CN105356213A - 一种带能量反馈的智能二氧化碳激光电源 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，包括：电源变换单元；输出电流处理单元，与电源变换单元连接；输出高压处理单元，与电源变换单元连接；功率校正变换控制单元，与电源变换单元和输出电流处理单元连接；控制单元，与输出电流处理单元、输出高压处理单元和功率变换控制单元连接；激光能量检测放大单元，与控制单元连接；通信控制单元，与控制单元连接；外部控制信号处理单元，与功率变换控制单元连接。本发明有益效果：实现了激光电源和控制板卡的通信功能，实现了激光电源输出参数、控制信号、故障信号、激光能量或激光电源输出电流的反馈，和功率控制电压比较实现了输出参数的闭环控制。

Description

一种带能量反馈的智能二氧化碳激光电源

技术领域

本发明涉及一种带能量反馈的智能二氧化碳激光电源。

背景技术

随着激光在工业雕刻、切割、打标等各方面应用的推广，以及客户对激光加工质量要求越来越高，对激光系统的功率稳定性、长寿命和系统的可维护性提出了更高的要求：要求在激光系统的寿命期内输出激光的功率恒定或有变化也在可接受的范围内，能够有比较长的寿命周期，以及在系统出现问题时能够及时准确的锁定故障点以快速修复等。经发明人分析，影响以上几项的最主要的部件是控制激光功率的计算机控制部分(简称控制板卡)、激光器和激光驱动电源，三者相互影响，例如：假设三部分中其他二者正常，第一种情况下激光电源的输出电流不稳，可以造成最终输出的激光功率不稳，影响雕刻、切割和打标等加工的效果，甚至无法保证正常工作；第二种情况是激光器的启辉电压、工作电压和工作电流偏高，超出了激光电源的输出能力，使输出电压升高，在隔离耐压防护不好的地方，很容易造成高压放电，损坏激光电源、控制板卡或其他弱电部分，在这种情况下即使勉强能够工作，也会出现加工效果不理想的现象；第三种情况是控制板卡的控制信号IN输出的稳定性和控制策略的影响：控制板卡的控制信号IN输出不稳，司职于执行部分的激光电源就会按照不稳的控制信号IN工作，造成激光输出功率的不稳；而控制板卡和执行部分的激光电源的开环控制，是造成激光输出不稳的另一主要原因，即控制板卡仅仅是给出一控制功率的控制信号IN或PWM信号(用PWM信号替代输出电压控制激光电源的输出电流)，理想认为激光电源会按照既定输出曲线输出电流，但每一台电源的控制电压-输出曲线会有差异，每一块控制板卡的功率百分比-输出电压也会有差异，就会造成控制信号IN一样的情况下，激光电源的输出电流不一样，最终的激光输出功率不一样。而现有的激光电源没有输出电流或最终输出激光的反馈功能，不能将实际的输出激光功率大小反馈到控制板卡，也即控制板卡和激光功率之间的控制不是闭环控制，不能根据实际的输出激光功率调整板卡输出的控制信号IN从而调整输出激光功率到期望值，进而影响激光功率的输出和最终的加工效果。

另外，激光电源本身没有工作状态、故障内容、故障点定位的显示或反馈，造成故障后的故障排除困难。由于激光电源为高压输出电源，空载电压高达几十千伏甚至上百千伏，在现场无法进行常规测量，无法判断故障是因为激光器的问题还是激光电源的问题，给现场故障的排除增加很大难度，影响用户的使用，造成用户投诉严重。

综上，要实现激光系统的功率稳定性、比较长的寿命和系统的可维修性，从激光电源的角度上必须使激光电源具有以下功能：

1、激光电源和控制板卡的通信功能，实现激光电源输出参数、控制信号、故障信号的反馈和板卡显示，包括利用RS232实现多机通信功能以适应多头激光机的应用。

2、激光电源的辅助显示功能，显示电源输出参数、控制信号、故障信号等。

3、激光能量或激光电源输出电流反馈功能，根据控制板卡输出电压实现输出参数的自我调整。

4、激光系统故障中激光电源故障和非激光器故障的判断。

5、激光电源故障中的故障定位和显示。

6、激光电源输出异常情况下关闭激光电源以防止更大的危害发生。

但市面上现有激光电源全部没用或大部分没用以上功能，所以很难实现激光系统的功率稳定性、比较长的寿命期和系统的快速可维护性的要求。

发明内容

本发明提出一种带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，解决了现有技术中上述的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，包括：

