CN104143934A - 一种激光焊接脉冲电源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于激光焊接设备电源领域，提供一种激光焊接脉冲电源及其控制方法，所述激光焊接脉冲电源包括数据信号处理器以及顺次连接的开关直流升压电路、开关直流降压电路和氙灯。本发明仅使用了一块DSP核心芯片进行控制，在充放电控制过程中，根据采集到的当前数据并结合比例积分算法，更新PWM升降压控制信号的占空比，以控制开关直流BOOST升压和开关直流BUCK降压电路中的IGBT通断，达到稳定充放电流的目的，本发明电源高度集成，调试过程简单方便，而且激光电源稳定性强，生产制造成本较低。

Description

一种激光焊接脉冲电源及其控制方法

技术领域

本发明属于激光焊接设备电源技术领域，尤其涉及一种激光焊接脉冲电源及其控制方法。

背景技术

激光焊接电源是激光焊接设备的关键组成部分，在光路一定的情况下，激光能量稳定性与激光焊接电源有着直接的关系，可见激光电源部分的重要性。

传统的激光焊接电源大都采用电源芯片(如TL494)控制，但实际应用时，考虑到单块电源芯片功能局限性，通常会采用多块电源芯片参与控制，这增加了电路的复杂性。主要有以下几个缺点：

1、为了使激光电源能量输出稳定并且实现能量反馈方式和电流反馈方式需要多块电源芯片和与之配合外部分立元件，这就增加了电路板的面积难于做到小型化。

2、使用分立器件较多，生产、调试、成本、及长时间使用器件参数漂移都会带来不利影响。

3、根据不同的氙灯负载调整放电特性只能通过更改电路来实现。

4、难以做到激光电源输出稳定和放电波形实时监控。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种激光焊接脉冲电源及其控制方法，旨在解决现有激光焊接脉冲电源无法小型化、实现复杂、不便于监控的技术问题。

一方面，所述激光焊接脉冲电源包括数据信号处理器以及顺次连接的开关直流升压电路、开关直流降压电路和氙灯，380V三相电经由桥式整流器之后输入至所述开关直流升压电路，所述数据信号处理器的一个脉冲编码调制PWM控制端口连接到所述开关直流升压电路，另一个PWM控制端口连接到所述开关直流降压电路，所述数据信号处理器的两个模数采样口连接至所述开关直流升压电路用于采集输入电压和充电电流，所述数据信号处理器的另两个模数采样口连接至开关直流降压电路用于采集储能电容高压和放电电流，所述数据信号处理器根据采集到的输入电压和充电电流大小，并结合比例积分算法输出PWM升压控制信号控制开关直流升压电路，以稳定充电电流；所述数据信号处理器根据采集到的储能电容电压和充电电流大小，并结合比例积分算法输出PWM降压控制信号控制开关直流降压电路，以稳定放电电流。

进一步的，所述桥式整流器输出端作为正负极，所述开关直流升压电路包括输入电容、第一电感、充电绝缘栅双极型晶体管IGBT和第一二极管，所述输入电容连接在所述正负极之间，所述第一电感、第一二极管串联在正极线路上，所述充电IGBT连接在所述第一电感、第一二极管的连接点与负极之间，所述数据信号处理器的一个PWM控制端口连接到所述充电IGBT的控制端，所述数据信号处理器的两个模数采样口分别用于采集所述输入电容两端电压以及正极线路上的充电电流。

进一步的，所述开关直流降压电路包括储能电容、放电IGBT、第二二极管、第三二极管和第二电感，所述储能电容连接在所述开关直流升压电路输出端，然后在正极线路上分别串联放电IGBT、第三二极管和第二电感，所述第二二极管连接在放电IGBT、第三二极管的连接点与负极之间，所述数据信号处理器的另一个PWM控制端口连接到所述放电IGBT的控制端，所述数据信号处理器的另两个模数采样口分别用于采集所述储能电容两端电压以及第二电感所在正极线路上的放电电流。

进一步的，所述数据信号处理器还连接有时钟、存储器、触摸屏。

另一方面，所述激光焊接脉冲电源控制方法，包括：

通过事件管理器设定的工作频率触发启动数据信号处理器中的模数采样器；

采样结束后产生中断，获取输入电压、充电电流、储能电容电压和充电电流数据；

根据所述获取的输入电压、充电电流、储能电容电压和充电电流数据，并采用比例积分算法更新PWM升压控制信号以及PWM降压控制信号的占空比并输出；

开关直流升压电路根据接收到的PWM升压控制信号进行储能电容充电控制，以稳定充电电流，开关直流降压电路根据接收到的PWM降压控制信号进行氙灯放电控制，以稳定放电电流。

本发明的有益效果是：本发明脉冲激光电源中，仅使用了一块数据信号处理器DSP核心芯片控制，在充放电控制过程中，根据采集到的当前数据并结合比例积分算法，更新PWM升降压控制信号的占空比，以控制开关直流BOOST升压和开关直流BUCK降压电路中的IGBT通断，达到稳定充放电流的目的，本发明电源高度集成，调试过程简单方便，而且激光电源稳定性强，生产制造成本较低。

