CN106253686B - 一种用于抑制激光器脉冲过冲现象的激励电源 - Google Patents

一种用于抑制激光器脉冲过冲现象的激励电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于抑制激光器脉冲过冲现象的激励电源。该激励电源包括控制模块，开关电源模块及谐振模块。控制模块输出频率变化的驱动脉冲信号，经过开关电源模块处理后输出交流方波信号，交流方波信号经谐振模块调幅后变为在每个周期内先为低电平后为高电平的周期性的激励信号。该激励电源输出的激励信号能够在抑制过冲现象的同时使激光脉冲的上升沿更加陡峭，满足激光加工对激光脉冲输出波形的要求，对于提高激光脉冲加工的质量和效率具有重要的意义。

Description

一种用于抑制激光器脉冲过冲现象的激励电源
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种用于抑制激光器脉冲过冲现象的激励电源。
背景技术
在激光应用领域中，轴快流CO2激光器因其高功率和高光束质量的特性被广泛的应用于切割、焊接等激光加工领域。由He、N2、CO2等组成的混合气体在激励电源的作用下，产生辉光放电。气体放电的稳定性对激光的输出有直接的影响，为了实现辉光放电的稳定性，一般采用PWM调制法对激光输出功率进行控制，因此，轴快流CO2激光器输出的是一系列“准连续”的激光脉冲，而单个激光脉冲的波形对激光加工的质量和效率具有重要影响。如图1所示，普通激励电源直接输出一定占空比的脉冲信号I1，脉冲作用到增益气体上时，增益介质上能级的反转粒子数迅速累积，在形成激光输出的瞬间，大量的反转粒子数跃迁到下能级，如图2所示激光脉冲输出波形L1，先输出一个幅值较大的激光脉冲尖峰，由于形成激光脉冲尖峰消耗了大量的反转粒子数，导致反转粒子数急剧下降，随之输出的激光幅值显著下降，这就是激光脉冲的过冲现象。过冲现象的出现不仅会影响激光加工的质量，而且会对激光器的寿命造成损害。
目前，一种用于抑制过冲现象的方法是采用子脉冲调制的激励电源，输出特性如图3所示，通过多个同幅值子脉冲I2的积累，实现反转粒子数的缓慢增加，然后实现激光输出。但是，采用子脉冲调制法时，由于反转粒子数的缓慢增加，导致激光脉冲的上升沿较平缓，图4为激光脉冲输出波形L2，达不到激光加工对激光脉冲形状的要求。
发明内容
针对上述背景技术存在的不足，本发明提供一种用于抑制激光器脉冲过冲现象的激励电源，旨在解决由于现有激励电源输出信号不能实现幅值可调的原因而导致激光器输出的激光脉冲形状不能满足激光加工的技术问题。
为达到上述目的，本发明提供了一种用于抑制激光器脉冲过冲现象的激励电源，包括控制模块、开关电源模块与谐振模块。控制模块的输出端与开关电源模块控制端相连，开关电源模块输出端与谐振模块的输入端相连。
上述控制模块用于为开关电源模块提供频率变化的驱动脉冲信号；
上述开关电源模块用于将频率变化驱动脉冲信号转化为交流方波信号；
上述谐振模块由串联的电感与电容组成，通过控制电感与电容的充放电实现将交流方波信号转化为激励信号；
上述激励信号为每个周期内先为低电平后为高电平的周期信号；上述驱动脉冲信号的频率变化趋势由驱动脉冲信号的频率与谐振模块的输出信号幅值相关性决定，且脉冲驱动信号的周期小于电容充电时间。
控制模块输出频率变化的驱动脉冲信号，驱动脉冲信号通过控制开关电源模块，使开关电源模块输出与驱动脉冲信号频率相关的交流方波信号，交流方波信号通过控制电容与电感的充放电时间，使谐振模块输出在每个周期内先为低电平后为高电平的激励信号。
在激光器单个脉冲周期内，谐振模块先输出低电平信号，使增益介质电离产生适量的反转粒子数，仅产生微弱的激光，此阶段称为激光器“点火”阶段，在这个阶段，激光消耗的反转粒子数比生成的反转粒子数要少得多，反转粒子数不断累积；然后谐振模块输出高电平信号，增益介质中的反转粒子数迅速增加，激光输出脉冲的幅值也迅速增加，使激励脉冲上升沿陡峭；由于“点火”阶段反转粒子数的积累，增益介质中的反转粒子数不会迅速下降，仍然能够维持激光输出脉冲幅值的稳定，由于激光输出后反转粒子数急剧下降而形成的过冲现象就会得到抑制，避免激光脉冲尖峰的形成。