电源变换单元；

输出电流处理单元，与所述电源变换单元连接；

输出高压处理单元，与所述电源变换单元连接；

功率校正变换控制单元，与所述电源变换单元和所述输出电流处理单元连接；

控制单元，与所述输出电流处理单元、所述输出高压处理单元和所述功率变换控制单元连接；

激光能量检测放大单元，与所述控制单元连接；

通信控制单元，与所述控制单元连接；

外部控制信号处理单元，与所述功率变换控制单元连接。

进一步地，本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，还包括：

易损点检测单元，与所述电源变换单元和所述控制单元连接。

进一步地，本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，还包括：

辅助显示单元，与所述控制单元连接。

进一步地，所述电源变换单元包括：

输入整流滤波单元；

功率因数校正变换单元，与所述输入整流滤波单元连接；

高频高压变换单元，与所述功率因数校正变换单元连接；

高频高压整流滤波单元，与所述高频高压变换单元连接。

进一步地，所述输出电流处理单元包括：

输出电流检测单元；

输出电流滤波单元，与所述输出电流检测单元连接；

输出电流放大单元，与所述输出电流滤波单元连接。

进一步地，所述输出高压处理单元包括：

输出高压检测单元；

输出高压滤波单元，与所述输出高压检测单元连接。

进一步地，所述控制单元包括：

信号变换单元；

比较判断单元，与所述信号变换单元连接；

存储单元，与所述比较判断单元连接；

通信单元，与所述比较判断单元连接。

本发明的有益效果为：

1、本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，实现了激光电源和控制板卡的通信功能，实现了激光电源输出参数、控制信号、故障信号、激光能量或激光电源输出电流的反馈，和功率控制电压比较实现了输出参数的闭环控制。

2、本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，实现了激光机系统中激光电源故障和非激光电源故障的定位，以及实现了激光电源中故障的精确定位，方便了激光机整机的维护，降低了维护难度，尤其使激光电源的维修变得极为简单。

3、本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，实现了激光电源和上位机、控制板卡、其他激光电源、辅助显示多种设备的通信，并可自动识别。

4、本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，利用一对一的RS232协议实现了多机通信功能，实现了一个控制板卡利用RS232和多台激光电源通信的功能，在现有控制板卡的通信接口基础上实现了多激光头激光机的闭环控制。

5、本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，激光电源的输出参数、控制信号、故障信号、故障定位可以通过控制板卡显示，也可通过辅助显示单元显示，并置于激光机的前面板上，方便的用户的监视，增加了用户的体验；辅助显示单元可以显示一台激光电源的相关信息，也可显示两台激光电源的相关信息，并自动识别激光电源的数量，显示画面随电源数量自动改变，方便双头激光机的应用。

6、本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，实现了激光电源输出异常时自动关闭输出的功能，避免因为长时间的高压输出而可能产生的高压放电，损坏控制板卡或激光电源本身，使激光电源的可靠性得到较大提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种带能量反馈的智能二氧化碳激光电源的结构框图；

图2为本发明一种带能量反馈的智能二氧化碳激光电源的输出高压处理单元的电路图；

图3为本发明一种带能量反馈的智能二氧化碳激光电源的激光能量检测放大单元的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，本发明所述的一种带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，包括：

电源变换单元；

输出电流处理单元，与电源变换单元连接；

输出高压处理单元，与电源变换单元连接；

功率校正变换控制单元，与电源变换单元和输出电流处理单元连接；

控制单元，与输出电流处理单元、输出高压处理单元和功率变换控制单元连接；

激光能量检测放大单元，与控制单元连接；

通信控制单元，与控制单元连接；

外部控制信号处理单元，与功率变换控制单元连接。

其中，电源变换单元用于从市电到直流高压恒流源的变换；输出电流处理单元用于电源变换单元输出电流Io的检测、滤波和放大；输出高压处理单元用于电源变换单元输出高压Vo的检测和滤波；功率校正变换控制单元用于主要完成功率变换的PWM控制、响应电流反馈、保护联锁等，满足直流母线电压预稳、实现功率因数校正有关控制等；控制单元用于完成多路A/D转换、逻辑判断、比较、控制、存储等功能，并完成与上位机、控制板卡和下述的辅助显示单元之间的通信，在判断出电源变换单元输出开路、高压放电、激光器损坏的情况下，及时关闭电源变换单元输出，避免因为长时间的高压输出而可能产生的高压放电，损坏控制板卡或电源变换单元本身；激光能量检测放大单元用于激光能量的检测和放大；通信控制单元用于与控制板卡、其它激光电源、上位机和下述辅助显示单元的通信，通过通信控制单元可以实现一个控制板卡和多个激光电源按RS232协议进行通信；外部控制信号处理单元用于检测外部控制开关量信号(如TH、TL、WP)的有无，模拟信号(如控制信号IN)的大小。

