CN104333964B - 一种脉冲氙灯电源的控制电路和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氙灯泵浦激光器的电源领域，特别是一种脉冲氙灯电源的控制电路和控制方法。将电流反馈环设置在功率反馈环内，第一限幅器后，在功率模式时，功率反馈环输出的电流可以通过后级的电流反馈环进行电流幅值限制，使最终输出电流在保证功率恒定的情况下避免了电流过大影响氙灯的使用寿命，甚至损坏氙灯。此外，通过插值法将所需的电流波形按较小的时间间隔等间隔输出，实现控制信号的线性可调，使控制信号能够适应功率缓慢上升或不同阶段功率上升速度不同的场合，提高了焊接质量。
Description
技术领域
本发明涉及氙灯泵浦激光器的电源领域，特别是一种脉冲氙灯电源的控制电路和控制方法。
背景技术
以氙灯做为固体激光器的泵浦源已经是一种非常常见的方法，在激光行业中应用越来越多，同样，对电源的要求也越来越多，大多数的控制方法如图1所示：此方法有两个反馈环路即功率反馈环路1和电流反馈环路2，它们分别工作。当工作于电流模式时，单刀双掷开关4的公共端与第一PID控制模块7连接，控制信号3和电流传感器20输出的经放大和滤波处理后的信号在第一减法器5中做减法运算，输出信号进入第一PID控制模块7，进行PID运算，经限幅器9后输出给脉冲调制模块16，脉冲调制模块16输出脉冲调制信号，经脉宽电压转换模块17输出电流，电光转换器18中有电流流过，则发射出激光；当工作于功率模式时，单刀双掷开关4的公共端与第二PID控制模块8相连，控制信号3和光电传感器19输出的经放大和滤波处理后的信号在第二减法器6中做减法运算，输出信号进入第二PID控制模块8，进行PID运算，经限幅器9后，输出给脉冲调制模块16，脉冲调制模块16输出脉冲调制信号，经脉宽电压转换模块17输出电流，电光转换器18中有电流流过，则发射出激光。
此方法有如下缺点：使用恒功率控制时，由于氙灯中电弧的振动或发光效率降低，注入激光晶体中的能量不稳定，由于无电流反馈，如果某一时刻氙灯的电弧偏离焦点较远，氙灯注入激光晶体中的能量特别小，激光电源需要加大电压的输出来提高电流，限幅器只能限制最大脉冲宽度，并不能限制最大电流，如果电流特别大的话，将会大大减少氙灯的使用寿命，甚至损坏氙灯。此外，传统方法的控制信号为脉冲式信号，不能根据焊接过程实时调节，对于需要功率缓慢上升或不同阶段功率上升速度不同的场合并不适用，影响焊接质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种脉冲氙灯电源的控制方法和控制电路。它能够在功率模式下限定电流的幅值，使输出的最大电流不会超出氙灯的正常使用范围，延长了氙灯的使用寿命，避免了氙灯损坏，而控制信号为线性可调信号，满足需要功率缓慢上升或不同阶段功率上升速度不同的场合，提高了焊接质量。
对于本发明的一种脉冲氙灯电源的控制电路，上述技术问题是这样解决的：
包括输入控制信号和功率反馈环路，所述的功率反馈环路包括依次连接的第一减法器、第一PID控制模块、第一限幅器、脉冲调制模块、脉宽电压转换模块、电光转换器、光电传感器、第一信号放大器和第一滤波器，所述的第一滤波器输出端和控制信号输出端均与第一减法器连接，其特征在于：在功率反馈环路的第一限幅器输出端与脉冲调制模块之间依次连接有第二减法器、第二PID控制模块和第二限幅器，所述的脉宽电压转换模块与第二减法器之间依次连接有电流传感器、第二信号放大器和第二滤波器，所述的第二减法器、第二PID控制模块、第二限幅器、脉冲调制模块、脉宽电压转换模块、电流传感器、第二信号放大器和第二滤波器共同形成一个设置在功率反馈环路内部的电流反馈环路。
进一步的，在第一限幅器与第二减法器之间设置有一个单刀双掷开关，所述单刀双掷开关的固定端与第二减法器连接，所述单刀双掷开关的公共端包括输入控制信号输出端和第一限幅器输出端两个连接节点。
进一步的，当控制电路工作于电流模式时，所述单刀双掷开关的公共端与输入控制信号输出端连接；
当控制电路工作于功率模式时，所述单刀双掷开关的公共端与第一限幅器输出端连接。
进一步的，所述的第一滤波器与第一减法器之间连接有第一ADC模数转换器。