进一步地，还包括升压模块，其输入端与上述谐振模块输出端相连，用于将的低幅值的激励信号变为高幅值的激励信号。
进一步地，还包括整流模块，其输入端与上述升压模块的输出端相连，用于将高幅值的激励信号变成单方向高幅值的激励信号。
进一步地，还包括滤波模块，其输入端与上述整流模块的输出端相连，用于滤除单方向高幅值的激励信号中的脉动成分。
进一步地，所述开关电源模块包括MOS管Z1、MOS管Z2、MOS管Z3、MOS管Z4和直流电源，MOS管Z1源极与MOS管Z3漏极连接，MOS管Z2源极与MOS管Z4漏极连接，MOS管Z1漏极与MOS管Z2漏极连接，MOS管Z3源极与所述MOS管Z4源极连接，直流电源正极连接于MOS管Z1漏极，直流电源负极连接于MOS管Z3源极，有利于谐振模块输出上升沿更陡峭的激励信号。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明中控制模块输出频率变化的驱动脉冲信号使谐振模块输出在每个周期内先为低电平后为高电平的激励信号，实现在抑制激光器输出脉冲过冲现象的同时提升激光器输出脉冲的上升速率，可以显著提高激光脉冲的质量，满足激光加工对激光脉冲输出波形的要求，对于提高激光脉冲加工的质量和效率具有重要的意义；且本发明提供的激励电源结构简单，元器件易得，便于生产制造。
附图说明
图1为普通激励电源输出特性；
图2为普通激励电源激励下的激光器输出特性；
图3为子脉冲调制法下激励电源的输出特性；
图4为子脉冲调制法下激励电源激励下的激光器输出特性；
图5为本发明结构框图；
图6为本发明实施例的电路原理图；
图7为本发明实施例的驱动脉冲实现原理图；其中，(a)为定时器T1输出特性，(b)为定时器T2输出特性，(c)为MOS管Z1和MOS管Z4控制端的驱动脉冲信号P1，(d)为MOS管Z2和MOS管Z3控制端的驱动脉冲信号P2；
图8为本发明激励电源的输出特性；
图9为本发明激励电源激励下的激光器输出特性。
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。
如图5所示，本发明中用于抑制激光器脉冲过冲现象的激励电源包括控制模块，用于输出频率变化的驱动脉冲信号，控制模块的输出端与开关电源模块的控制端相连，通过驱动脉冲信号控制开关电源模块，使开关电源模块输出与驱动脉冲信号频率相关的交流方波信号，谐振调制模块输入端与开关电源模块的输出端连接，谐振调制模块由串联的电容与电感组成，交流方波信号控制电容与电感的充放电过程，使谐振模块输出在每个周期内先为低电平后为高电平的周期性的激励信号。
本发明中驱动脉冲信号的周期小于电容充电时间，驱动脉冲信号的频率变化趋势由驱动脉冲信号的频率与谐振模块输出信号幅值相关性决定，当驱动脉冲信号的频率与谐振模块输出信号幅值正相关时，控制模块输出每个周期内先为低频率后为高频率的周期性的驱动脉冲信号，可以实现谐振模块输出每个周期内先为低电平后为高电平的周期性的激励信号，当驱动脉冲信号的频率与谐振模块输出信号幅值负相关时，输出每个周期内先为高频率后为低频率的周期性的驱动脉冲信号，可以实现谐振模块输出每个周期内先为低电平后为高电平的周期性的激励信号。
在单个激光脉冲周期内，在激光器“点火”阶段，激励电源输出低电平，使增益介质电离产生适量的反转粒子数，仅产生微弱的激光，在这个阶段，激光消耗的反转粒子数比生成的反转粒子数要少得多，反转粒子数不断累积；然后调整脉冲控制信号的频率，使激励电源输出高电平，增益介质中的反转粒子数迅速增加，激光输出脉冲的幅值也迅速增加，使得激光脉冲的上升沿陡峭，这样避免了由于反转离子数的缓慢增加而导致激光脉冲的上升沿平缓；另外，由于“点火”阶段反转粒子数的积累，增益介质中的反转粒子数不会迅速下降，仍然能够维持激光输出脉冲幅值的稳定，这样由于激光输出后反转粒子数急剧下降而形成的过冲现象就会得到抑制，避免激光脉冲尖峰的形成。
