CN103633541A - 基于fpga的脉冲光纤激光器功率控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种控制用于激光打标的基于FPGA的脉冲光纤激光器功率控制系统和控制方法，所述脉冲光纤激光器功率控制系统包括用于发出控制信号的计算机、基于FPGA实现的功率控制系统和在控制下发出激光的脉冲光纤激光器，所述方法通过进行激光器输出电压和半导体激光器输出功率的输出功率值分配，其中将恒流源驱动的功率与锁存的功率进行比较，将比较结果反馈至恒流源进行驱动。根据本发明的脉冲光纤激光器输出光功率可以很好的满足激光打标的要求，通过采用了双端输入单端输出的模糊控制算法来实时的监测功率的输出大小，并根据反馈的功率值来调节恒流源驱动电路的电流的大小，来保证输出的功率的稳定。

Description

基于FPGA的脉冲光纤激光器功率控制系统

技术领域

本发明涉及一种脉冲光纤激光器的功率控制系统。具体而言，本发明涉及一种应用于激光打标中的基于FPGA的脉冲光纤激光器的控制系统和控制方法。 

背景技术

光纤激光器自问世以来，受到了国内外的广泛关注。光纤激光器又分为连续型和脉冲型。由于脉冲光纤激光器输出激光的峰值功率比连续激光提高了几个数量级，可以在较小的输出能量下获得较高峰值功率，并具有一定重复频率、高能量、高峰值功率和高光束质量的超短脉冲激光，使其应用的领域更加广泛。因为脉冲光纤激光器具有优异的光束质量、较高的功率和功率密度、易冷却、高稳定性和可靠性等多方面优点，其在激光打标、印刷、微机械加工、选择性切割、焊接等领域具有广阔的应用前景。激光打标是利用激光在需要进行标记的工件表面刻蚀出具有一定深度或颜色的文字或图案等，从而在工件的表面留下永久性标记。作为一种现代精密加工方法，与腐蚀、电火花加工、机械雕刻、印刷等传统的加工方法相比，激光打标具有较大的优势，现已广泛应用于集成电路芯片、金属名片、电子及通讯产品、食品包装等众多领域的图形和文字标记。 

然而，脉冲光纤激光器输出功率会随着半导体激光器温度和寿命的变化而改变，可能因器件的不同而表现出现较大的差异。半导体激光器的阈值随着温度的升高而明显增大，半导体激光器阈值的漂移，也给使用带来很大的不便。如果采用固定的偏流，则必然引起输出光脉冲峰值功率的漂移，而降低输出光功率的稳定度。 

目前，脉冲光纤激光器在医学、光信息处理、全色显示和激光印刷等领域也具有广阔的应用前景。但由于国内在这方面的研究起步较 晚，大多处于实验研究阶段，要实现产业化，商品化和国外还有一定的差距，因此需要一种更具产品效应、控制更为精确的脉冲光纤激光器功率控制系统。 

发明内容

本发明针对目前脉冲光纤激光器在激光打标系统中的广泛应用，设计了脉冲光纤激光器系统的总体方案。 

根据本发明的一个方面，提供了一种控制用于激光打标的基于FPGA的脉冲光纤激光器功率控制系统的方法，所述脉冲光纤激光器功率控制系统包括用于发出控制信号的计算机、基于FPGA实现的功率控制系统和在控制下发出激光的脉冲光纤激光器，所述方法包括步骤： 

