的差值輸入到第二 PID控制模塊8中，經(jīng)過第二 PID控制模塊8的PID運算后，分配大小合適的電流輸入到第二限幅器11進行電流幅值限定，然后輸入到脈沖調制模塊16中,脈沖調制模塊16輸出脈沖調制信號給脈寬電壓轉換模塊17,最后輸出恒定電流給電光轉換器18，電能轉換成光能發(fā)出激光。工作與功率模式時，將單刀雙擲開關4的公共端與第一限幅器10的輸出端連接。此時有功率信號反饋，控制信號3和光電傳感器19經(jīng)放大和濾波處理后的功率反饋信號輸入到第一減法器5中。第一減法器5將輸入控制信號3與功率反饋信號的差值輸入到第一 PID控制模塊7，第一 PID控制模塊7計算出維持恒定功率所需的電流并輸出該電流到第一限幅器10內，進行功率幅值限定，幅值限定后電流輸入到電流反饋環(huán)路2中。電流反饋環(huán)路2的第二限幅器11限制該電流的幅值后，輸出大小合適的電流到脈沖調制模塊16中，脈沖調制模塊16輸出脈沖調制信號給脈寬電壓轉換模塊17，最后輸出維持恒定功率所需而大小又被限定，不會影響氙燈正常使用的電流給電光轉換器18，電能轉換成光能發(fā)出激光。這樣在功率模式時，輸出的電流因為電流反饋環(huán)路2的電流反饋作用，其幅值能夠得到限定，使該控制電路不論工作在電流模式還是功率模式，其電流均能夠得到有效的控制，防止了電流過大或電流突變導致的氙燈損壞或壽命減少。
[0036]為了滿足一些需要功率緩慢上升或者在不同焊接階段功率上升速率不同的場合，在該控制電路中，輸入控制信號3不是傳統(tǒng)的脈沖式信號，而是16段線性可調信號。該16段線性可調信號的產(chǎn)生過程如下:
[0037]如圖4所示為根據(jù)焊接需要手動輸入的幾個時間點電流數(shù)值按順序連接形成的波形。如圖中a點對應的時間和電流分別為:2ms，150A ；b點對應的時間和電流分別為:
6ms, 150A......依次將a— p這幾個點連接起來既形成了圖4的波形，而圖中各個時間點的電流組成的數(shù)組即為第一數(shù)組。完成第一數(shù)組的輸入后，根據(jù)插值計算的方式計算出另一數(shù)組，即為第二數(shù)組。第二數(shù)組為在第一數(shù)組相鄰兩數(shù)值間以T為時間間隔所取的η個時間點對應電流組成的數(shù)據(jù)組。第二數(shù)組η個時間點每兩個點之間的電流間隔ΛI的計算公式為:ΛΙ = (I2-11)ZT (^t1VT],其中I2和I1為第一數(shù)組中兩個點的電流值，Vt1為這兩個點的時間間隔。本發(fā)明實施例中第二數(shù)組時間間隔T取值為50us，e點和f點之間間隔為1ms，按50us取一個點，則有l(wèi)ms/50us-l = 19個點，每個點之間的電流間隔為(175-250)/20 = -3.75A,則 e 點與 f 點之間的點為 250-3.75 = 246.25,246.25-3.75 =242.5,242.5-3.75 = 238.75，……,178.75-3.75 = 175，根據(jù)第二數(shù)組各個點的時間間隔和電流間隔計算出每個點的電流值，從而得出第二數(shù)組。
[0038]如圖5所示為16段線性可調輸入控制信號的輸出流程圖:首先，開機時進行初始化，初始化ADC模數(shù)轉換器，脈沖調制模塊等外圍設備，然后從存儲器中讀出波形數(shù)組即第一數(shù)組，根據(jù)第一數(shù)組計算出第二數(shù)組，然后檢測第一數(shù)組是否改變，如果改變了，則將改變后的第一數(shù)組存入存儲器中，然后計算出第二數(shù)組，如果第一數(shù)組沒有改變，則檢查是否觸發(fā)電流輸出，沒有觸發(fā)則進入循環(huán)檢測，如果觸發(fā)，則打定定時器及定時器中斷，設置為50us產(chǎn)生一次中斷。如圖6所示為定時器內的控制流程圖。進入循環(huán)等待flag被置位，定時器中斷產(chǎn)生后，進入中斷處理函數(shù)中，首先檢查標志位，如果被置位則計算上一次觸發(fā)時采集的電流值與功率值，再次觸發(fā)DMA采樣，然后檢查輸出模式，如果是功率模式，則進行功率PID運算，然后再進行電流PID運算，輸出脈沖調制信號，計數(shù)值加1，如果計數(shù)大于脈寬時間，則關閉定時器，關閉脈沖調制信號輸出，flag置1，計數(shù)值清O，退出定時器，如果計數(shù)不大于輸出電流的設定時間，則直接退出定時器中斷函數(shù)，等待下一次中斷。由于定時中斷是50us產(chǎn)生一次，所以中斷中的程序應盡量短的時間內完成，以免在下一次中斷產(chǎn)生時，本次的中斷程序還沒有執(zhí)行完，這樣會造成程序出錯，電流控制可能不穩(wěn)定，減小氙燈的壽命，甚至燒毀氙燈，而且會使激光器輸出的功率不穩(wěn)定。此外，如果將計算第二數(shù)組的程序在中斷程序中執(zhí)行，則要使用速度更快的處理器，以縮短程序執(zhí)行的時間，這樣會增加本設備的成本，而且處理器的速度是有一定限制，并不是無限增強的，這樣也會增加處理器選型的難度，甚至找不到合適的處理器。因此，本程序在觸發(fā)輸出之前就計算出第二數(shù)組，在中斷輸出時，直接調用第二數(shù)組中的數(shù)據(jù)能節(jié)省定時中斷中執(zhí)行的時間，避免上述問題，根據(jù)需要輸出線性的可調控制信號。