其中，激光能量检测放大单元具体如图3所示，光敏二极管PD负极接地，光敏二极管正极分别与电容CF、电阻RF、运算放大器第一输入端和电容CA连接，电容CF和电阻RF与运算放大器输出端连接，电容CA与运算放大器的第二输入端连接，且运算放大器的第二输入端接地，运算放大器正电源端的电压为-15V，运算放大器负电源端的电压为﹢15V。

本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，还可以包括：

易损点检测单元，与电源变换单元和控制单元连接。易损点检测单元主要对电源变换单元内部主要易损单元或器件的损坏前后的状态检测，通过易损点检测单元可以精准定位易损点检测单元内部损坏位置。设置易损点检测单元的目的主要为方便维护之用，易损点检测单元内的检测电路完成对主要易损部分的状态检测，并将检测结果输入到控制单元，控制单元根据检查到的状态，和预存于控制单元的常规值进行比较，可以得出主要易损部分的具体位置点是正常还是故障，对故障点实现精确定位，并可通过外部控制信号处理单元上传到控制板卡进行显示，也可以直接通过辅助显示单元进行辅助显示，便于维护人员快速、精准查找故障点，维修电源。

本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，还可以包括：

辅助显示单元，与控制单元连接。通过辅助显示单元可以显示运行参数，如：输出电压、电流，电源工作状态正常与否，外部输入信号状态或大小，故障信息和故障定位点等。辅助显示单元还可以同时显示两台激光电源的运行参数，并且自动识别是一台激光电源还是两台激光电源，显示画面随电源数量自动改变，方便双头激光机的应用。

其中，所述电源变换单元可以包括：

输入整流滤波单元；

功率因数校正变换单元，与输入整流滤波单元连接；

高频高压变换单元，与功率因数校正变换单元连接；

高频高压整流滤波单元，与高频高压变换单元连接。

其中，所述输出电流处理单元可以包括：

输出电流检测单元；

输出电流滤波单元，与输出电流检测单元连接；

输出电流放大单元，与输出电流滤波单元连接。

其中，所述输出高压处理单元可以包括：

输出高压检测单元；

输出高压滤波单元，与输出高压检测单元连接。

输出高压处理单元具体如图2所示，电阻R1分别与电阻R2、电容C1和电阻R3连接，电阻R2和电容C1接地，电阻R3分别与电容C2和电阻R4连接，电容C2接地，电阻R4与运算放大器第一输入端连接，运算放大器第二输入端接地，且运算放大器第二输入端分别与电阻R5和电容C3连接，电阻R5和电容C3均与运算放大器输出端连接，运算放大器正电源端的电压为﹢15V，运算放大器负电源端接地。

其中，所述控制单元可以包括：

信号变换单元；

比较判断单元，与信号变换单元连接；

存储单元，与比较判断单元连接；

通信单元，与比较判断单元连接。

本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，具体工作过程如下：

电源变换单元的输出电流Io、激光器输出的激光功率PL、外部的控制信号分别经输出电流处理单元、激光能量检测放大单元和外部控制信号处理单元的处理后输入到控制单元和功率校正变换控制单元；电源变换单元的输出高压Vo经输出高压处理单元的处理后输入到控制单元；控制单元对来自于输出电流处理单元、输出高压处理单元、激光能量检测放大单元、易损点检测单元、外部控制信号处理单元的输入信号进行整理、变换，对信号进行计算、判断，得到外部控制信号、电源变换单元的输出电流和电压大小、激光器输出的激光能量大小等信息，根据得到的信号信息和存储在控制单元内部的标定值进行判断，得出本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源工作正常还是故障的结论，举例见表一。

表一：假设外部控制信号为TL、WP、IN，

其中Ut、Uw分别表示启辉、工作电压

本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，本身可以有两种工作方式处理得到的信息：

一是通过通信控制单元和控制板卡通信，由控制板卡根据得到的数据进行如下处理：首先进行相应的控制，如本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源的输出电流或激光器的输出功率没有达到控制板卡所要求的期望值，则可以改变控制板卡的控制电压IN来改变本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源的输出电流，从而改变激光器的输出功率，使其达到期望值，实现激光功率的闭环控制，避免因控制板卡、本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源或激光器的差异而导致的激光功率不同的现象，同时也可补偿激光器随环境、使用时间的长短而造成的激光功率变化，再者根据本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源上传的数据显示电源工作状态、外部控制信号正确与否、故障内容等内容，便于维护人员快速、准确的排除故障；