附图说明

图1是本发明实施例提供的激光焊接脉冲电源的电路图；

图2是本发明实施例提供的激光焊接脉冲电源控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

图1示出了本发明实施例提供的激光焊接脉冲电源的结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

如图1所示，本实施例提供的激光焊接脉冲电源包括：数据信号处理器1以及顺次连接的开关直流升压电路2、开关直流降压电路3和氙灯4，380V三相电经由桥式整流器(图中未示出)之后输入至所述开关直流升压电路2，所述数据信号处理器1的一个脉冲编码调制PWM控制端口连接到所述开关直流升压电路2，另一个PWM控制端口连接到所述开关直流降压电路3，所述数据信号处理器1的两个模数采样口连接至所述开关直流升压电路2用于采集输入电压和充电电流，所述数据信号处理器1的另两个模数采样口连接至开关直流降压电路3用于采集储能电容高压和放电电流，所述数据信号处理器1根据采集到的输入电压和充电电流大小，并结合比例积分算法输出PWM升压控制信号控制开关直流升压电路，以稳定充电电流；所述数据信号处理器1根据采集到的储能电容电压和充电电流大小，并结合比例积分算法输出PWM降压控制信号控制开关直流降压电路，以稳定放电电流。

本实施例采用了一块数据信号处理器(即DSP芯片)作为脉冲电源控制核心，具体的，利用DSP的AD采样口从开关直流升压电路采集输入电压V1和充电电流i1，然后根据比例积分算法计算此时PWM升压控制信号PWM1的占空比，通过输出的PWM1控制开关直流升压电路充电，充电电流i1大小取决于PWM1的占空比，进而可以控制其中IGBT的通断，以达到稳定充电电流目的。同时，在放电过程中，放电电流的大小直接影响着激光能量的大小，DSP采集当前储能电容高压V2和放电电流i2，并根据接收到的电流设置参数，然后根据比例积分算法计算此时PWM降压控制信号PWM2的占空比并输出PWM2信号，通过PWM2信号可以控制其中IGBT的通断，实现控制储能电容对氙灯放电，以达到稳定放电电流目的。

本实施例中，DSP所采用的PI比例积分算法计算更新PWM升降压控制信号的占空比，即可以控制BOOST和BUCK降压电路中IGBT的占空比，使系统在进入稳态后无稳态误差。对应PI算法，uo＝Kp*[e(k)-e(k-1)]+Ki*e(k)，其中uo为PI运算结果，Kp、Ki为比例项和积分项，e(k)为本次误差，e(k-1)为上一次误差。DSP对电压电流采样，经过上述PI算法产生的计算结果去调整IGBT的占空比大小，从而来控制负载氙灯稳定。同时，本实施例中，利用DSP多通道AD采样功能，可以实时监测输入电电压、充电电流大小，及储能电容高压、放电电流，甚至输出激光能量实时波形。

由于本实施例仅采用了一块DSP芯片作为控制，做到了高度集成小巧化，调试过程方便、激光电源稳定性、生产成本较低。

下面描述开关直流升压电路2和开关直流降压电路3的一种具体优选结构。

所述桥式整流器(图中未示出)输出端作为正负极Pi+、Pi-，所述开关直流升压电路2包括输入电容C1、第一电感L101、充电IGBT管V101和第一二极管D1，所述输入电容C1连接在所述正负极Pi+、Pi-之间，所述第一电感L101、第一二极管D1串联在正极Pi+线路上，所述充电IGBT管V101连接在所述第一电感L101、第一二极管D1的连接点与负极Pi-之间，所述数据信号处理器1的一个PWM控制端口连接到所述充电IGBT管V101的控制端，所述数据信号处理器1的两个模数采样口分别用于采集所述输入电容C1两端电压以及正极Pi+线路上的充电电流。本结构中，DSP可以采集到输入电容C1两端的输入电压值以及正极线路上的充电电流值，并且根据比例积分算法可以计算得到PWM1的占空比并更新，更新后的PWM1输入至充电IGBT管V101以控制开断时间，从而达到稳定充电电流的目的。

所述开关直流降压电路3包括储能电容C2、放电IGBT管V102、第二二极管D2、第三二极管D3和第二电感L102，所述储能电容C2连接在所述开关直流升压电路输出端，然后在正极线路上分别串联放电IGBT管V102、第三二极管D3和第二电感L102，所述第二二极管D2连接在放电IGBT管V102、第三二极管D3的连接点与负极之间，所述数据信号处理器的另一个PWM控制端口连接到所述放电IGBT管V102的控制端，所述数据信号处理器的另两个模数采样口分别用于采集所述储能电容C2两端电压以及第二电感L102所在正极线路上的放电电流。本结构中，DSP可以采集到储能电容C2两端电压值以及氙灯放电电流值，根据设置的放电电流参数，并结合比例积分算法可以计算得到PWM2的占空比并更新，更新后的PWM2输入至放电IGBT管V102以控制开断时间，从而达到稳定放电电流的目的。