a)为脉冲光纤激光器功率控制系统加电，并将用于激光打标的振镜进行初始化； 

b)判断所述脉冲光纤激光器的电源是否打开，若打开，则对脉冲光纤激光器功率控制系统进行初始化； 

c)判断用户是否启动了所述计算机中的激光打标软件，若启动，则对打标参数进行设置； 

d)将步骤d)中设置的参数传输给计算机，进行数据处理后，将输出的打标控制信号传输到所述功率控制系统，产生控制信号控制所述脉冲光纤激光器的工作； 

e)检测是否有功率锁存信号到来，若有则通过寄存器对功率进行锁存； 

f)检测是否有激光器功率控制信号到来，若有则启动DC/DC隔离； 

g)进行延时操作以便等待电源稳定； 

h)发出使能信号以便启动所述脉冲光纤激光器中包含的声光调制器； 

i)产生同步脉冲信号加载到所述声光调制器； 

j)对半导体激光器上电进行软启动控制； 

k)进行激光器输出电压和半导体激光器输出功率的输出功率值分配，其中将恒流源驱动的功率与步骤e中锁存的功率进行比较，将比较结果反馈至恒流源进行驱动。 

优选地，所述功率控制系统包括功率设定模块、主振荡级和放大级控制模块、AOM驱动模块、功率反馈模块和工作状态报警指示模块。 

优选地，所述脉冲光纤激光器采用主振荡和功率放大结构。 

优选地，所述步骤k中，若恒流源驱动功率小于锁存功率的60%，则关闭DC/DC模块并屏蔽上位机控制信号；若恒流源驱动功率大于锁存功率的80%且小于锁存功率的100%，则通过模糊控制输出电流反馈至恒流源进行驱动；若恒流源驱动功率大于锁存功率的60%且小于锁存功率的80%，则发出报警信息，同时通过比例控制输出电流反馈至恒流源进行驱动。 

优选地，所述模糊控制采用双输入单输出的二维模糊控制器。 

优选地，采用所述振镜的打标为点阵式打标方式。 

优选地，所述步骤c中设置的参数选自激光器的平均输出功率、声光调制器的重复频率和打标方式。 

优选地，所述步骤g的延时时间为5ms。 

根据本发明的脉冲光纤激光器输出光功率可以很好的满足激光打标的要求，通过采用了双端输入单端输出的模糊控制算法来实时的监测功率的输出大小，并根据反馈的功率值来调节恒流源驱动电路的电流的大小，来保证输出的功率的稳定。 

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。 

附图说明

结合附图详细描述了本发明的上述和其他方面，附图中： 

图1为系统总体结构框图； 

图2为系统控制方法流程图。 

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。 

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开 的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。 

系统的整体结构

本发明主要针对应用在激光打标中的脉冲光纤激光器控制系统。根据本发明的基于FPGA的脉冲光纤激光器功率控制系统的系统框架如图1所示，系统100包括用于发出控制信号的计算机101、基于FPGA实现的功率控制系统102和在控制下发出激光的脉冲光纤激光器103。 

计算机101实现系统100的总体控制，通过激光打标软件为用户提供输入接口，使用户发出控制指令至打标控制板卡。具体地，计算机101主要完成以下两部分功能。第一，用户通过上位机的打标软件完成各种打标内容(包括文字，数字，条形码，图案等)输入，当运行软件中的指令对已输入的内容进行放大、填充、翻转等数据的处理时，计算机会生成相应的打标数据，并将其传送给后续的功率控制系统102。第二，当计算机101的激光打标软件生成的打标数据通过控制线（例如USB总线）发送给打标控制板卡后，打标控制板卡对打标的数据进行数据处理后，通过并行数据线传输到下位机的用于控制脉冲光纤激光器103的功率控制系统102。 

功率控制系统102通过并行数据传输总线与位于计算机101(下文简称为上位机)内的打标控制板卡相连，根据上位机发送的打标控制信号来产生控制脉冲光纤激光器103的输出功率。该功率控制系统102的基本结构可以划分为功率设定模块、主振荡级和放大级控制模块、AOM驱动模块、功率反馈模块和工作状态报警指示模块。该功率控制系统102的基本工作原理为：当该功率控制系统102检测到上位机发送的打标控制信号的上升沿到来时，首先对该功率控制系统102进行初始化设置；当功率锁存上升沿到来时，通过寄存器对功率锁存和MO和PA输出功率值分配；并根据打标软件设定的重复频率，产生与该频率同步的窄脉冲信号；该功率控制系统102根据接收到的打标时序控制信号分别控制主振荡级和功率放大级工作的状态。功率反馈模块用来实时监控输出功率值，并根据输出功率的大小来改变光纤激光器输出功率的大小，当监测到系统输出功率异常时，通过报警指示模块发送到上位机系统进行报警指示。 