二是不和控制板卡通信，而是由本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源的控制单元根据实际情况和预设阈值等自行处理：控制单元根据得到的外部控制电压IN的大小、实际的激光输出功率的大小和存储在控制单元中的期望值进行比较，如果有偏差，控制单元将调整外部控制电压IN的大小来改变激光器的输出功率，使其达到期望值，实现激光功率的闭环控制，同时通过辅助显示单元进行电源工作状态、外部控制信号正确与否、故障内容的显示，本项内容说明本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源可以脱离控制板卡实现自我闭环控制。

本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，可以和多种设备进行通信，借助于自动识别和其要通信的设备，包括用于设定产品编码和用户编码的上位机、控制板卡、辅助显示单元的显示装置和其它电源通信。本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源还设计有可以通过互联网远程诊断的功能。但是考虑到现有控制板卡的通信接口多为一对一的RS232接口，因此必须解决RS232如何实现多机通信的问题，本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源利用双串口成功实现本功能，并且多机通信的地址自动设置，无需事先设定，具体为：上电时上位机发送带有1^#地址的数据到与上位机最近连接的激光电源，由此激光电源接收到数据后将本激光电源地址设为1^#电源，并发送带有2^#数据到下一台激光电源，该激光电源接收到数据后将自己地址设为2^#，然后2号激光电源再发送带有3^#地址的数据到下一台激光电源，以此类推，直到所有激光电源地址设置完毕。

本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，具有如下优点：

1、本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，实现了激光电源和控制板卡的通信功能，实现了激光电源输出参数、控制信号、故障信号、激光能量或激光电源输出电流的反馈，实现了输出参数或激光输出能量的闭环控制。

2、本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，实现了激光机系统中激光电源故障和非激光电源故障的定位，以及实现了激光电源中故障的精确定位，方便了激光机整机的维护，降低了维护难度，尤其使激光电源的维修变得极为简单。

3、本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，实现了激光电源和上位机、控制板卡、其他激光电源、辅助显示多种设备的通信，并可自动识别。

4、本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，利用一对一的RS232协议实现了多机通信功能，实现了一个控制板卡利用RS232和多台激光电源通信的功能，在现有控制板卡的通信接口基础上实现了多激光头激光机的闭环控制。

5、本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，激光电源的输出参数、控制信号、故障信号、故障定位可以通过控制板卡显示，也可通过辅助显示单元显示，并置于激光机的前面板上，方便的用户的监视，增加了用户的体验；辅助显示单元可以显示一台激光电源的相关信息，也可显示两台激光电源的相关信息，并自动识别激光电源的数量，显示画面随电源数量自动改变，方便双头激光机的应用。

6、本发明所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，实现了激光电源输出异常时自动关闭输出的功能，避免因为长时间的高压输出而可能产生的高压放电，损坏控制板卡或激光电源本身，使激光电源的可靠性得到较大提升。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，其特征在于，包括：

电源变换单元；

输出电流处理单元，与所述电源变换单元连接；

输出高压处理单元，与所述电源变换单元连接；

功率校正变换控制单元，与所述电源变换单元和所述输出电流处理单元连接；

控制单元，与所述输出电流处理单元、所述输出高压处理单元和所述功率变换控制单元连接；

激光能量检测放大单元，与所述控制单元连接；

通信控制单元，与所述控制单元连接；

外部控制信号处理单元，与所述功率变换控制单元连接。

2.根据权利要求1所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，其特征在于，还包括：

易损点检测单元，与所述电源变换单元和所述控制单元连接。

3.根据权利要求1所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，其特征在于，还包括：

辅助显示单元，与所述控制单元连接。

4.根据权利要求1所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，其特征在于，所述电源变换单元包括：

输入整流滤波单元；

功率因数校正变换单元，与所述输入整流滤波单元连接；

高频高压变换单元，与所述功率因数校正变换单元连接；

高频高压整流滤波单元，与所述高频高压变换单元连接。

5.根据权利要求1所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，其特征在于，所述输出电流处理单元包括：

输出电流检测单元；

输出电流滤波单元，与所述输出电流检测单元连接；

输出电流放大单元，与所述输出电流滤波单元连接。

6.根据权利要求1所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，其特征在于，所述输出高压处理单元包括：

输出高压检测单元；

输出高压滤波单元，与所述输出高压检测单元连接。

7.根据权利要求1所述的带能量反馈的智能二氧化碳激光电源，其特征在于，所述控制单元包括：

信号变换单元；

比较判断单元，与所述信号变换单元连接；

存储单元，与所述比较判断单元连接；

通信单元，与所述比较判断单元连接。