CN101377666B - 大功率激光器的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大功率激光器的控制方法包括：PLC检测的压力模拟电压信号值进行去最值处理，并将余下的压力模拟电压信号值的平均值与预设的启动值进行比较，若所述平均值小于或等于所述启动值，则停止抽真空操作和向气体流通回路充入工作气体；在气体流通回路充入工作气体后，若所述平均值大于或等于预设的工作值，则使气体流通回路内工作气体循环流通，之后，若所述平均值先小于所述预设的工作值再大于或等于预设的工作值，以及所述平均值持续大于或等于预设的工作值，则PLC发出激光器出光的控制信号。本发明能够有效处理检测信号以准确反映激光器的真实状态，实现对激光器的精确控制。
Description
【技术领域】
本发明涉及大功率激光器的控制方法，尤其涉及利用可编程控制器对大功率激光器进行控制的方法。
【背景技术】
目前大部分大功率激光器都采用单片机进行控制，一方面，由于大功率激光器存在高频、高压电源等干扰源，单片机很容易受到这些干扰源的干扰，使采集的数据、信号不准确，容易产生误动作，从而影响生产，损坏大功率激光器，甚至发生安全事故等。另一方面，采用单片机进行控制，其修改、升级性差，当需要完善、增加一些功能时需要的时间过长，工作量大。为了使大功率激光器的控制更为可靠，采用了可编程控制器代替了单片机，实现了控制功能，可编程控制器(PLC)是目前工业领域使用非常广泛的一种控制元器件，具有抗干扰性强，性能稳定的特点，这些特点能够大大降低干扰源对大功率激光器的干扰程度，使大功率激光器的性能得到提高，但是要实现对大功率激光器的精确控制，除了要求有性能稳定的PLC以外，还需要对激光器当前状态进行有效检测，以及利用PLC对检测信号进行相应处理使检测结果尽可能反映激光器的真实状态，这样才能针对激光器当前的状态采取相应的操作，从而完成对激光器的有效控制。在现有技术中，由于在对检测信号的处理上，未采取有效的处理方法，导致采集的数据、信号虽然准确，但却不能有效反映激光器的真实状态，从而在激光器的控制上产生误动作，影响大功率激光器的稳定性，严重时会损坏大功率激光器。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是提供一种大功率激光器的控制方法，能够有效处理检测信号以准确反映激光器的真实状态，实现对激光器的精确控制。
本发明所采用的技术方案是：
大功率激光器的控制方法，包括以下步骤：
101、上电初始化；
102、对气体流通回路进行抽真空操作；
103、压力传感器检测气体流通回路中的压力状态输出压力模拟电压信号到PLC中；
104、PLC对接收到的压力模拟电压信号进行至少3次周期扫描，相应采集到至少3个压力模拟电压信号值，PLC将采集到的压力模拟电压信号值进行比较，去掉其中的一个最大值和一个最小值，并将余下的压力模拟电压信号值的平均值与预设的启动值进行比较，若所述平均值小于或等于所述启动值，则PLC发出停止抽真空操作的控制信号和向气体流通回路充入工作气体的控制信号；
105、在气体流通回路充入工作气体后，若所述平均值大于或等于预设的工作值，则PLC发出使气体流通回路内工作气体循环流通的控制信号，之后，若所述平均值先小于所述预设的工作值再大于或等于预设的工作值，以及所述平均值持续大于或等于预设的工作值，则PLC发出激光器出光的控制信号。
步骤105之后还包括以下步骤：
201、功率传感器检测激光器谐振腔的功率状态，输出的功率模拟电压信号经放大电路进行放大，并输入到PLC中；
202、PLC对接收到的功率模拟电压放大信号进行至少3次周期扫描，相应采集到至少3个功率模拟电压放大信号值，PLC将采集到的功率模拟电压放大信号值进行比较，去掉其中的一个最大值和一个最小值，并将余下的功率模拟电压放大信号值的平均值作为功率检测结果；
