CN102790546B - 总线式二氧化碳激光高频开关电源 - Google Patents

总线式二氧化碳激光高频开关电源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种总线式二氧化碳激光高频开关电源，其特征在于，包括总线、多个数字信号控制器和多个开关电源，所述的多个数字信号控制器并列连接在总线上，而所述的开关电源每组四个，且每组四个开关电源并列连接在一个数字信号控制器上，此外，所述的总线则与主控制器连通，其中，所述的主控制器向总线传输控制信息，所述的总线向数字信号控制器传输同步信号，而所述的数字信号控制器则向开关电源传输脉宽调制信号。本发明不仅提高了电压系统的可靠性，方便集中、远程控制，还可以让更多的电源组合在一起使用。此外，本发明还可以提高激光电源的质量，更符合激光切割和焊接的工艺要求。

Description

总线式二氧化碳激光高频开关电源
技术领域
本发明涉及一种开关电源，尤其是涉及一种总线式二氧化碳激光高频开关电源，属于电力电子技术领域。
背景技术
CO2激光器是一种分子激光，主要的物质是CO??分子，在外部高压的作用下，CO??分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转引起气体能级跃迁产生激光，其波长为10.6μm。这是一种非常有效率的激光，作为商业模型来说其转换效率达到10%，所以二氧化碳激光广泛用于激光切割，焊接，钻孔和表面处理，而作为商业应用激光可达45千瓦，这是目前最强的激光。
图1为激光谐振示意图。
如图1所示：CO2激光器包括多个加有高压的分段放电管，每个放电管产生的激光，在谐振腔内振荡而产生超强的激光。每个分段放电管都需要一个高压激励电源，而现在的电源是通过变压器升压，再倍压整流形成。当然也有用开关电源的，具体为：由专用PWM芯片给出调节振荡信号，驱动IGBT功率管或模块产生高压振荡，再由变压器升压，通过整流电路产生直流高压。而激光发生器每个分段放电管的电源的控制是用模拟量给专用PWM芯片，由于分段放电管的电源较多，模拟量信号就要传送给多个专用PWM芯片，在长距离的传输过程中必然要受到外界电磁场的干扰，产CO2生激光器的工作不稳定，影响切割效果。
图2为传统的激光开关电源的结构示意图。
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，如图2所示：开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET或IGBT构成。激光电源是向激光器提供电能使之工作的装置，激光电源按照工作方式不同可分为连续激光电源与脉冲激光电源两种，一般用在大功率CO2激光器上的电源PWM信号频率在20KHz以下。
图3为传统的激光开关电源生成的激光工作脉冲形式示意图。
如图3所示：传统的激光开关电源一般只能产生简单连续的激光输出和可调宽度的方波信号，一些很有效的脉冲无法输出，且若干个激光开关电源是由模拟信号相连接，信号干扰损耗大，很难做到协调一致。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种。
为达到上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的：
一种总线式二氧化碳激光高频开关电源，其特征在于，包括总线、多个数字信号控制器（DSPIC）和多个开关电源，所述的多个数字信号控制器并列连接在总线上，而所述的开关电源每组四个，且每组四个开关电源并列连接在一个数字信号控制器上，此外，所述的总线则与主控制器连通，其中，所述的主控制器向总线传输控制信息，所述的总线向数字信号控制器传输同步信号，而所述的数字信号控制器则向开关电源传输脉宽调制信号。
进一步，其特征在于，所述的开关电源包括顺序连接的触发电路、功率震荡电路、变压器和整流电路，所述的整流电路与放电管连通。
而所述的功率震荡电路中设置有MOSFET或IGBT。
此外，所述的开关电源还包括一电流反馈电路，所述的电流反馈电路设置于整流电路和数字信号控制器之间。
而所述的电流反馈电路中设置有V/F变换芯片。
且所述的总线为CAN、RS485、Ethernet和PROFIBUS的串行总线或并行总线。
本发明的有益效果是：本发明通过总线可以控制多个数字信号控制器，DSPIC又通过四路可变脉宽的ＰＷＭ信号控制四个开关电源，可以简化电路，不需要每个电路一个专用IC，不仅提高了电压系统的可靠性，方便集中、远程控制，还可以让更多的电源组合在一起使用。此外，本发明使用的DSPIC产生了新型的脉冲形式，该形式的每个幅值和脉冲宽度均可以调节，可以提高激光电源的质量，更符合激光切割和焊接的工艺要求。
附图说明
图1为激光谐振示意图；
图2为传统的激光开关电源的结构示意图；
图3为传统的激光开关电源生成的激光工作脉冲形式示意图；
图4为本发明一实施例的结构示意图；
图5为本发明一实施例产生的脉冲形式一；
图6为本发明一实施例产生的脉冲形式二；
图7为本发明所述的开关电源的原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
图4为本发明一实施例的结构示意图；图5为本发明一实施例产生的脉冲形式一；图6为本发明一实施例产生的脉冲形式二；图7为本发明所述的开关电源的原理图。
如图4-图7所示：一种总线式二氧化碳激光高频开关电源，包括总线、多个数字信号控制器（DSPIC）和多个开关电源，其中，所述的总线为CAN、RS485、Ethernet和PROFIBUS的串行总线或并行总线，在距离比较长时，一般采用串行总线，而所述的多个数字信号控制器并列连接在总线上，所述的开关电源每组四个，且每组四个开关电源并列连接在一个数字信号控制器上，如附图4所示，其中，开关电源1-开关电源4并列连接在数字信号控制器1上，而开关电源5-开关电源8则并列连接在数字信号控制器2上，此外，所述的总线则与主控制器连通，具体为：所述的主控制器将控制信息传输给数字信号控制器（DSPIC），所述的总线向数字信号控制器传输同步信号，其中，同步信号采用差分信号传输，提高抗干扰能力，该差分信号主要用在脉冲工作状态，要求各个开关电源同时提供强电流，这样才能发出瞬间强激光脉冲，否则如有先后就无法输出强脉冲，而同步信号主要是命令和数据，如激光器的工作方式（连续、脉冲、强脉冲等）、激光工作电流、脉冲工作频率等，此外，所述的数字信号控制器则向开关电源传输脉宽调制信号（ＰＷＭ）。
此外，所述的开关电源包括顺序连接的触发电路、功率震荡电路、变压器和整流电路，所述的整流电路与放电管连通。其中，所述的功率震荡电路中设置有MOSFET或IGBT，而如果要工作在强脉冲模式，开关电源的震荡频率必须大于60KHz。
而所述的开关电源还包括一电流反馈电路，所述的电流反馈电路设置于整流电路和数字信号控制器之间，且所述的电流反馈电路中设置有V/F变换芯片，用于将开关电源自身的工作状态和测量参数（如故障、电流大小等）通过总线传送给主控制器，具体为每个放电管的工作电流通过精密电阻的取样放大，经V/F变换芯片，且在高速光电隔离后，送DSPIC计数采样，进而通过控制PWM信号的脉宽，控制放电电流的稳定。
本发明的工作过程为：主控制器将控制信息传输给数字信号控制器(DSPIC)，DSPIC将控制信息转换为具有一定频率和占空比的ＰＷＭ调制信号，然后通过触发电路的触发后，驱动功率震荡电路中的MOSFET或IGBT，产生高压震荡，再由变压器升压，通过整流电路整流后产生直流高压进而驱动放电管。而电流反馈电路则将一些监控测量参数通过总线返回给主控制器。
此外，如图5和图6所示：激光输出的脉冲，是由DSPIC中软件实现的，利用软件程序，在同步信号的作用下通过改变PWM信号的脉宽实现。以图5为例，同步脉冲加到每个DSPIC的外部中断INT0，在每个同步脉冲的上升（下降）沿，所有DSPIC先输出最高占空比的PWM信号，使激光输出最强，延时t1后，降低PWM信号额定占空比，将激光管理降到一给定值A%，再延时t2后，将功率降到最低。其中t1、t2、A%都是由主控制器通过总线传输给DSPIC，这样就产生一个激光输出脉冲，激光输出脉冲额频率与同步脉冲一致，一般小于2kHz。
本发明通过总线可以控制多个数字信号控制器，DSPIC又通过四路可变脉宽的ＰＷＭ信号控制四个开关电源，可以简化电路，不需要每个电路一个专用IC，不仅提高了电压系统的可靠性，方便集中、远程控制，还可以让更多的电源组合在一起使用。此外，本发明使用的DSPIC产生了新型的脉冲形式，该形式的每个幅值和脉冲宽度均可以调节，可以提高激光电源的质量，更符合激光切割和焊接的工艺要求。
上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。 