谐振模块输出端与升压模块的输入端相连，升压模块用于提高激励电源的驱动能力，激励信号经过升压模块升压后变为高幅值的激励信号，升压模块的输出端与整流模块的输入端连接，高幅值的激励信号经过整流模块变为单方向高幅值的激励信号，整流模块的输出端与滤波模块的输入端连接，滤波模块降低单方向高幅值的激励信号中的脉动成分，使激励电源输出的激励信号波形更加符合激光加工对激励电源输出波形需求。
如图6所示，本发明实施例中的开关电源模块包括四个MOS管，MOS管Z1源极与MOS管Z3漏极连接，MOS管Z2源极与MOS管Z4漏极连接，MOS管Z1漏极与MOS管Z2漏极连接，MOS管Z3源极与MOS管Z4源极连接，直流电源V1正极连接于MOS管Z1漏极，直流电源V1负极连接于MOS管Z3源极，为了使开关电源输出交流方波信号，控制MOS管Z1与MOS管Z4同时导通和关断，MOS管Z2与MOS管Z3同时导通和关断，且MOS管Z1与MOS管Z2为180度互补导通；二极管DZ1正极连接于MOS管Z1的源极，二极管DZ1负极连接于MOS管Z1的漏极，二极管DZ2至二极管DZ4与二极管DZ1的连接方式相同，分别与其他的MOS管并联，用于形成放电回路；电容器C6和电容器C7串联后并联于电源V1两端，用于去除直流电源上的干扰信号。
谐振模块由串联的电感L1与电容C5组成，串联后的电感L1与电容C5连在MOS管Z1源极与MOS管Z2源极之间，通过控制MOS管Z1至MOS管Z4的导通与关断来控制电容C1充放电状态，根据开关管的导通与关断状态和电感电流iL1的电流方向，本实施例中激励电源电路存在四种开关模态，在第一种开关模态中，电感电流iL1和电容电压VC5初始值为0，此时MOS管Z1和MOS管Z4导通，电源电压V1全部加在电感L1上，电感电流iL1从零开始线性增加直到电容电压VC5＝V1，此时，电感电流iL1达到最大，由于电感电流iL1的方向不会改变，并继续给电容C5充电，直到VC5＝2V1，此时iL1＝0，MOS管Z1和MOS管Z4自然关断。电路转入第二种模态中，起始，电容电压VC5＝2V1，iL1＝0，电容C5通过电感L1、二极管DZ1和二极管DZ4放电，电感电流iL1反向增加，随着电感电流iL1的增大，电容电压VC5逐渐减小，直到VC5＝V1，此时，电感电流iL1达到最大，由于电感的作用，电感电流iL1的方向不会改变，电容C5继续放电，直到VC5＝0，此时iL1＝0。在第三种模态中，MOS管Z2和MOS管Z3导通，电感电流iL1与电容电压VC5的变化与第一种模态相同，方向相反，在第四种模态中，电容C5通过电感L1、二极管DZ2和二极管DZ3导通，电感电流iL1与电容电压VC5的变化与第二种模态相同，方向相反。
由上述分析可知，通过改变MOS管Z1至MOS管Z4的导通时间，可以改变电容C5的充放电时间，从而改变电容C5两端电压，且当驱动脉冲周期小于电容C5的充电时间，驱动脉冲频率与电容C5两端电压具有相关性，控制模块输出不同频率使电容C5两端电压幅值不同，从而实现输出在每个周期内先为低电平后为高电平的周期性的激励信号。
升压模块由四组串联的变压器TX1至变压器TX4组成，四组串联后变压器并联在电容C5两端，变压器TX1副边至变压器TX4副边均连有全桥整流电路，各变压器副边与全桥整流电路的连接方式相同，变压器TX1副边与全桥整流电路连接方式为：全桥整流电路由四个二极管组成，二极管D1的正极与二极管D2的负极相连，二极管D3的正极与二极管D4的负极相连，二极管D1的负极与二极管D3的负极相连，二极管D2的正极与二极管D4的正极相连，上述变压器TX1副边一端连于二极管D2的负极，变压器TX1副边的另一端连于二极管D4的负极。变压器TX2副边至变压器TX4副边与所连的全桥整流电路的连接方式同变压器TX1副边与全桥整流电路连接方式相同。电容C5上的电压经变压器TX1至变压器TX4升压后变为四路高幅值的激励信号，由四个全桥整流电路将四路高幅值的激励信号整流为四路单方向高幅值的激励信号。滤波模块由滤波电容C1至滤波电容C4组成，每一个滤波电容对一路单方向高幅值的激励信号滤波，滤波电容C1一端连于二极管D1负极，滤波电容C1另一端连于二极管D2的正极，滤波电容C2至滤波电容C4于全桥整流电路的连接方式通滤波电容C1与全桥整流电路的连接方式相同。通过滤波电容对单方向高幅值的激励信号进行滤波，使激励电源输出激励信号波形更加满足激光加工要求。经过滤波电容滤波后的四路单方向高幅值的激励信号分别加于负载RL1至负载RL4，负载RL1至负载RL4为放电管放电时的等效电阻。