203、PLC根据功率检测结果和其内预置的功率模拟电压放大信号值与功率值的分段对应关系，得到激光器运行的功率值。
步骤203中所述的分段对应关系为N段电压值分别以N个不同系数对应N段功率值，其中，N为大于等于2的整数。
所述的大功率激光器的控制方法，所述N的值为5。
步骤102具体为：启动真空泵，开启主抽真空阀、涡轮风机齿轮箱抽真空阀和涡轮风机齿轮箱排气阀。
步骤103具体为：压力传感器检测气体流通回路中的热交换器一和/或热交换器二的压力状态。
步骤104中向气体流通回路充入工作气体具体为：打开CO2气体阀一、He气体阀二和N2气体阀三，开始向气体流通回路中的热交换器一内充入工作气体。
步骤105中使气体流通回路内工作气体循环流通具体为：启动涡轮风机使工作气体在热交换器一、谐振腔、热交换器二和涡轮风机组成的气体流通回路内循环流动。
本发明的有益效果是：
本发明的实施例通过检测热交换器内的压力，并由PLC对多个压力检测电压信号进行去最值处理，然后取电压平均值转换为对应的压力值作为输出值，真实地反映出热交换器内的压力状态；鉴于功率传感器检测的信号具有一定的非线性，本发明中将功率值与电压值进行分段对应，在对谐振腔进行功率检测时，由PLC对多个的功率检测电压信号进行去最值处理，然后取电压平均值，并根据该电压平均值所在区间对应的斜率和该电压平均值得到激光器的功率值，真实地反映出激光器的输出功率状态；基于上述对激光器的压力、功率等参数进行有效处理，实现了对激光器的精确控制。
【附图说明】
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。
图1是本发明控制方法下的一种激光器原理图。
图2是本发明中功率信号的放大电路图。
图3是本发明控制方法的流程图。
图4是本发明中功率检测电压值与激光器功率值的分段对应示意图。
【具体实施方式】
本发明控制方法下的一种激光器原理图如图1所示，大功率激光器包括谐振腔1、热交换器一2、热交换器二3、涡轮风机4、压力传感器5、功率传感器14以及气体控制单元，在谐振腔1内装有功率传感器14，激光功率经过放大后输入到PLC进行处理，在热交换器二3上装有压力传感器5，用于检测热交换器二3内气体的压力，把检测信号输入到PLC进行处理，这里，压力传感器5的位置也可以装在热交换器一2内，其效果都是一致的，热交换器一2、谐振腔1、热交换器二3和涡轮风机4组成气体流通回路，气体可以在热交换器一2、谐振腔1、热交换器二3和涡轮风机4内循环流动；气体控制单元包括真空泵13、主抽真空阀10、涡轮风机齿轮箱抽真空阀11、涡轮风机齿轮箱排气阀12、CO2气体阀一7、He气体阀二8、N2气体阀三9和充氮气阀6，其中，CO2气体阀一7、He气体阀二8、N2气体阀三9和充氮气阀6都分别与热交换器一2相连，用于向热交换器一2内充入相应的气体，N2气体阀三9和充氮气阀6所充入的气体都是氮气，两者在不同的情况下使用，当氮气作为工作气体时，使用N2气体阀三9充入气体，当激光器停止工作时，为了保证气体流通回路内的压强与激光器外部大气压强一致，保护谐振腔，而使用充氮气阀6充入气体，当然两者也可以合为一个气阀，需要对相应的操作进行适应性变化即可；主抽真空阀10用于排放热交换器一2内的气体，涡轮风机齿轮箱抽真空阀11和涡轮风机齿轮箱排气阀12都用于排放涡轮风机4齿轮箱内的气体，这两个排气阀使用的情况也不一样，当需要通过真空泵13抽真空时，需要开启涡轮风机齿轮箱抽真空阀11，其流量口径较大，易于快速完成操作，而当需要排出涡轮风机齿轮箱内多余的气体时，需要使用口径较小的涡轮风机齿轮箱排气阀12来完成，当然两者也可以合为一个气阀，需要对相应的操作进行适应性变化即可。