[0039]應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍。
【權利要求】
1.一種脈沖氙燈電源的控制電路，包括輸入控制信號⑶和功率反饋環(huán)路(1)，所述的功率反饋環(huán)路(I)包括依次連接的第一減法器(5)、第一 PID控制模塊(7)、第一限幅器(10)、脈沖調制模塊(16)、脈寬電壓轉換模塊(17)、電光轉換器(18)、光電傳感器(19)、第一信號放大器(14)和第一濾波器(12),所述的第一濾波器(12)輸出端和輸入控制信號(3)輸出端均與第一減法器(5)連接，其特征在于:在功率反饋環(huán)路(I)的第一限幅器(10)輸出端與脈沖調制模塊(16)之間依次連接有第二減法器￠)、第二 PID控制模塊(8)和第二限幅器(11)，所述的脈寬電壓轉換模塊(17)與第二減法器(6)之間依次連接有電流傳感器(20)、第二信號放大器(15)和第二濾波器(13)，所述的第二減法器￠)、第二 PID控制模塊(8)、第二限幅器(11)、脈沖調制模塊(16)、脈寬電壓轉換模塊(17)、電流傳感器(20)、第二信號放大器(15)和第二濾波器(13)共同形成一個設置在功率反饋環(huán)路(I)內部的電流反饋環(huán)路(2)。
2.如權利要求1所述的一種脈沖氙燈電源的控制電路，其特征在于:在第一限幅器(10)與第二減法器(6)之間設置有一個單刀雙擲開關(4)，所述單刀雙擲開關(4)的固定端與第二減法器(6)連接，所述單刀雙擲開關(4)的公共端包括控制信號(3)輸出端和第一限幅器(10)輸出端兩個連接節(jié)點。
3.如權利要求2所述的一種脈沖氙燈電源的控制電路，其特征在于:當控制電路工作于電流模式時，所述單刀雙擲開關(4)的公共端與輸入控制信號(3)輸出端連接； 當控制電路工作于功率模式時，所述單刀雙擲開關(4)的公共端與第一限幅器(10)輸出端連接。
4.如權利要求1所述的一種脈沖氙燈電源的控制電路，其特征在于:所述的第一濾波器(12)與第一減法器(5)之間連接有第一 ADC模數(shù)轉換器(21)。
5.如權利要求1所述的一種脈沖氙燈電源的控制電路，其特征在于:所述的第二濾波器(13)與第二減法器(6)之間連接有第二 ADC模數(shù)轉換器(22)。
6.如權利要求1所述的一種脈沖氙燈電源控制電路的控制方法，其特征在于:將電流反饋環(huán)路(2)設置在功率反饋環(huán)路(I)內，并連接在第一限幅器(10)的輸出端，功率模式下，功率反饋環(huán)路(I)計算出維持恒定功率所需電流并從第一限幅器(10)輸出端輸出，然后通過后端的電流反饋環(huán)路(2)對電流的幅值進行限定，使得最終輸出電流在保持輸出功率恒定的情況下不超出正常使用范圍。
7.如權利要求6所述的一種脈沖氙燈電源控制電路的控制方法，其特征在于:所述功率反饋環(huán)路(I)和電流反饋環(huán)路(2)的輸入控制信號(3)為多段線性可調信號。
8.如權利要求7所述的一種脈沖氙燈電源控制電路的控制方法，其特征在于:所述輸入控制信號(3)輸出波形的計算方法為: a、根據(jù)焊接不同時刻對電流值需求的大小確定由不同時刻電流值組成的第一數(shù)組； b、在第一數(shù)組的相鄰兩點內以T為取值時間間隔均勻取η個時間點，根據(jù)插值法計算出η個時間點每相鄰兩點的電流間隔Λ I，Λ I的計算公式為:ΛΙ = (I2-11)/[ (Vt1)/Τ],其中I2和I1為第一數(shù)組中相鄰兩個點的電流值，t2和&為這兩個點對應的時間； C、根據(jù)電流間隔△ I計算出η個時間點各自對應的電流值，形成新的數(shù)據(jù)組，即第二數(shù)組。
9.如權利要求8所述的一種脈沖氙燈電源控制電路的控制方法，其特征在于，所述輸入控制信號(3)波形的輸出過程為: a、對第一ADC模數(shù)轉換器(21)、第二 ADC模數(shù)轉換器(21)和脈沖調制模塊(16)進行初始化； b、從存儲器中讀取所述第一數(shù)組，根據(jù)所述第一數(shù)組計算出所述第二數(shù)組并存儲； C、打開定時器和定時器中斷，將定時器的中斷時間設置為T，循環(huán)等待flag標志位被置位；d、flag標志位每次置位則輸出第二數(shù)組對應的一個數(shù)值，定時器的計數(shù)值加I; e、定時器的計數(shù)值達到輸入控制信號(3)的脈寬時間時，flag標志位置I同時關閉定時器，計數(shù)值清零，第二數(shù)組數(shù)值停止輸出。
【文檔編號】H05B41/14GK104333964SQ201410555249
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月17日 優(yōu)先權日:2014年10月17日
【發(fā)明者】賀云杰, 林卿, 王 鋒 申請人:武漢凌云光電科技有限責任公司