进一步的，所述的第二滤波器与第二减法器之间连接有第二ADC模数转换器。
对于本发明的一种脉冲氙灯电源的控制方法，上述技术问题是这样解决的：
将电流反馈环路设置在功率反馈环路内，并连接在第一限幅器的输出端，功率模式下，功率反馈环路计算出维持恒定功率所需电流并从第一限幅器输出端输出，然后通过后端的电流反馈环路对电流的幅值进行限定，使得最终输出电流在保持输出功率恒定的情况下不超出正常使用范围。
进一步的，所述功率反馈环路和电流反馈环路的输入控制信号为多段线性可调信号。
进一步的，所述输入控制信号输出波形的计算方法为：
a、根据焊接不同时刻对电流值需求的大小确定由不同时刻电流值组成的第一数组；
b、在第一数组的相邻两点内以T为取值时间间隔均匀取n个时间点，根据插值法计算出n个时间点每相邻两点的电流间隔ΔI，ΔI的计算公式为：ΔI＝(I2-I1)/[(t2-t1)/T]，其中I2和I1为第一数组中相邻两个点的电流值，t2和t1为这两个点对应的时间；
c、根据电流间隔ΔI计算出n个时间点各自对应的电流值，形成新的数据组，即第二数组。
进一步的，所述输入控制信号波形的输出过程为：
a、对第一ADC模数转换器(21)、第二ADC模数转换器和脉冲调制模块进行初始化；
b、从存储器中读取所述第一数组，根据所述第一数组计算出所述第二数组并存储；
c、打开定时器和定时器中断，将定时器的中断时间设置为T，循环等待flag标志位被置位；
d、flag标志位每次置位则输出第二数组对应的一个数值，定时器的计数值加1；
e、定时器的计数值达到控制信号的脉宽时间时，flag标志位置1同时关闭定时器，计数值清零，第二数组数值停止输出。
本发明的有益效果是：将电流反馈环设置在功率反馈环内，第一限幅器后，在功率模式时，功率反馈环输出的电流可以通过后级的电流反馈环进行电流幅值限制，使最终输出电流在保证功率恒定的情况下避免了电流过大影响氙灯的使用寿命，甚至损坏氙灯。此外，通过插值法将所需的电流波形按较小的时间间隔等间隔输出，实现输入控制信号的线性可调，使输入控制信号能够适应功率缓慢上升或不同阶段功率上升速度不同的场合，提高了焊接质量，在输入控制信号触发输出前第二数组提前计算好，节省了在定时中断中执行的时间，保证每次中断不会相互影响，减小了程序出错几率。
附图说明
图1为传统氙灯电源控制电路模块图；
图2为本发明氙灯电源控制电路模块图；
图3为本发明电路原理图；
图4为第一数组波形图；
图5为输入控制信号输出流程图；
图6为本发明定时器运算流程图；
图中：1—功率反馈环路，2—电流反馈环路，3—输入控制信号，4—单刀双掷开关，5—第一减法器，6—第二减法器，7—第一PID控制模块，8—第二PID控制模块，9—限幅器，10—第一限幅器，11—第二限幅器，12—第一滤波器，13—第二滤波器，14—第一信号放大器，15—第二信号放大器，16—脉冲调制模块，17—脉宽电压转换模块，18—电光转换器，19—光电传感器，20—电流传感器，21—第一ADC模数转换器，22—第二ADC模数转换器。
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。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
1、如图2所示为本发明控制电路的模块连接图，该控制电路包括包括输入控制信号3和功率反馈环路1，功率反馈环路1包括依次连接的第一减法器5、第一PID控制模块7、第一限幅器10、脉冲调制模块16、脉宽电压转换模块17、电光转换器18、光电传感器19、第一信号放大器14和第一滤波器12，第一滤波器12输出端和输入控制信号3输出端均与第一减法器5连接。在功率反馈环路1的第一限幅器10输出端与脉冲调制模块16之间依次连接有第二减法器6、第二PID控制模块8和第二限幅器11，脉宽电压转换模块17与第二减法器6之间依次连接有电流传感器20、第二信号放大器15和第二滤波器13，第二减法器6、第二PID控制模块8、第二限幅器11、脉冲调制模块16、脉宽电压转换模块17、电流传感器20、第二信号放大器15和第二滤波器13共同形成一个设置在功率反馈环路1内部的电流反馈环路2。