由于功率传感器的信号很小，所以需要经过2级放大电路进行放大，这样才有利于功率检测信号被PLC进行有效处理。参照图2，用AD公司的高精密放大器OP07构成模拟信号放大电路，OP07具有低输入偏移电压(10uV)、低漂移电压(0.2uV/℃)和宽范围的供电电压(±3V-±18V)，可以很好地满足产品的要求。在这里OP07由±12V供电，可以通过调整电阻RP7，RP8，RP9的阻值来改变放大电路的放大陪数，使功率等于4000W时，放大电路的输出为10V。
下面结合图3所示的流程图对本发明的控制方法进行具体描述：
a、上电后初始化，各输出部分恢复为原始状态；
b、启动低压，真空泵13开始工作，主抽真空阀10、涡轮风机齿轮箱抽真空阀11、涡轮风机齿轮箱排气阀12都开启；
c、检测气体的压力，压力传感器5通过热交换器二3对气体流通回路内的压力状况进行检测，将气体压力转换为0-10V的模拟电压信号，在一定的扫描周期(如30个)内的多个(如30个)模拟电压信号输入到PLC，PLC对这些模拟电压信号进行比较，去掉当中的最大值和最小值，然后进行多点平均运算，即取余下的模拟电压信号的平均值作为当前压力传感器的检测结果，最后把该平均值转换为对应的实际气压P实际；
d、PLC将检测到的气体压力P实际与在PLC内预备设置的启动气压P启动相比较(P启动表示需要回充工作气体的预设压力值)，当P实际小于P启动时，关闭主抽真空阀10和涡轮风机齿轮箱抽真空阀12，并打开CO2气体阀一7、He气体阀二8和N2气体阀三9，开始向热交换器一2内充入工作气体；
f、PLC继续将检测到的气体压力P实际与在PLC内预备设置的工作气压P工作相比较，当P实际大于或等于P工作时，启动涡轮风机4，使工作气体在流通回路中循环流动；其中，P工作表示激光器可以开始工作以及稳定工作时的压力值，且P工作大于P启动。
g、启动涡轮风机4后P实际将下降，当P实际再次上升到P工作后，或者当P实际持续大于或等于P工作，启动高压，高压油箱开始工作，此时谐振腔出光，大功率激光器开始工作；
h、在运行的过程中，PLC始终比较P实际和P工作，通过PLC控制器结合PID差值运算，控制主抽真空阀的10打开和关闭，使P实际和P工作尽可能一致，保证激光器的稳定运行。
为了对激光器的功率进行实时检测，本发明的控制方法还包括功率传感器14将激光功率转换为0-10V模拟电压信号，并输入到PLC，PLC经过处理后输出大功率激光器的实际功率，PLC对该模拟电压信号的处理具体过程如下：
i、功率传感器检测谐振腔1中的激光器功率，并经放大电路进行放大，输入到PLC，PLC将多个(如30个)扫描周期采集的模拟电压信号值进行比较，去掉最大值和最小值，然后取余下的模拟电压信号的平均值作为最后的结果；
j、在PLC内预置电压值与功率值的分段对应关系，PLC根据该平均值和该分段对应关系得到激光器运行的功率值。
由于大功率激光器存在大量高频、高压干扰信号，使传感器反馈的信号容易产生波动，所以需要PLC进行去最大值和最小值处理，并进行多点平均运算，这样才达到更精确地检测，为精确控制激光器奠定基础。
由于功率传感器反馈的信号具有一定的非线性，为了使采集的数据更符合实际值，本发明中采取分段处理的方法，根据不同段采用不同的处理参数。参照图4，把输入曲线分为5段，每段使用不同的斜率k，使检测值尽可能等于实际值。K1由点A(0，0)，B(1.1，1200)决定，可得出K1＝1090.90。K2由点B(1.1，1200)，C(4，2600)决定，可得出K2＝482.76。K3由点C(4，2600)，D(6.4，3300)决定，可得出K3＝291.67。K4由点D(6.4，3300)，E(8.7，3700)决定，可得出K4＝173.91。K5由点E(8.7，3700)，F(10，4000)决定，可得出K5＝230.76，根据输入信号的大小采用不同的K值进行处理，如输入电压平均值为5v，其位于4—6.4的区间，则采用K3进行处理，得到检测的功率值为5*291.67＝1458.35W。