根据本发明的功率控制系统102优选采用以单片FPGA芯片来实现。 

脉冲光纤激光器103用于在功率控制系统102的控制下产生打标所需的特定功率的脉冲激光光束。由于在激光打标过程中需要高能量、高功率的脉冲激光输出，仅利用单个调Q激光器得到的脉冲能量有限，还不足以满足激光打标的要求。为了进一步提高脉冲能量，就要用到放大技术，根据本发明，采用了主振荡和功率放大（MOPA）结构。MOPA结构声光调Q脉冲光纤激光器结构主要由主振荡级和功率放大级两部分组成。由主振荡级和功率放大级各自的半导体激光器构成。该结构突出特点是：主振荡级主要是产生光束质量比较好的种子光，并通过双包层光纤耦合器传输到功率放大级；功率放大级主要是对主振荡级输出的种子光利用双包层光纤放大技术对其进行功率放大；实现了在保证输出优异光束质量的同时又产生了高能量、高功率的脉冲输出。 

系统控制方法设计与实现

根据本发明的用于控制本系统的软件控制设计主要用于配合如图1所示的硬件电路系统的调试和系统功能的验证。根据本发明的控制方法的流程图如图2所示，具体地，本发明的控制方法包括如下步骤： 

在步骤201，为根据本发明的脉冲光纤激光器功率控制系统100加电。 

在步骤202，将用于激光打标的振镜进行初始化。振镜根据激光波长的不同选用相应的光学元器件，其工作原理是将激光束入射到两反射镜（扫描镜）上，用计算机控制反射镜的反射角度，这两个反射镜可分别沿X、Y轴扫描，从而达到激光束的偏转，使具有一定功率密度的激光聚焦点在打标材料上按所需的要求运动，从而在材料表面上留下永久的标记。振镜式打标也可采用点阵式打标方式，采用这种方式对于在线打标很适用，根据不同速度的生产线可以采用一个扫描振镜或两个扫描振镜。 

在步骤203，判断此时脉冲光纤激光器103的电源是否打开，若未打开，则系统进行等待直到激光器的电源打开后进入步骤204。 

在步骤204，对脉冲光纤激光器功率控制系统100进行初始化。 

在步骤205，判断用户是否启动了计算机101中的激光打标软件， 若未启动，则系统进行等待直到用户启动激光打标软件，然后进入步骤206。 

在步骤206，对打标参数进行设置，通过激光打标软件可以设置激光器的平均输出功率、声光调制器的重复频率和打标方式等参数。 

在步骤207，将步骤206中设置的参数通过串口传输给计算机101中的打标控制板卡，通过控制板卡数据处理后，将输出的打标控制信号通过并口传输到功率控制系统102。当FPGA功率控制系统102检测到上位机发送的打标指令时，首先初始化各功能模块，其次由各功能模块产生的控制信号来有序地控制脉冲光纤激光器103正常工作。 

接着，在步骤208，等待功率锁存信号的到来。例如，在以75LVC4245A芯片的FPGA实现的功率控制系统102的实施例中，该功率锁存信号是通过FPGA的Pin9到达的，当Pin9收到上升沿信号时，即为功率锁存信号到达，此时进入步骤209。 

在步骤209，功率控制系统102接收到功率锁存信号，进行功率锁存。具体地，通过寄存器对功率进行锁存。 

在步骤210，等待激光器功率控制信号的到来，以便启动DC/DC隔离。在根据本发明的激光器打标系统中，通过上位机软件设定的功率值为数字信号，需要将其转换为模拟信号来控制半导体激光器输出电流的大小，从而来实现激光打标系统的精确标刻。优选地，使用12位高精度的D/A控制的模拟量输出。为了实时监测该系统输出平均光功率的大小，由光电探测系统输出的模拟信号，需要通过A/D转换器件将其转换为数字量，并与控制器内部设定的数字量进行处理比较，来调节脉冲光纤激光器输出功率值。为了提高模拟电压输出的精度，根据本发明的系统采用DC/DC隔离，而模拟端电源是DC/DC隔离后的。 