在第一限幅器10与第二减法器6之间设置有一个单刀双掷开关4，单刀双掷开关4的固定端与第二减法器6连接，单刀双掷开关4的公共端包括输入控制信号3输出端和第一限幅器10输出端两个连接节点。控制电路工作在电流模式时，单刀双掷开关4的公共端与输入控制信号3的输出端连接，控制电路工作在功率模式时，单刀双掷开关4的公共端与第一限幅器10的输出端连接。其中，在PID控制模块为数字PID控制模块时，还需要在第一减法器5与第一滤波器13之间接入第一ADC模数转换器21，在第二减法器6与第二滤波器14之间接入第二ADC模数转换器22。
该电路的控制方法是通过该电路实现的。根据焊接的需要，通过调节单刀双掷开关4的公共端，既可以自动选择该控制电路的工作模式。如图3所示为该控制电路的电路原理图，结合图2和图3可以看出：工作于电流模式时，将单刀双掷开关4的公共端与控制信号3的输出端之间连接，此时没有功率反馈，输入控制信号3和电流传感器20经放大和滤波处理后的电流反馈信号输入到第二减法器6中。第二减法器6将输入控制信号3与电流反馈信号的差值输入到第二PID控制模块8中，经过第二PID控制模块8的PID运算后，分配大小合适的电流输入到第二限幅器11进行电流幅值限定，然后输入到脉冲调制模块16中，脉冲调制模块16输出脉冲调制信号给脉宽电压转换模块17，最后输出恒定电流给电光转换器18，电能转换成光能发出激光。工作与功率模式时，将单刀双掷开关4的公共端与第一限幅器10的输出端连接。此时有功率信号反馈，控制信号3和光电传感器19经放大和滤波处理后的功率反馈信号输入到第一减法器5中。第一减法器5将输入控制信号3与功率反馈信号的差值输入到第一PID控制模块7，第一PID控制模块7计算出维持恒定功率所需的电流并输出该电流到第一限幅器10内，进行功率幅值限定，幅值限定后电流输入到电流反馈环路2中。电流反馈环路2的第二限幅器11限制该电流的幅值后，输出大小合适的电流到脉冲调制模块16中，脉冲调制模块16输出脉冲调制信号给脉宽电压转换模块17，最后输出维持恒定功率所需而大小又被限定，不会影响氙灯正常使用的电流给电光转换器18，电能转换成光能发出激光。这样在功率模式时，输出的电流因为电流反馈环路2的电流反馈作用，其幅值能够得到限定，使该控制电路不论工作在电流模式还是功率模式，其电流均能够得到有效的控制，防止了电流过大或电流突变导致的氙灯损坏或寿命减少。
为了满足一些需要功率缓慢上升或者在不同焊接阶段功率上升速率不同的场合，在该控制电路中，输入控制信号3不是传统的脉冲式信号，而是16段线性可调信号。该16段线性可调信号的产生过程如下：
如图4所示为根据焊接需要手动输入的几个时间点电流数值按顺序连接形成的波形。如图中a点对应的时间和电流分别为：2ms，150A；b点对应的时间和电流分别为：6ms，150A......依次将a—p这几个点连接起来既形成了图4的波形，而图中各个时间点的电流组成的数组即为第一数组。完成第一数组的输入后，根据插值计算的方式计算出另一数组，即为第二数组。第二数组为在第一数组相邻两数值间以T为时间间隔所取的n个时间点对应电流组成的数据组。第二数组n个时间点每两个点之间的电流间隔ΔI的计算公式为：ΔI＝(I2-I1)/[(t2-t1)/T]，其中I2和I1为第一数组中两个点的电流值，t2-t1为这两个点的时间间隔。本发明实施例中第二数组时间间隔T取值为50us，e点和f点之间间隔为1ms，按50us取一个点，则有1ms/50us-1＝19个点，每个点之间的电流间隔为(175-250)/20＝-3.75A，则e点与f点之间的点为250-3.75＝246.25，246.25-3.75＝242.5，242.5-3.75＝238.75，……，178.75-3.75＝175，根据第二数组各个点的时间间隔和电流间隔计算出每个点的电流值，从而得出第二数组。