综上所述，本发明提供的大功率激光器的控制方法，能够对压力、功率等信号进行有效处理，使检测更精确，有利于对大功率激光器进行进一步控制，该控制方法稳定、安全，能够根据要求进行升级。
Claims (3)
1.大功率激光器的控制方法，其特征在于，大功率激光器包括谐振腔(1)、热交换器一(2)、热交换器二(3)、涡轮风机(4)、压力传感器(5)、功率传感器(14)以及气体控制单元；在谐振腔1内装有功率传感器(14)，在热交换器二(3)上装有压力传感器(5)，其中，热交换器一(2)、谐振腔(1)、热交换器二(3)和涡轮风机(4)组成气体流通回路；气体控制单元包括真空泵(13)、主抽真空阀(10)、涡轮风机齿轮箱抽真空阀(11)、涡轮风机齿轮箱排气阀(12)、CO2气体阀一(7)、He气体阀二(8)、N2气体阀三(9)和充氮气阀(6)，CO2气体阀一(7)、He气体阀二(8)、N2气体阀三(9)和充氮气阀(6)都分别与热交换器一(2)相连，包括以下步骤：
101、上电初始化，各输出部分恢复为原始状态；
102、对气体流通回路进行抽真空操作，具体步骤为：启动真空泵(13)开始工作，主抽真空阀(10)、涡轮风机齿轮箱抽真空阀(11)、涡轮风机齿轮箱排气阀(12)都开启；
103、压力传感器通过热交换器二(3)检测气体流通回路中的压力状态输出压力模拟电压信号到PLC中，压力传感器检测气体流通回路中的热交换器一(2)和/或热交换器二(3)的压力状态；
104、PLC对接收到的压力模拟电压信号进行至少3次周期扫描，相应采集到至少3个压力模拟电压信号值，PLC将采集到的压力模拟电压信号值进行比较，去掉其中的一个最大值和一个最小值，然后进行多点平均运算，即取余下的模拟电压信号的平均值作为当前压力传感器的检测结果，并将余下的压力模拟电压信号值的平均值与需要回充工作气体预设的启动值进行比较，若所述平均值小于或等于所述启动值，则PLC发出停止抽真空操作的控制信号和向气体流通回路充入工作气体的控制信号，向气体流通回路充入工作气体具体为：打开CO2气体阀一(7)、He气体阀二(8)和N2气体阀三(9)，开始向气体流通回路中的热交换器一(2)内充入工作气体；
105、在气体流通回路充入工作气体后，若所述平均值大于或等于预设的工作值，则PLC发出使气体流通回路内工作气体循环流通的控制信号，之后，若所述平均值先小于所述预设的工作值再大于或等于预设的工作值，以及所述平均值持续大于或等于预设的工作值，则PLC发出激光器出光的控制信号，使气体流通回路内工作气体循环流通具体为：启动涡轮风机(4)使工作气体在热交换器一(2)、谐振腔(1)、热交换器二(3)和涡轮风机(4)组成的气体流通回路内循环流动；
106、功率传感器检测激光器谐振腔的功率状态，输出的功率模拟电压信号经放大电路进行放大，并输入到PLC中；
107、PLC对接收到的功率模拟电压放大信号进行至少3次周期扫描，相应采集到至少3个功率模拟电压放大信号值，PLC将采集到的功率模拟电压放大信号值进行比较，去掉其中的一个最大值和一个最小值，并将余下的功率模拟电压放大信号值的平均值作为功率检测结果；
108、PLC根据功率检测结果和其内预置的功率模拟电压放大信号值与功率值的分段对应关系，得到激光器运行的功率值。
2.根据权利要求1所述的大功率激光器的控制方法，其特征在于：步骤108中所述的分段对应关系为N段电压值分别以N个不同系数对应N段功率值，其中，N为大于等于2的整数。
3.根据权利要求2所述的大功率激光器的控制方法，其特征在于：所述N的值为5。
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