控制模块为DSP芯片，由DSP芯片通过PWM调制法产生一对推挽输出的驱动脉冲来控制开关电源模块，如图7(a)所示，定时器T1输出的波形为锯齿波，如图7(b)所示，定时器T2输出的波形为锯齿波，定时器T2输出的锯齿波比定时器T1输出的锯齿波提前1/2个周期，设置比较值寄存器T0，当计时器T1输出幅值大于比较值寄存器T0时，输出高电平脉冲，反之，输出低电平脉冲，如图7(c)所示，驱动脉冲P1为定时器T1输出幅值与比较值寄存器T0比较后的结果，同理，当计时器T2输出幅值大于比较值寄存器T0时，输出高电平脉冲，反之，输出低电平脉冲，如图7(d)所示，驱动脉冲P2为定时器T2输出幅值与比较值寄存器T0比较后的结果，由于定时器T2输出的锯齿波比定时器T1输出的锯齿波提前1/2个周期，故驱动脉冲P1与驱动脉冲P2交替出现，MOS管Z1和MOS管Z4由将驱动脉冲P1控制，MOS管Z2和MOS管Z3由将驱动脉冲P2控制，可以实现且MOS管Z1与MOS管Z2为180度互补导通，通过调整定时器T1与定时器T2锯齿波的周期，实现改变驱动脉冲P1与驱动脉冲P2的频率，从而达到改变激励电源输出电流的目的。
控制模块也可选用ARM芯片，采用上述的PWM调制法产生驱动脉冲信号，用于控制开关电源模块，实现改变激励电源输出电压的目的。
图8为本实施例中激励电源的输出波形I3，激励电源保证激光器每根放电管的放电电流维持在30mA-40mA，维持时间在300us-500us，然后使激光器的每根放电管的放电电流达到80mA左右，如图9所示，在这种工作模式下对应的激光脉冲输出波形L3，未出现严重的过冲现象，激光脉冲会比较平稳，且激光脉冲的上升沿更加陡峭，能够满足激光加工过程中对激光脉冲的要求，且激光电源简单，元器件易得，便于生产制造。
本领域的技术人员容易理解，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)

1.一种用于抑制激光器脉冲过冲现象的激励电源，其特征在于，包括开关电源模块、控制模块和谐振模块；所述控制模块的输出端与所述开关电源模块控制端相连，所述开关电源模块输出端与所述谐振模块的输入端相连；
所述控制模块用于为开关电源模块提供频率变化的驱动脉冲信号；
所述开关电源模块用于将频率变化的驱动脉冲信号转化为交流方波信号；
所述谐振模块由串联的电感与电容组成，通过控制电容与电感的充放电实现将交流方波信号转化为激励信号；
所述激励信号为在每个周期内先为低电平后为高电平的周期信号；所述驱动脉冲信号的频率变化趋势由驱动脉冲信号的频率与谐振模块的输出信号幅值相关性决定，且驱动脉冲信号的周期小于电容充电时间。
2.根据权利要求1所述的激励电源，其特征在于，还包括升压模块，其输入端与所述谐振模块的输出端相连，用于将激励信号转化为高幅值的激励信号。
3.根据权利要求2所述的激励电源，其特征在于，还包括整流模块，其输入端与所述升压模块输出端相连，用于将高幅值的激励信号转化为单方向高幅值的激励信号。
4.根据权利要求3所述的激励电源，其特征在于，还包括滤波模块，其输入端与整流模块的输出端相连，用于将所述单方向高幅值的激励信号中脉动成分滤除。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的激励电源，其特征在于，所述开关电源模块包括：MOS管Z1、MOS管Z2、MOS管Z3、MOS管Z4和直流电源，所述MOS管Z1源极与所述MOS管Z3漏极连接，所述MOS管Z2源极与所述MOS管Z4漏极连接，所述MOS管Z1漏极与所述MOS管Z2漏极连接，所述MOS管Z3源极与所述MOS管Z4源极连接，直流电源正极连接于MOS管Z1漏极，直流电源负极连接于MOS管Z3源极。
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