根据本发明的一个实施例，在以75LVC4245A芯片的FPGA实现的功率控制系统102的实施例中，该功率锁存信号是通过FPGA的Pin18到达的，当Pin9收到上升沿信号时，即为功率锁存信号到达，此时进入步骤211。 

在步骤211，激光器功率控制信号到来，打开DC/DC模块启动DC/DC隔离。 

接着，在步骤212，进行延时操作以便等待电源稳定。优选地，延 时时间为5ms。 

接着，在步骤213，发出使能信号以便启动脉冲光纤激光器103中包含的声光调制器（AOM）。 

接着，在步骤214，产生同步脉冲信号加载到声光调制器。具体地，检测功率控制系统102是否收到控制信号以产生同步脉冲信号。根据本发明的一个实施例，在以75LVC4245A芯片的FPGA实现的功率控制系统102的实施例中，该控制信号是通过FPGA的Pin20到达的。当系统产生的控制信号设定的声光调制器的重复频率为20～200kHz时，经过上位机控制板卡数据处理后，产生与设定频率相同的周期方波信号并加载到该控制系统中。当系统检测到方波控制信号的上升沿到来时，将产生与该信号同步的窄脉冲信号，脉冲宽度根据重复输入频率的值在0.1～1μs之间变化。 

当被测信号的频率输入范围为20～200kHz，基准时钟为功率控制系统102(例如FPGA)的时钟频率100MHz。因为基准时钟的频率为100MHz并远大于被测信号的频率，所以以被测信号的一个周期作为闸门时间即T1=10ns，在T1内对100MHz的基准时钟进行计数，被测周期的个数为N1，则被测信号的周期Tw=T1·N1。功率控制系统102则根据被测信号的频率，产生与其对应的同步脉冲信号，并加载到声光调制器的输入端。 

与步骤213同步进行的是步骤215，功率控制系统102根据内部状态机的当前状态，来有序地处理相应的控制指令，对半导体激光器上电进行软启动控制。 

接着，在步骤216，读取功率控制系统102接收到的控制信号，进行激光器输出电压（MO）和半导体激光器输出功率（PA）的输出功率值分配。具体地，接收到的控制信号来自功率控制系统102的光纤激光器出光和不出光控制端。在以75LVC4245A芯片的FPGA实现的功率控制系统102的实施例中，该控制信号是通过FPGA的Pin19接收到的。当FPGA检测到Pin19信号到来时，按照一定时序关系产生三路控制信号Pin19_mo、Pin19_pa1和Pin19_pa2，一路控制主振荡恒流驱动，一路控制一级放大（pa1）恒流驱动，一路控制二级放大（pa2）恒流驱动，即分别用来控制主振荡级的第一半导体激光器LD1和功率放大级的第 二半导体激光器LD2及LD3的开启与关断状态。恒流源驱动电路是通过控制各级半导体激光器输出功率大小，来满足系统设定的平均输出光功率的要求。为了使系统输出的光功率稳定，在软件设计上采用了比例控制和模糊控制相结合的方法，通过不断地调节功率的设定值与反馈值之间的差值，来保证系统输出的平均功率值达到稳定。 

具体地，将恒流源驱动的功率经过光学部分和功率检测后，与步骤209中锁存的原功率进行比较，若发现恒流源驱动功率小于锁存功率的60%，则关闭DC/DC模块并屏蔽上位机控制信号；若恒流源驱动功率大于锁存功率的80%且小于锁存功率的100%，则通过模糊控制输出电流反馈至恒流源进行驱动；若恒流源驱动功率大于锁存功率的60%且小于锁存功率的80%，则发出报警信息，同时通过比例控制输出电流反馈至恒流源进行驱动。 

根据本发明的模糊控制采用双输入单输出的二维模糊控制器设计。具体算法设计为设功率偏差er=设定功率P0-反馈功率Pt，而误差变化率rate=（此刻反馈功率-上一时刻反馈功率）/时间间隔，令时间间隔为1s，所以rate为功率误差的变化率。因为设定功率的范围为1～10W，而测量功率的范围为0.5～10W，则误差的基本论域为[0.5W,9.5W]，定义error所在的模糊集的论域为E，并将其划分为11个模糊子集，模糊子集所对应的功率差值的关系见表1所示。其中N、0、P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7和P8分别代表负、零、正零、正1、正2、正3、正4、正5、正6、正7和正8。 