如图5所示为16段线性可调输入控制信号的输出流程图：首先，开机时进行初始化，初始化ADC模数转换器，脉冲调制模块等外围设备，然后从存储器中读出波形数组即第一数组，根据第一数组计算出第二数组，然后检测第一数组是否改变，如果改变了，则将改变后的第一数组存入存储器中，然后计算出第二数组，如果第一数组没有改变，则检查是否触发电流输出，没有触发则进入循环检测，如果触发，则打定定时器及定时器中断，设置为50us产生一次中断。如图6所示为定时器内的控制流程图。进入循环等待flag被置位，定时器中断产生后，进入中断处理函数中，首先检查标志位，如果被置位则计算上一次触发时采集的电流值与功率值，再次触发DMA采样，然后检查输出模式，如果是功率模式，则进行功率PID运算，然后再进行电流PID运算，输出脉冲调制信号，计数值加1，如果计数大于脉宽时间，则关闭定时器，关闭脉冲调制信号输出，flag置1，计数值清0，退出定时器，如果计数不大于输出电流的设定时间，则直接退出定时器中断函数，等待下一次中断。由于定时中断是50us产生一次，所以中断中的程序应尽量短的时间内完成，以免在下一次中断产生时，本次的中断程序还没有执行完，这样会造成程序出错，电流控制可能不稳定，减小氙灯的寿命，甚至烧毁氙灯，而且会使激光器输出的功率不稳定。此外，如果将计算第二数组的程序在中断程序中执行，则要使用速度更快的处理器，以缩短程序执行的时间，这样会增加本设备的成本，而且处理器的速度是有一定限制，并不是无限增强的，这样也会增加处理器选型的难度，甚至找不到合适的处理器。因此，本程序在触发输出之前就计算出第二数组，在中断输出时，直接调用第二数组中的数据能节省定时中断中执行的时间，避免上述问题，根据需要输出线性的可调控制信号。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种脉冲氙灯电源的控制电路，包括输入控制信号(3)和功率反馈环路(1)，所述的功率反馈环路(1)包括依次连接的第一减法器(5)、第一PID控制模块(7)、第一限幅器(10)、脉冲调制模块(16)、脉宽电压转换模块(17)、电光转换器(18)、光电传感器(19)、第一信号放大器(14)和第一滤波器(12)，所述的第一滤波器(12)输出端和输入控制信号(3)输出端均与第一减法器(5)连接，其特征在于：在功率反馈环路(1)的第一限幅器(10)输出端与脉冲调制模块(16)之间依次连接有第二减法器(6)、第二PID控制模块(8)和第二限幅器(11)，所述的脉宽电压转换模块(17)与第二减法器(6)之间依次连接有电流传感器(20)、第二信号放大器(15)和第二滤波器(13)，所述的第二减法器(6)、第二PID控制模块(8)、第二限幅器(11)、脉冲调制模块(16)、脉宽电压转换模块(17)、电流传感器(20)、第二信号放大器(15)和第二滤波器(13)共同形成一个设置在功率反馈环路(1)内部的电流反馈环路(2)，在第一限幅器(10)与第二减法器(6)之间设置有一个单刀双掷开关(4)，所述单刀双掷开关(4)的固定端与第二减法器(6)连接，所述单刀双掷开关(4)的公共端包括控制信号(3)输出端和第一限幅器(10)输出端两个连接节点。
2.如权利要求1所述的一种脉冲氙灯电源的控制电路，其特征在于：当控制电路工作于电流模式时，所述单刀双掷开关(4)的公共端与输入控制信号(3)输出端连接；
当控制电路工作于功率模式时，所述单刀双掷开关(4)的公共端与第一限幅器(10)输出端连接。
3.如权利要求1所述的一种脉冲氙灯电源的控制电路，其特征在于：所述的第一滤波器(12)与第一减法器(5)之间连接有第一ADC模数转换器(21)。
4.如权利要求1所述的一种脉冲氙灯电源的控制电路，其特征在于：所述的第二滤波器(13)与第二减法器(6)之间连接有第二ADC模数转换器(22)。
5.如权利要求1所述的一种脉冲氙灯电源控制电路的控制方法，其特征在于：将电流反馈环路(2)设置在功率反馈环路(1)内，并连接在第一限幅器(10)的输出端，功率模式下，功率反馈环路(1)计算出维持恒定功率所需电流并从第一限幅器(10)输出端输出，然后通过后端的电流反馈环路(2)对电流的幅值进行限定，使得最终输出电流在保持输出功率恒定的情况下不超出正常使用范围。
6.如权利要求5所述的一种脉冲氙灯电源控制电路的控制方法，其特征在于：所述功率反馈环路(1)和电流反馈环路(2)的输入控制信号(3)为多段线性可调信号。
7.如权利要求6所述的一种脉冲氙灯电源控制电路的控制方法，其特征在于：所述输入控制信号(3)输出波形的计算方法为：