进一步优选的，所述数据信号处理器还连接有时钟、存储器SRAM、触摸屏。为了近一步提高运行速度，本优选方式中，DSP外扩了256K*16bit的SRAM，AD采集的主要模拟量有输入电压大小、储能电容高压大小、充电电流大小、氙灯放电电流大小、激光能量大小等。输入IO信号有液位、流量、水质、温度报警、IGBT保护、硬件保护、波形调用、脚踏信号等。两个事件管理器分别用来做输出PWM控制信号使用。输出IO信号有状态指示、预燃触发、缓上电、光闸控制等。SCI串行通信部分被用到了与上位机进行485通信，操作人员通过触控可以对脉冲电源下发指令，也可以实时显示出各种采集到的数据波形。

另外，本实施例还提供了一种激光焊接脉冲电源控制方法，如图2所示，包括下述步骤：

S201、启动步骤。

DSP的事件管理器以设定的工作频率触发启动其中的模数采样器。

S202、数据采集步骤。

采样结束后产生中断，DSP获取输入电压、充电电流、储能电容电压和充电电流数据。

S203、PWM更新输出步骤。

根据所述获取的输入电压、充电电流、储能电容电压和充电电流数据，并采用比例积分算法DSP更新PWM升压控制信号以及PWM降压控制信号的占空比并输出。

S204、充放电控制步骤。

开关直流升压电路根据接收到的PWM升压控制信号进行储能电容充电控制，以稳定充电电流，开关直流降压电路根据接收到的PWM降压控制信号进行氙灯放电控制，以稳定放电电流。计算完成清除本次中断标志位等待下一次中断的到来。

综上，本发明技术方案只采用了一快DSP核心芯片，完成了所有的主电源回路控制功能，降低了元器件的成本，提高了电源的稳定性，便于生产调试及客户使用维护。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种激光焊接脉冲电源，其特征在于，所述激光焊接脉冲电源包括数据信号处理器以及顺次连接的开关直流升压电路、开关直流降压电路和氙灯，380V三相电经由桥式整流器之后输入至所述开关直流升压电路，所述数据信号处理器的一个脉冲编码调制PWM控制端口连接到所述开关直流升压电路，另一个PWM控制端口连接到所述开关直流降压电路，所述数据信号处理器的两个模数采样口连接至所述开关直流升压电路用于采集输入电压和充电电流，所述数据信号处理器的另两个模数采样口连接至开关直流降压电路用于采集储能电容高压和放电电流，所述数据信号处理器根据采集到的输入电压和充电电流大小，并结合比例积分算法输出PWM升压控制信号控制开关直流升压电路，以稳定充电电流；所述数据信号处理器根据采集到的储能电容电压和充电电流大小，并结合比例积分算法输出PWM降压控制信号控制开关直流降压电路，以稳定放电电流。

2.如权利要求1所述激光焊接脉冲电源，其特征在于，桥式整流器输出端作为正负极，所述开关直流升压电路包括输入电容、第一电感、充电绝缘栅双极型晶体管IGBT和第一二极管，所述输入电容连接在所述正负极之间，所述第一电感、第一二极管串联在正极线路上，所述充电IGBT连接在所述第一电感、第一二极管的连接点与负极之间，所述数据信号处理器的一个PWM控制端口连接到所述充电IGBT的控制端，所述数据信号处理器的两个模数采样口分别用于采集所述输入电容两端电压以及正极线路上的充电电流。

3.如权利要求2所述激光焊接脉冲电源，其特征在于，所述开关直流降压电路包括储能电容、放电IGBT、第二二极管、第三二极管和第二电感，所述储能电容连接在所述开关直流升压电路输出端，然后在正极线路上分别串联放电IGBT、第三二极管和第二电感，所述第二二极管连接在放电IGBT、第三二极管的连接点与负极之间，所述数据信号处理器的另一个PWM控制端口连接到所述放电IGBT的控制端，所述数据信号处理器的另两个模数采样口分别用于采集所述储能电容两端电压以及第二电感所在正极线路上的放电电流。

4.如权利要求1-3任一项所述激光焊接脉冲电源，其特征在于，所述数据信号处理器还连接有时钟、存储器、触摸屏。

5.一种激光焊接脉冲电源控制方法，其特征在于，所述方法包括：

通过事件管理器设定的工作频率触发启动数据信号处理器中的模数采样器；

采样结束后产生中断，获取输入电压、充电电流、储能电容电压和充电电流数据；

根据所述获取的输入电压、充电电流、储能电容电压和充电电流数据，并采用比例积分算法更新PWM升压控制信号以及PWM降压控制信号的占空比并输出；

开关直流升压电路根据接收到的PWM升压控制信号进行储能电容充电控制，以稳定充电电流，开关直流降压电路根据接收到的PWM降压控制信号进行氙灯放电控制，以稳定放电电流。