表1 模糊控制规则表 

rate的基本论域为[-0.25W,+0.25W]，定义rate所在的模糊集的论域为RT，并将其划分为7个模糊子集，模糊子集与所对应的功率变化率的值的关系见表1，其中，NL、N、NS、0、PS、P和PL分别代表负大、负、负小、零、正小、正和正大。将输出控制量即功率输出值的大小，将其所在的模糊集的论域P划分为15个模糊子集，分别为N4、N3、N2、N1、N0、0、P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7和P8，分别代表负4、负3、负2、负1、负0、零、正零、正1、正2、正3、正4、正5、正6、正7和正8。采用IF E and RT then P的模糊控制规则，则可得到相应的控制规则表，见表1所示。 

根据本发明的功率反馈涉及可以用来实时监控输出功率值，并根据输出功率的大小来改变光纤激光器输出功率的大小，当监测到系统输出功率异常时，通过报警指示模块发送到上位机系统进行报警指示。 

优选地，根据本发明的系统控制软件代码的编写可以通过Quartus II开发平台上实现，并利用Verilog语言实现。通过Quartus II开发平台可以实现软件的仿真和调试，有利于代码的编程和调试，缩短软件开发的周期。 

根据本发明的脉冲光纤激光器输出光功率可以很好的满足激光打标的要求，通过采用了双端输入单端输出的模糊控制算法来实时的监测功率的输出大小，并根据反馈的功率值来调节恒流源驱动电路的电流的大小，来保证输出的功率的稳定。 

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是显而易见的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。 

Claims (8)

1.一种控制用于激光打标的基于FPGA的脉冲光纤激光器功率控制系统的方法，所述脉冲光纤激光器功率控制系统包括用于发出控制信号的计算机、基于FPGA实现的功率控制系统和在控制下发出激光的脉冲光纤激光器，所述方法包括步骤：

a)为脉冲光纤激光器功率控制系统加电，并将用于激光打标的振镜进行初始化；

b)判断所述脉冲光纤激光器的电源是否打开，若打开，则对脉冲光纤激光器功率控制系统进行初始化；

c)判断用户是否启动了所述计算机中的激光打标软件，若启动，则对打标参数进行设置；

d)将步骤d)中设置的参数传输给计算机，进行数据处理后，将输出的打标控制信号传输到所述功率控制系统，产生控制信号控制所述脉冲光纤激光器的工作；

e)检测是否有功率锁存信号到来，若有则通过寄存器对功率进行锁存；

f)检测是否有激光器功率控制信号到来，若有则启动DC/DC隔离；

g)进行延时操作以便等待电源稳定；

h)发出使能信号以便启动所述脉冲光纤激光器中包含的声光调制器；

i)产生同步脉冲信号加载到所述声光调制器；

j)对半导体激光器上电进行软启动控制；

k)进行激光器输出电压和半导体激光器输出功率的输出功率值分配，其中将恒流源驱动的功率与步骤e中锁存的功率进行比较，将比较结果反馈至恒流源进行驱动。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述功率控制系统包括功率设定模块、主振荡级和放大级控制模块、AOM驱动模块、功率反馈模块和工作状态报警指示模块。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述脉冲光纤激光器采用主振荡和功率放大结构。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤k中，若恒流源驱动功率小于锁存功率的60%，则关闭DC/DC模块并屏蔽上位机控制信号；若恒流源驱动功率大于锁存功率的80%且小于锁存功率的100%，则通过模糊控制输出电流反馈至恒流源进行驱动；若恒流源驱动功率大于锁存功率的60%且小于锁存功率的80%，则发出报警信息，同时通过比例控制输出电流反馈至恒流源进行驱动。

5.如权利要求4所述的方法，其中模糊控制采用双输入单输出的二维模糊控制器。

6.如权利要求1所述的方法，其中采用所述振镜的打标为点阵式打标方式。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤c中设置的参数选自激光器的平均输出功率、声光调制器的重复频率和打标方式。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤g的延时时间为5ms。

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