a、根据焊接不同时刻对电流值需求的大小确定由不同时刻电流值组成的第一数组；
b、在第一数组的相邻两点内以T为取值时间间隔均匀取n个时间点，根据插值法计算出n个时间点每相邻两点的电流间隔ΔI，ΔI的计算公式为：ΔI＝(I2-I1)/[(t2-t1)/T]，其中I2和I1为第一数组中相邻两个点的电流值，t2和t1为这两个点对应的时间；
c、根据电流间隔ΔI计算出n个时间点各自对应的电流值，形成新的数据组，即第二数组。
8.如权利要求7所述的一种脉冲氙灯电源控制电路的控制方法，其特征在于，所述输入控制信号(3)波形的输出过程为：
a、对第一ADC模数转换器(21)、第二ADC模数转换器(22)和脉冲调制模块(16)进行初始化；
b、从存储器中读取所述第一数组，根据所述第一数组计算出所述第二数组；
c、检测第一数组是否改变，若改变了，则将改变后的第一数组存入存储器中，然后计算出第二数组，若没有改变，则检查是否触发电流输出，并在检测到触发电流输出后，打开定时器和定时器中断，将定时器的中断时间设置为T，循环等待flag标志位被置位；
d、flag标志位每次置位则输出第二数组对应的一个数值，定时器的计数值加1；
e、定时器的计数值达到输入控制信号(3)的脉宽时间时，flag标志位置1同时关闭定时器，计数值清零，第二数组数值停止输出。
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Denomination of invention: Control circuit and control method for pulse xenon lamp power supply Effective date of registration: 20171222 Granted publication date: 20170623 Pledgee: Guanggu Branch of Wuhan Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: Wuhan Lingyun Photoelectronic System Co.,Ltd. Registration number: 2017420000048 |
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Denomination of invention: A control circuit and control method of pulse xenon lamp power supply Effective date of registration: 20200918 Granted publication date: 20170623 Pledgee: Guanggu Branch of Wuhan Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: WUHAN ROCLASER AUTOMATION EQUIPMENT Co.,Ltd. Registration number: Y2020420000063 |
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Denomination of invention: Control circuit and control method of a pulsed xenon lamp power supply Effective date of registration: 20220927 Granted publication date: 20170623 Pledgee: Guanggu Branch of Wuhan Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: WUHAN ROCLASER AUTOMATION EQUIPMENT CO.,LTD. Registration number: Y2022420000326 |