Claims (3)

1.一种总线式二氧化碳激光高频开关电源，其特征在于，包括总线、多个数字信号控制器和多个开关电源，所述的开关电源包括顺序连接的触发电路、功率震荡电路、变压器和整流电路，所述的整流电路与放电管连通；所述的多个数字信号控制器并列连接在总线上，而所述的开关电源每组四个，且每组四个开关电源并列连接在一个数字信号控制器上，此外，所述的总线则与主控制器连通，其中，所述的主控制器向总线传输控制信息，所述的总线向数字信号控制器传输同步信号；所述同步信号采用差分信号传输；而所述的数字信号控制器则向开关电源传输脉宽调制信号；所述的开关电源还包括一电流反馈电路，所述的电流反馈电路设置于整流电路和数字信号控制器之间；所述的电流反馈电路中设置有V/F变换芯片；每个放电管的工作电流通过精密电阻的取样放大，经V/F变换芯片处理，且在高速光电隔离后，送数字信号控制器计数采样。
2.根据权利要求1所述的总线式二氧化碳激光高频开关电源，其特征在于，所述的功率震荡电路中设置有MOSFET或IGBT。
3.根据权利要求1所述的总线式二氧化碳激光高频开关电源，其特征在于，所述的总线为CAN、RS485、Ethernet和PROFIBUS的串行总线或并行总线。
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